اقترح فلوريان نيوكارت، الأستاذ المساعد في معهد لايدن، محرك البلازما الاندماجي المغناطيسي (MFPD)، وهو طريقة جديدة للدفع الفضائي. يجمع هذا المفهوم بين دفع الاندماج النووي والدفع الأيوني وتقنيات أخرى، ومن المتوقع أن يحقق كثافة طاقة عالية وكفاءة في استهلاك الوقود.
يقدم فلوريان نيوكارت محرك البلازما المغناطيسي، وهو طريقة دفع ثورية تجمع بين تقنيات الاندماج النووي والأيونات. فهو يتمتع بكثافة طاقة هائلة والعديد من المزايا التي يمكن أن تعيد تعريف استكشاف الفضاء، على الرغم من أنه لا تزال هناك تحديات في الحفاظ على تفاعلات الاندماج النووي في الفضاء.
بعثات إلى القمر، وبعثات إلى المريخ، ومستكشفون آليون للنظام الشمسي الخارجي، وبعثات إلى أقرب النجوم، وحتى مركبات فضائية تطارد الأجسام بين النجوم التي تمر عبر نظامنا. إذا كنت تعتقد أن هذا يبدو وكأنه وصف لعصر استكشاف الفضاء القادم، فأنت على حق! توجد حاليًا خطط ومقترحات متعددة لإرسال رواد فضاء و/أو مجسات إلى جميع هذه الوجهات لإجراء بعض الأبحاث العلمية الأكثر ربحًا على الإطلاق. وبطبيعة الحال، يطرح ملف هذه المهام تحديات مختلفة، ليس أقلها مسألة التقدم.
باختصار، لقد وصلت البشرية إلى حدود أجهزة الدفع التقليدية (الكيميائية). يتطلب إرسال المهام إلى المريخ ووجهات أخرى في الفضاء السحيق تقنيات دفع متقدمة توفر تسارعًا عاليًا (delta-v)، ونبضًا محددًا (Isp)، وكفاءة في استهلاك الوقود. اقترح فلوريان نيوكارت، الأستاذ في جامعة لايدن، في ورقة بحثية حديثة أن البعثات المستقبلية يمكن أن تعتمد على مفهوم جديد للدفع يسمى محرك بلازما الاندماج المغناطيسي (MFPD). يجمع هذا الجهاز بين جوانب طرق الدفع المختلفة لإنشاء نظام ذو كثافة طاقة عالية وكفاءة أعلى بكثير في استهلاك الوقود مقارنة بالطرق التقليدية.
كيف يمكن للبشر السفر إلى أقرب نظام نجمي في حياتنا؟ مصدر الصورة: مشروع مارش ماومي/شنجيانغ
فلوريان نيوكارت هو أستاذ مساعد في معهد ليدن لعلوم الكمبيوتر المتقدمة (LIACS) في جامعة ليدن وعضو مجلس إدارة شركة TerraQuantum AG السويسرية لتطوير تكنولوجيا الكم. تم نشر نسخة أولية من ورقته مؤخرًا على الإنترنت وهي قيد المراجعة حاليًا بواسطة Elsevier.
لماذا هناك حاجة إلى تكنولوجيا الدفع المتقدمة؟
يعتقد نيوكات أن التقنيات التي يمكنها تجاوز الدفع الكيميائي التقليدي (CCP) تعتبر حاسمة في عصر استكشاف الفضاء اليوم. وعلى وجه الخصوص، يجب أن توفر هذه التقنيات قدرًا أكبر من كفاءة الطاقة والدفع والقدرة على أداء مهام طويلة الأمد.
وينطبق هذا بشكل خاص على البعثات إلى المريخ ومواقع أخرى خارج نظام الأرض والقمر، حيث تشكل هذه البعثات تهديدات خطيرة على صحة وسلامة ورفاهية رواد الفضاء. حتى لو كانت الأرض والمريخ أقرب ما يكون كل 26 شهرًا (معارضة المريخ)، فإن الرحلة ذهابًا وإيابًا إلى المريخ ستستغرق ما يصل إلى تسعة أشهر. بالإضافة إلى العمليات الأرضية التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى عام ورحلة العودة لمدة 9 أشهر، يمكن أن تستغرق مهمة المريخ ما يصل إلى 900 يوم! وخلال هذه الفترة، سيتعرض رواد الفضاء لمستويات عالية من الإشعاع الكوني والشمسي، ناهيك عن الأضرار التي لحقت بأجسامهم بسبب الجاذبية الصغرى على المدى الطويل.
ونتيجة لذلك، تقوم ناسا ووكالات الفضاء الأخرى بالبحث بنشاط عن طرق الدفع الأخرى. كما في المقال السابق كم يستغرق السفر إلى أقرب نجم؟ وهي تشمل مفاهيم توفير الوقود مثل الدفع الكهربائي أو الدفع الأيوني، والتي تستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لتأين الوقود الدافع الخامل مثل الزينون وتسريعه من خلال فوهة لخلق الدفع. ومع ذلك، تنتج هذه المفاهيم عادة قوة دفع أقل ويجب أن تعتمد على مصادر الطاقة الثقيلة (المصفوفات الشمسية أو المفاعلات النووية) لإنتاج قوة دفع أكبر.
تصوير فني للمسبار الفضائي IKAROS أثناء الطيران، وهو أول مركبة فضائية تثبت بنجاح تكنولوجيا الشراع الشمسي في الفضاء بين الكواكب. المصدر: أندريه ميريكي
تعتبر الأشرعة الشمسية خيارًا آخر يمكنه توليد تسارع مستدام دون الحاجة إلى وقود دافع (وبالتالي توفير الكتلة). ومع ذلك، فإن المهام المجهزة بهذه التكنولوجيا محدودة الدفع ويجب أن تعمل بالقرب من الشمس. أحد التطورات في هذه الفكرة هو استخدام مصفوفات ليزر من فئة جيجاوات (GWe) لتسريع مركبة فضائية مجهزة بالشراع إلى سرعات نسبية (جزء صغير من سرعة الضوء). ومع ذلك، يتطلب تنفيذ هذا المفهوم بنية تحتية باهظة الثمن وكميات هائلة من الطاقة.
الدفع النووي والاندماجي
المفهوم الشائع الآخر هو الدفع الحراري النووي (NTP)، والذي تعمل ناسا ووكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) على تطويره حاليًا في شكل الصاروخ التجريبي للعمليات القمرية الرشيقة (DRACO). تعتمد هذه الطريقة على مفاعل نووي لتسخين الوقود الدافع (مثل الهيدروجين السائل)، مما يؤدي إلى تمدده عبر فوهة لتوليد قوة الدفع. تشمل مزايا NTP كثافة طاقة عالية وتسارعًا عاليًا، ولكنها تواجه أيضًا العديد من التحديات التقنية وتحديات السلامة التي تنطوي على التعامل مع المواد النووية وإطلاقها.
إن المركبة الفضائية التي تعمل بمفاعل البوزيترون قد تشبه تصور فنان لمركبة فضائية لمهمة مرجعية إلى المريخ. المصدر: ناسا
هناك أيضًا مفاهيم الدفع التي تستغل تفاعلات الاندماج النووي، مثل تفاعلات الديوتيريوم-التريتيوم (D-T) وتفاعلات الديوتيريوم-هيدروجين 3 (D-He3)، والتي ظل العلماء النظريون يدرسونها منذ عقود. توفر هذه الطرق إمكانية تحقيق قوة دفع عالية ونبضات نوعية عالية للغاية، ولكنها تفرض أيضًا تحديات تقنية، أهمها كيفية التعامل مع الوقود اللازم وتحقيق تفاعلات اندماجية مستدامة ويمكن التحكم فيها. هناك أيضًا بعض المفاهيم الأكثر غرابة، مثل دفع المادة المضادة ومحركات الاعوجاج Alcubierre، لكن أيًا منهما غير ممكن في المستقبل المنظور.
مفهوم نيوكارت الثوري
يجمع اقتراح نيوكارت بين الدفع الاندماجي والدفع الأيوني ومفاهيم أخرى. كما أوضح لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
"MFPD هو نظام دفع يستخدم لاستكشاف الفضاء يستخدم تفاعلات الاندماج النووي الخاضعة للرقابة كمصدر أساسي للطاقة لإنتاج الدفع وربما الكهرباء. فرضية النظام هي تسخير الطاقة الهائلة الناتجة عن تفاعلات الاندماج النووي (عادةً ما تتضمن نظائر الهيدروجين أو الهيليوم) لإنتاج غازات عادم جسيمية عالية السرعة يمكن أن تنتج قوة دفع، وفقًا لقانون نيوتن الثالث. يُستخدم المجال المغناطيسي لتقييد ومعالجة البلازما التي تنتجها تفاعل الاندماج لضمان إمكانية التحكم واتجاه إطلاق الطاقة، وفي الوقت نفسه، يتصور مفهوم MFPD أيضًا إمكانية تحويل جزء من طاقة الاندماج إلى طاقة كهربائية للحفاظ على نظام المركبة الفضائية ونظام التحكم في التفاعل المحتمل.
مفهوم الفنان لصاروخ حراري نووي ثنائي الوضع في مدار أرضي منخفض. المصدر: ناسا
لتطوير هذا المفهوم، بدأ نيوارت بتفاعل اندماج الديوتيريوم-التريتيوم (D-T) لأنه أحد أكثر التفاعلات التي تمت دراستها وفهمها، مما يوفر أساسًا واضحًا ومألوفًا لتوضيح المبادئ والميكانيكا الأساسية لـ MFPD. بالإضافة إلى ذلك، أضاف نيوكارت أن تفاعل D-T لديه درجة حرارة اشتعال منخفضة نسبيًا ومقطع عرضي مرتفع مقارنة بالمفاهيم الأخرى، مما يجعله "نقطة بداية" جيدة. ولذلك فهي توفر معيارًا مفيدًا لقياس ومقارنة أداء أنظمة الدفع النظرية هذه.
ومع ذلك، فإن الهدف النهائي لـ MFPD هو استغلال الاندماج غير النيوتروني (p-B11)، حيث تحمل النيوترونات القليل جدًا من الطاقة المنطلقة من التفاعل. في المقابل، تطلق التفاعلات غير النيوترونية طاقة على شكل جسيمات مشحونة (عادةً بروتونات أو جسيمات ألفا)، مما يقلل بشكل كبير من مستوى الإشعاع النيوتروني الناتج.
مزايا تقنية التحلل متعدد الوسائط
مزايا مثل هذا النظام واضحة، فهو يجمع بين دفعة محددة عالية وكثافة طاقة هائلة والقدرة على توفير كل من الدفع والطاقة من مصدر طاقة واحد. وقال نيوكرت إن المزايا الأخرى تشمل ما يلي:
دفعة نوعية عالية: يمكن أن يوفر MFPD دفعة نوعية عالية، مما يؤدي إلى تغييرات هائلة في السرعة (دلتا-v) للمركبة الفضائية، وهو ما يساعد في تنفيذ المهام إلى الأجرام السماوية البعيدة.
الوقود عالي الطاقة: يتمتع الوقود الاندماجي (مثل نظائر الهيدروجين) بكثافة طاقة عالية بشكل مدهش، مما يجعل من الممكن تمديد المهام دون الحاجة إلى كميات كبيرة من الوقود الدافع.
الجزء الكتلي الأقل: قد تقلل تصميمات المركبات الفضائية الجزء الكتلي من تخزين الوقود، مما يوفر المزيد من التخصيص الشامل للأدوات العلمية أو التقنيات الإضافية.
ثنائي الغرض: يعد الصاروخ متعدد الأغراض أكثر من مجرد نظام دفع؛ كما أنه يوفر الطاقة لأنظمة وأدوات المركبة الفضائية، وهو أمر بالغ الأهمية للمهام طويلة الأمد.
القدرة على التكيف: إمكانية ضبط الدفع والنبض المحدد، مما يوفر تنوعًا لمراحل المهمة المختلفة مثل التسارع والسرعة والتباطؤ.
تقليل أوقات السفر: يمكن للدفع المستمر الأكبر أن يؤدي إلى تقصير كبير في أوقات السفر إلى وجهات بعيدة، مما يقلل من المخاطر المرتبطة بالتعرض للإشعاع الكوني وإدارة الموارد على متن الطائرة.
الحماية من الإشعاع: على الرغم من التحدي، فمن الممكن تصميم مجالات مغناطيسية وهياكل فيزيائية متأصلة لاستخدام البلازما والمجالات المغناطيسية لتوفير درجة من الحماية الإشعاعية للمركبة الفضائية وطاقمها.
مستقل عن القرب من الشمس: على عكس الأشرعة الشمسية أو الدفعات الكهربائية الشمسية، لا يعتمد الصاروخ متعدد الأغراض متعدد المجالات على القرب من الشمس؛ لذلك، من الممكن القيام بمهام في النظام الشمسي الخارجي وخارجه.
تقليل خطر التلوث النووي: نظرًا لأن الاندماج عمومًا يتطلب مواد مشعة أقل من المفاهيم النووية الحرارية أو الانشطارية الكهربائية، ومن المحتمل أن يجعل إغلاق المفاعل أكثر أمانًا، يمكن تصميم خلايا الوقود متعددة الوظائف لتقليل مخاطر التلوث الإشعاعي.
التأثير والتحديات
أما عن تأثير هذا النظام على استكشاف الفضاء، فأكد نويكارت أنه يستطيع اجتياز مسافات كونية بعيدة في وقت أقصر، وتوسيع نطاق المهمة (السفر بسرعة إلى كواكب أخرى في النظام الشمسي والمهمات بين النجوم)، وتقليل مخاطر المهام الفضائية طويلة المدى (التعرض للإشعاع والجاذبية الصغرى)، وإحداث ثورة في تصميم المركبات الفضائية من خلال توفير الدفع والطاقة الكهربائية في نفس الوقت، وتعزيز قدرات الاستكشاف البشرية.
أبعد من ذلك، فهو يتوقع إمكانات عرضية لتقنيات في علوم المواد، وفيزياء البلازما، وإنتاج الطاقة، والتي لها أيضًا تطبيقات هنا على الأرض. يمكن أن يؤدي تطوير النظام أيضًا إلى تعزيز التعاون الدولي، حيث يجمع الخبراء والموارد من مجالات متعددة لتحقيق أهداف الاستكشاف المشتركة.
وبطبيعة الحال، لن يكون أي اقتراح لتكنولوجيا الجيل التالي مكتملاً دون بعض المحاذير والإضافات. على سبيل المثال، قال نويكات، إن التحدي الرئيسي الذي يواجه تكنولوجيا الدفع MFPD هو تحقيق والحفاظ على علاقة اندماج مستقرة في الفضاء. على الأرض، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا في الحبس المغناطيسي (MCF) والاندماج بالحبس بالقصور الذاتي (ICF). يتضمن الأول مفاعل توكاماك الذي يستخدم المجالات المغناطيسية لحصر الاندماج على شكل بلازما، بينما يعتمد الأخير على الليزر لضغط وتسخين صفائح وقود D-T. ومع ذلك، لم يتم إجراء تجارب مماثلة في الفضاء، مما يثير تساؤلات حول كيفية تعامل النظام مع الحرارة الناتجة عن التفاعل، والإشعاع الناتج والتأثيرات على هيكل المركبة الفضائية. على الرغم من ذلك، بدأت التجارب النووية الفضائية (المظاهرة المذكورة أعلاه لـ DRACO). ونظراً للمزايا التي تتمتع بها تكنولوجيا الدفع بالاندماج النووي، فمن غير المرجح أن تظل على لوحة التصميم لفترة طويلة. في نهاية المطاف، قال نويكات، إن أبحاث الدفع متعدد الوقود تهدف إلى إنشاء طريق لاستكشاف ما بين النجوم و(يومًا ما) بين النجوم:
"لا يمكن إنكار أنه سيكون هناك العديد من التحديات والعقبات العلمية في عملية تحقيق مفهوم التحلل التحفيزي متعدد الوسائط، ولكن المكافآت المحتملة ضخمة. إن تحقيق دفع اندماجي موثوق وفعال وفعال يمكن أن يعيد تعريف حدود الأهداف القابلة للتحقيق ويدفع البشرية إلى عصر جديد من الاستكشاف والاكتشاف وفهم الكون. وآمل أن يزرع هذا البحث بذور الفضول والابتكار والتصميم للعلماء والمهندسين والمستكشفين في جميع أنحاء العالم. مشيراً إلى الطريق لمستقبلنا بين النجوم."
مقتبس من مقالة نشرت في الأصل على موقع الكون اليوم.