ناسا روی پروژه Helicity Drive سرمایهگذاری کرده است، اما هنوز سفارش ساخت یک موشک همجوشی نداده، مأموریت سرنشیندار به مریخ را تأیید نکرده و به این نتیجه نرسیده است که میتوان در چهار ماه به مریخ رفت و بازگشت.
آنچه ناسا اعطا کرده، یک کمکهزینه فاز اول از برنامه NIAC یا «مفاهیم نوآورانه پیشرفته ناسا» است. این برنامه برای بررسی ایدههای بسیار بلندپروازانه در مراحل اولیه طراحی شده؛ زمانی که هنوز میتوان با هزینه نسبتاً کم امکانپذیری آنها را ارزیابی کرد. در این پروژه، ایده اصلی استفاده از یک سامانه همجوشی فشرده و پالسی است که بتواند هم نیروی پیشرانش و هم انرژی الکتریکی تولید کند.
تفاوت میان واقعیت و ادعای مطرحشده بهراحتی ممکن است نادیده گرفته شود، زیرا ادعای عملکرد این سامانه بسیار قابلتوجه است. شرکت Helicity Space میگوید یک نسخه بزرگ از این موتور میتواند محمولهای ۴۵۰ تنی را در کمتر از چهار ماه به مریخ برده و به زمین بازگرداند. این مدت از بخش بالایی بازه زمانی معمولی که ناسا برای سفر یکطرفه به مریخ اعلام میکند، کوتاهتر است. بااینحال، این زمان یک نتیجه نظری بر اساس محاسبات شرکت است و مدتزمانی نیست که ناسا آن را تأیید کرده باشد.
ناسا یک مطالعه ۹ ماهه خریداری کرده، نه یک موتور
ناسا در ۱۰ ژانویه ۲۰۲۵ پروژههای منتخب برنامه NIAC برای سال ۲۰۲۵ را اعلام کرد. در مجموع ۱۵ طرح فاز اول، حداکثر ۲.۶۲۵ میلیون دلار بودجه دریافت کردند. ستثیوین یو از شرکت Helicity Space رهبری پروژه منتخب با عنوان «اکتشاف جامع هلیوسفر با استفاده از همجوشی» را بر عهده دارد.
بر اساس توضیحات فنی ناسا، فاز اول شامل یک بررسی ۹ ماهه برای ارزیابی امکانپذیری کلی پروژه است. پژوهشگران در این مرحله فیزیک سامانه را بررسی میکنند، محدودیتها را شناسایی میکنند، یک مأموریت مرجع تعریف میکنند و مشخص میکنند برای توسعه بیشتر چه اقداماتی لازم است. مراحل بعدی NIAC بهصورت جداگانه رقابتی هستند و راهیابی به یک مرحله، بهطور خودکار به معنای ورود به مرحله بعد نیست.
توضیحات خود ناسا در این زمینه کاملاً روشن است: تمام مطالعات NIAC در مراحل اولیه مفهومی قرار دارند و مأموریت رسمی ناسا محسوب نمیشوند. این موضوع درباره پروژه Helicity نیز دقیقاً صدق میکند.
مأموریت مورد مطالعه در واقع فراتر از سیارات است
مأموریت مرجع این پروژه در حقیقت یک سفر رفتوبرگشت سریع سرنشیندار به مریخ نیست. در توضیحات ناسا، Helicity Space پیشنهاد کرده است یک مجموعه شامل شش فضاپیمای رباتیک را در مسیرهای مختلف به نقاط گوناگون هلیوسفر، حباب عظیمی که توسط باد خورشیدی شکل گرفته، و در نهایت به محیط میانستارهای محلی ارسال کند.
این مطالعه شامل مدلسازی، اعتبارسنجی آزمایشگاهی نیروی رانش و تولید انرژی، طراحی فضاپیما، تجهیزات علمی و عملیات مأموریت است. یک موتور با دلتا-وی بالا به کاوشگرها اجازه میدهد سرعت بگیرند، در نزدیکی مناطق موردنظر سرعت خود را کاهش دهند و سپس دوباره شتاب بگیرند.
مریخ بهعنوان یکی از کاربردهای احتمالی آینده این فناوری مطرح شده است؛ البته تنها در صورتی که فیزیک و مهندسی موردنیاز برای پیشرانش همجوشی قابلاجرا باشد.
انتخاب چنین مأموریت مرجعی منطقی است. یک موتور همجوشی در مناطقی که پیشرانش شیمیایی و سامانههای الکتریکی کمتوان باعث طولانی یا محدود شدن سفر میشوند، میتواند بیشترین ارزش را داشته باشد. بنابراین نباید این کمکهزینه را بهعنوان تأمین مالی یک مأموریت چهارماهه به مریخ توصیف کرد. ناسا در واقع در حال تأمین بودجه یک مطالعه امکانسنجی است که ممکن است در آینده به توسعه پیشرانش برای اعماق فضا کمک کند.
مسیر چهارمرحلهای از پلاسما تا نیروی رانش
Helicity Drive یک مفهوم همجوشی مغناطیسی-اینرسی است. این فناوری در نقطهای میان پلاسماهای بزرگ با محصورسازی مداوم، مانند سامانههای توکامک، و اهداف بسیار کوچک و فشردهای که در آزمایشهای همجوشی اینرسی استفاده میشوند، قرار میگیرد.
بر اساس توضیحات ارائهشده توسط این شرکت، این فرایند چهار مرحله اصلی دارد. ابتدا توپهای پلاسما، ساختارهای پیچیده و مغناطیسی موسوم به حالتهای تیلور پِلِکتونمیک، توسط چند تفنگ پلاسما تولید میشوند. سپس این ساختارها در قالب یک جت با یکدیگر ادغام میشوند و از طریق فرایند اتصال مجدد مغناطیسی، انرژی مغناطیسی را به گرما تبدیل میکنند.
در مرحله بعد، مجموعهای از سیمپیچهای مغناطیسی پلاسما را به سمت شرایط موردنیاز برای همجوشی فشرده میکنند. در نهایت، پلاسمای داغ از طریق یک نازل مغناطیسی منبسط شده و نیروی رانش ایجاد میکند و بهطور بالقوه میتواند انرژی الکتریکی نیز تولید کند.
Helicity Space معتقد است یک سامانه پالسی میتواند حتی پیش از رسیدن به شرایط تولید انرژی خالص که برای نیروگاههای زمینی همجوشی انتظار میرود، مقداری نیروی رانش ایجاد کند. از نظر طراحی موشک، این ایده قابلطرح است، زیرا یک موتور موشکی علاوه بر تولید برق، به ایجاد تکانه در جهت مشخص نیز نیاز دارد.
بااینحال، این موضوع نیاز به در نظر گرفتن انرژی ورودی هر پالس، بازده سامانه و جرم تجهیزات موردنیاز برای تولید این پالسها را از بین نمیبرد.
ECLAIR یک آزمایش پلاسماست، نه موتور مریخ
سختافزار فعلی این شرکت ECLAIR نام دارد و یک نمونه آزمایشی کوچک برای اثبات اصل عملکرد است. چهار تفنگ پلاسما به سمت یک نقطه مشترک در ورودی یک نازل مغناطیسی فشردهکننده و منبسطکننده شلیک میکنند.
گزارش سال ۲۰۲۳ انجمن فیزیک آمریکا اعلام کرده بود که نخستین پلاسما در آوریل همان سال ایجاد شده و دو تفنگ پلاسما به بهرهبرداری رسیده بودند. همچنین شبیهسازیهایی برای بررسی نحوه ادغام و فشردهسازی چهار جت انجام شده بود.
یک پوستر ارائهشده در سمپوزیوم NIAC سال ۲۰۲۵ نیز آزمایشی را نشان میدهد که در آن چهار جت موازی با یکدیگر ادغام شده و درون نازل ECLAIR حرکت میکنند. در همان پوستر نیز این دستگاه بهصراحت یک نمونه اولیه کوچکمقیاس معرفی شده است.
این آزمایشها بخشهایی از فرایند پیشنهادی را بررسی میکنند، اما بههیچوجه اثباتکننده وجود یک راکتور با توان تولید انرژی همجوشی مفید، یک پیشرانه با قابلیت ایجاد نیروی رانش در مقیاس مأموریت یا موتوری با جرم مناسب برای پرواز نیستند.
هنوز بخشهای مهمی از این زنجیره آزمایش نشدهاند؛ از جمله رسیدن به دما و چگالی موردنیاز، تولید پالسهای تکرارپذیر، هدایت مؤثر گاز خروجی و حفظ سلامت تجهیزات در طول کارکردهای مکرر.
ادعای سفر چهارماهه به مریخ از کجا آمده است؟
موشکهای شیمیایی از طریق بازآرایی الکترونها در مولکولها انرژی آزاد میکنند، در حالی که همجوشی هستهای از طریق ترکیب هستههای سبک انرژی تولید میکند. اختلاف بسیار زیاد در میزان انرژی قابلدستیابی از مقدار مشخصی سوخت، یکی از دلایلی است که همجوشی را به گزینهای جذاب برای مأموریتهای فضایی طولانیمدت تبدیل کرده است.
یک موتور با سرعت خروجی بسیار بالا و توان کافی میتواند پس از ترک زمین همچنان به شتابگیری ادامه دهد، هنگام نزدیک شدن به مریخ سرعت خود را کاهش دهد و پس از رسیدن به مریخ نیز بدون انتظار برای بهترین زمان بازگشت، دوباره به حرکت بازگردد.
ترکیب بازده بالا و توان زیاد البته بسیار دشوار است. موشکهای شیمیایی نیروی رانش زیادی تولید میکنند اما به مقدار زیادی پیشران نیاز دارند. موتورهای الکتریکی خورشیدی از پیشران بسیار بهینه استفاده میکنند اما معمولاً نیروی رانش کمی دارند. جذابیت همجوشی در این است که شاید در آینده بتواند هر دو ویژگی را همزمان ارائه دهد.
Helicity Space در وبسایت خود ادعا میکند یک موتور بزرگتر میتواند با حمل ۴۵۰ تن محموله، سفر رفتوبرگشت به مریخ را در کمتر از چهار ماه انجام دهد. این شرکت این مسیر را با یک مأموریت شیمیایی حدوداً ۳۰ماهه مقایسه میکند که شامل حدود ۹ ماه سفر رفت، مدتزمان انتظار برای ایجاد موقعیت مناسب بازگشت و حدود ۹ ماه سفر برگشت است.
بااینحال، اطلاعات منتشرشده از سوی شرکت برای بازسازی مستقل این محاسبه کافی نیست. مدتزمان سفر به عواملی مانند توان موتور، جرم به ازای واحد توان، نیروی رانش، سرعت خروجی، نسبت جرم پیشران، مدار اولیه، مدار مقصد، موقعیت هندسی زمین و مریخ و مدتزمان حضور در مریخ بستگی دارد.
با تغییر این پارامترها، مدتزمان سفر نیز تغییر خواهد کرد.
۹ ماه یک بازه معمول است، نه یک قانون قطعی
توضیحات عمومی ناسا نشان میدهد یک سفر نسبتاً مستقیم به مریخ معمولاً حدود ۷ تا ۱۰ ماه طول میکشد. در مطالعات مربوط به مأموریتهای انسانی نیز اغلب مدت ۶ تا ۹ ماه برای سفر یکطرفه در نظر گرفته میشود.
برای مثال، فضاپیمای Mars Reconnaissance Orbiter مسیر زمین تا مریخ را در حدود هفتونیم ماه طی کرد، در حالی که برخی فضاپیماهای دیگر مسیرهای کوتاهتر یا طولانیتری داشتهاند.
بنابراین استفاده از عدد ۹ ماه بهعنوان مقایسهای در بخش بالایی بازه سفر شیمیایی قابلقبول است، اما نباید آن را یک زمانبندی ثابت و همیشگی دانست.
زمین و مریخ دائماً در حال حرکت هستند. سریعترین مسیر تئوری لزوماً مسیری نیست که یک فضاپیمای سنگین سرنشیندار بتواند آن را تأمین مالی کند، از آن جان سالم به در ببرد یا پس از آن سرعت خود را کاهش دهد.
یک مأموریت معمولی همچنین نمیتواند بلافاصله پس از رسیدن به مریخ بازگردد، زیرا مسیرهای بهینه از نظر مصرف پیشران معمولاً نیازمند انتظار طولانی برای رسیدن به موقعیت مناسب سیارهها هستند.
ادعای سفر کمتر از چهار ماه فقط به معنای نصف کردن زمان یک سفر معمولی نیست. این ادعا در واقع تغییر کل معماری مأموریت را مطرح میکند: پنجرههای پرتاب محدودیت کمتری خواهند داشت، فضاپیما میتواند بهجای عبور ساده از کنار مریخ سرعت خود را کاهش دهد و حتی امکان بازگشت اضطراری نیز ممکن است فراهم شود.
اما تمام این مزایا به عملکرد واقعی موتور پس از در نظر گرفتن جرم کامل فضاپیما بستگی دارد.
خود فضاپیما نیز اهمیت زیادی دارد
یک موشک همجوشی عملی چیزی فراتر از پلاسمای در حال واکنش خواهد بود. چنین سامانهای به منابع تولید پلاسما، تجهیزات تأمین توان پالسی، سیمپیچهای مغناطیسی، تجهیزات سوئیچینگ، نازل، مخازن پیشران، رادیاتورها، سامانههای حفاظتی، سیستمهای کنترل و سازهای نیاز دارد که بتواند بارهای مکرر را تحمل کند.
دفع گرمای اضافی در فضا یکی از چالشهای جدی خواهد بود. در نبود هوا یا جریان آب برای خنککاری، گرما باید از طریق تابش دفع شود. با افزایش توان، سطح و جرم رادیاتورها نیز بهسرعت افزایش پیدا میکند.
نوترونها و سایر ذرات پرانرژی نیز بسته به نوع سوخت و محصولات واکنش میتوانند به آهنرباها، تجهیزات الکترونیکی و مواد سازهای آسیب برسانند. فضاپیماهای سرنشیندار نیز بهطور جداگانه به سامانههای حفاظتی در برابر تشعشعات نیاز دارند.
قابلیت اطمینان نیز باید در تعداد بسیار زیادی پالس اثبات شود. یک دستگاه آزمایشگاهی را میتوان میان دورههای آزمایش تعمیر و نگهداری کرد، اما یک فضاپیمای مریخی باید پس از تحمل ارتعاشات زمان پرتاب و ماهها حضور در خلأ همچنان به کار خود ادامه دهد و بتواند در فاصلهای بسیار دور از هر مرکز تعمیراتی با خرابیها مقابله کند.
همچنین موتور باید در زمان موردنیاز برای ناوبری بتواند روشن شود، توان خود را تغییر دهد، خاموش شود و دوباره راهاندازی شود.
یک مطالعه مفید ممکن است در نهایت پاسخ کوچکتری ارائه دهد
ارزش یک مطالعه NIAC در این نیست که یک موتور را تأیید میکند، بلکه در این است که به یک ایده غیرمعمول فرصت میدهد تا با جزئیات بیشتری بررسی شود.
ممکن است یک مدل معتبر نشان دهد فیزیک پیشنهادی پلاسما قابلاجراست، اما جرم رادیاتورها مانع عملی شدن طرح میشود. ممکن است یک آزمایش وجود یک ناپایداری را آشکار کند. یا مطالعه مأموریت نشان دهد یک موتور کوچک رباتیک بسیار زودتر از یک سامانه چندگیگاواتی برای مأموریت سرنشیندار قابل دستیابی است.
هرکدام از این نتایج میتواند ارزشمند باشد.
مراحل بعدی باید با معیارهای قابلاندازهگیری سنجیده شوند؛ از جمله دمای پلاسما، چگالی، میزان فشردهسازی، تولید نوترون یا ذرات باردار، تراز انرژی، سرعت خروجی جهتدار، نرخ تکرار پالس، عمر قطعات و جرم کل سامانه.
یک برنامه سفر چهارماهه نمیتواند جای این دادهها را بگیرد.
ناسا در واقع روی این موضوع سرمایهگذاری محدودی انجام داده تا مشخص شود آیا Helicity Drive ارزش ادامه تحقیقات را دارد یا خیر. Helicity Space نیز سختافزاری ساخته که میتواند بخشهایی از ایده خود را آزمایش کند.
اما بین این آزمایش و بازگشت یک فضاپیمای سرنشیندار از مریخ در کمتر از چهار ماه، فاصله بسیار زیادی وجود دارد؛ از اثبات عملکرد همجوشی و ساخت یک موتور مناسب برای پرواز گرفته تا طراحی یک فضاپیمای کامل و گذراندن تمام مراحل لازم برای تأیید و آمادهسازی آن.
این کمکهزینه آغاز بررسی این ایده است، نه اثبات آن.
