آیا می‌خواهید به مریخ سفر کنید؟

کاوشگر‌هایی که توسط ناسا و سایر آژانس‌های فضایی به سیاره سرخ فرستاده می‌شوند، قبل از رسیدن به مقصد، حدود هفت ماه را در فضا می‌گذرانند. این سفر برای انسان احتمالا طولانی‌تر خواهد بود، در مقیاس زمانی چند سال.

بر خلاف ربات‌ها چیز‌های زیادی وجود دارد که خدمه انسانی برای زنده ماندن نیاز دارند مانند غذا، آب، اکسیژن و منابع کافی برای بازگشت، که وزن آن‌ها می‌تواند سرعت فضاپیما را کاهش دهد. با فناوری فعلی، محاسبات ناسا تخمین می‌زند که یک ماموریت خدمه به مریخ و بازگشت آن‌ها، بین دو تا سه سال طول می‌کشد. میشل راکر که تیم معماری مریخ ناسا را در اداره ماموریت اکتشاف و عملیات انسانی این آژانس رهبری می‌کند، می‌گوید: سه سال را مطمئنا می‌دانیم که امکان‌پذیر است.

اما ناسا قصد دارد این جدول زمانی را کوتاه کند، تا حدی به این دلیل که ماموریت مریخ را برای انسان ایمن‌تر کند، ما هنوز نمی‌دانیم که بدن انسان چقدر می‌تواند برای مدت طولانی در برابر محیط فضا مقاومت کند. آخرین رکورد برای بیشترین روز‌های متوالی در فضا ۴۳۷ است. آژانس در حال سرمایه گذاری در پروژه‌هایی برای توسعه فناوری‌های جدید رانش است که ممکن است سفر‌های فضایی سریع‌تری را امکان پذیر کند.

یک مسیر کج به مریخ

در یک دنیای علمی تخیلی، یک فضاپیما از زمین مستقیما به مریخ می‌رود. این مسیر مطمئنا یک سفر سریع‌تر را ایجاد می‌کند، اما سفر فضایی واقعی بسیار پیچیده‌تر از رفتن از نقطه A به نقطه B است.

میسون پک، استاد فضانوردی در دانشگاه کرنل، در این باره می‌گوید: «اگر تمام نیروی رانشی که می‌خواهید داشتید، می‌توانید این واقعیت را نادیده بگیرید که اتفاقا گرانش در جهان ما وجود دارد و فقط تمام مسیر منظومه شمسی را شخم بزنید، اما این سناریویی نیست که در حال حاضر امکان پذیر باشد».

چنین مسیر مستقیمی چالش‌های متعددی دارد. همانطور که یک فضاپیما از زمین بلند می‌شود، باید از کشش گرانشی سیاره فرار کند که به نیروی رانش کمی نیاز دارد. سپس در فضا، نیروی جاذبه زمین، مریخ و خورشید فضاپیما را به جهات مختلف می‌کشد. وقتی به اندازه کافی دور شد، در مداری به دور خورشید قرار می‌گیرد. خنثی کردن این گرانش به مانور‌های سوخت فشرده نیاز دارد.

چالش دوم این است که سیارات در یک مکان ثابت نمی‌مانند. آن‌ها به دور خورشید می‌چرخند، هر کدام با سرعت خاص خود: مریخ هنگام پرتاب فضاپیما در همان فاصله‌ای از زمین نخواهد بود که سیاره سرخ، مثلا هفت ماه بعد، فاصله خواهد داشت.

به گفته پک، به این ترتیب، کم مصرف‌ترین مسیر به مریخ از یک مدار بیضی شکل به دور خورشید پیروی می‌کند. فقط یک طرفه، آن مسیر صد‌ها میلیون مایل را در بر می‌گیرد و در بهترین حالت بیش از شش ماه طول می‌کشد.

اما طراحی یک ماموریت خدمه به سیاره سرخ فقط این نیست که دریابیم یک فضاپیما با چه سرعتی می‌تواند به آنجا برسد و برگردد. پاتریک چای، رهبر پیشرانه فضا در تیم معماری مریخ ناسا، می‌گوید: «تصمیمات زیادی وجود دارد که باید در مورد نحوه بهینه سازی برای چیز‌های خاص اتخاذ کنیم. اگر فقط به یک معیار واحد نگاه کنید، می‌توانید تصمیماتی بگیرید که برای آن معیار خاص واقعا عالی هستند، اما می‌توانند در زمینه‌های دیگر مشکل ساز باشند».

یکی از معاوضه‌های بزرگ برای سرعت مربوط به مقدار وسایل موجود در هواپیما است. با فناوری فعلی، هر مانور برای کوتاه کردن سفر به مریخ به سوخت بیشتری نیاز دارد.

هنگام رانندگی با خودرو می‌دانید که برای شتاب دادن به وسیله نقلیه، پا روی گاز می‌گذارید. در فضاپیما نیز همین امر صادق است، با این تفاوت که ترمز و چرخش نیز از سوخت استفاده می‌کند. به عنوان مثال برای کاهش سرعت، یک فضاپیما پیشران خود را در جهت مخالف حرکت رو به جلو شلیک می‌کند.

اما هیچ پمپ بنزینی در فضا وجود ندارد. سوخت بیشتر به معنای جرم بیشتر در کشتی است و جرم بیشتر به سوخت بیشتری نیاز دارد تا آن جرم اضافی را در هوا هدایت کند و غیره.

فناوری جدید برای سرعت بخشیدن به سفر

ناسا مایل است بتواند این جدول زمانی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در سال ۲۰۱۸، این آژانس فضایی پیشنهاد‌هایی را برای سیستم‌های فناوری درخواست کرد که می‌توانند ماموریت‌های کوچک و بدون خدمه را در عرض ۴۵ روز یا کمتر از زمین به مریخ انجام دهند.

در آن زمان، این پیشنهادات مورد توجه قرار نگرفت، اما این چالش مهندسان را برانگیخت تا سیستم‌های پیشرانه‌ای را طراحی کنند که هنوز وجود ندارند؛ و اکنون ناسا شروع به تامین بودجه توسعه مدعیان پیشرو کرده است. به ویژه، آژانس فضایی چشمش به نیروی محرکه هسته‌ای است.

مهندسان برای دهه‌ها می‌دانستند که یک سیستم مبتنی بر هسته‌ای می‌تواند با استفاده از مقدار قابل توجهی سوخت کمتر نسبت به موشک‌های شیمیایی نیروی رانش بیشتری تولید کند.

با این حال، سریع‌ترین سفر به مریخ ممکن است پروژه دیگری باشد. این مفهوم که زاییده فکر محققان دانشگاه فلوریدا است و با کمک مالی ناسا حمایت می‌شود، به دنبال دستیابی به چیزی است که چای آن را جام مقدس پیشران هسته‌ای می‌نامد: یک سیستم ترکیبی که پیشرانه حرارتی هسته‌ای را با یک نوع الکتریکی جفت می‌کند.

رهبر آن پروژه، رایان گوس، استاد عمل در برنامه تحقیقات کاربردی داخلی دانشگاه فلوریدا، می‌گوید: «ما برخی تحلیل‌های اولیه را انجام دادیم و به نظر می‌رسد که می‌توانیم به [۴۵ روز]نزدیک شویم. تحقیقات کاربردی در مهندسی (FLARE). این جدول زمانی برای یک محموله سبک و بدون انسان در کشتی است؛ با این حال، اگر پروژه موفقیت آمیز باشد، این فناوری به طور بالقوه می‌تواند در آینده برای پشتیبانی از یک ماموریت خدمه افزایش یابد».

دو نوع پیشرانه هسته‌ای وجود دارد و هر دو دارای محاسن هستند. پیشرانه حرارتی هسته‌ای که از گرما استفاده می‌کند، می‌تواند نیروی رانش زیادی را به سرعت از مقدار کمی سوخت ایجاد کند. پیشرانه الکتریکی هسته‌ای که از ذرات باردار استفاده می‌کند، حتی در مصرف سوخت کارآمدتر است، اما نیروی رانش بسیار آهسته‌تری تولید می‌کند.

گوس می‌گوید، با این حال، چالش اصلی این است که هر دو فناوری در حال حاضر به انواع مختلفی از راکتور‌های هسته‌ای نیاز دارند. این به معنای دو سیستم مجزا است که کارآیی داشتن یک پیشرانه هسته‌ای را کاهش می‌دهد؛ بنابراین گوس و تیمش در حال کار بر روی توسعه فناوری هستند که بتواند از سیستم واحد برای تولید هر دو نوع پیشرانه استفاده کند.

تیم معماری مریخ ناسا همچنین در حال کار با یک مفهوم دووجهی است که از یک سیستم رانش شیمیایی برای مانور در اطراف سیارات و نیروی محرکه الکتریکی با انرژی خورشیدی برای انجام رانش در اعماق فضا استفاده می‌کند.