اگر به گذشتهی دور بازگردیم، نخستین شکلهای ابتدایی موشکها در چین باستان دیده میشود؛ لولههای بامبو که با باروت پر میشدند و به سمت ارتشهای دشمن پرتاب میگشتند. همین ایدههای ساده، نقطهی شروع سفری شدند که بعدها به موتورهای عظیم ساترن ۵ و سپس به سامانههای مدرنتری مانند «اسپیس لانچ سیستم» ناسا و «فالکون ۹» شرکت اسپیسایکس رسید. این مسیر تکامل نه یکشبه، بلکه در طول قرنها تجربه و تلاش شکل گرفت. پیشگامانی مانند کنستانتین تسیولکوفسکی، رابرت گودارد و هرمان اوبرت پایههای علمی و نظری برای علم موشکسازی مدرن را بنا نهادند.
با آغاز رقابت فضایی در قرن بیستم، این روند جهشی چشمگیر پیدا کرد. در آن دوران، توسعهی فناوریهای تازه با سرعتی سرسامآور پیش رفت و نتیجهی آن، ساخت موتورهای سوخت مایع بود که توانستند ماهوارهی اسپوتنیک را به مدار زمین بفرستند، انسان را به ماه برسانند و ایستگاه فضایی بینالمللی را بنا کنند.
(اعتبار تصویر: ناسا)
اما امروزه، چشمانداز تازهای در پیشرانش موشکی مطرح شده است: موتورهای چرخشی انفجاری یا همان Rotating Detonation Engines (RDEs). این موتورها، تفاوت اساسی با سامانههای مرسوم دارند. در موتورهای سنتی، احتراق بهصورت تدریجی و کنترلشده رخ میدهد. واژهی علمی این نوع احتراق «Deflagration» است که به معنای سوختن زیرصوتی و آرامتر است. اما در RDE، از احتراق مافوقصوت استفاده میشود که انرژی را با کارایی بهمراتب بیشتری آزاد میکند.
نحوهی کار RDE بدین صورت است که درون یک محفظهی حلقهایشکل، موجی از انفجار بهطور مداوم و با سرعت چندین هزار متر بر ثانیه میچرخد. این موج انفجاری در واقع یک انفجار کنترلشده است که پیوسته در مدار حلقهای حرکت میکند و تولید توان میکند. میتوان گفت این موتور یک «انفجار مداوم در حال چرخش» است.
مقایسهی این موتورها با موتورهای سوخت مایع یا جامد سنتی نشان میدهد که RDEها بهطور نظری تا ۲۵ درصد بازدهی بیشتری دارند. این افزایش بازدهی یعنی کاهش مصرف سوخت، کاهش وزن و هزینهی کمتر. در سفرهای فضایی، این موضوع اهمیتی حیاتی دارد. چرا که میتوان ماهوارهها را با مصرف سوخت کمتر و هزینهی بسیار پایینتر به مدارهای دقیقتر رساند. افزون بر این، آلایندههای کمتری نیز تولید میشود.
اما در برابر این مزایا، یک مشکل بزرگ وجود دارد: شرایط درون یک موتور RDE آنقدر شدید است که میتوان گفت با یکی از سختترین چالشهای مهندسی در دنیای پیشرانش فضایی روبهرو هستیم. تغییرات حرارتی بسیار بالا، بارهای مکانیکی عظیم و موجهای انفجاری که هزاران بار در ثانیه تکرار میشوند، همگی فشار بیسابقهای به مواد وارد میکنند. دماها و فشارهای تولیدشده در این فرآیند بهقدری زیاد است که هیچ مادهی متعارفی توان تحمل طولانیمدت آن را ندارد.
در واقع، موجهای انفجاری که با سرعت چند کیلومتر در ثانیه حرکت میکنند و بسامدهایی در محدودهی کیلوهرتز دارند، پیوسته دیوارههای موتور را میکوبند. این شرایط، هر مادهی معمولی را به سرعت نابود میکند.
(اعتبار تصویر: آزمایشگاه ملی اوک ریج)
با این حال، ماجرا در همینجا به پایان نمیرسد. به لطف سرمایهگذاری ۲ میلیون دلاری، گروهی از پژوهشگران به رهبری ناتاشا ورماک از دانشگاه لیهای (Lehigh University) پروژهای برای یافتن و ساخت مواد جدیدی آغاز کردهاند که بتوانند در برابر چنین بارهای حرارتی و مکانیکی شدید دوام بیاورند. این تیم یک همکاری میاندانشگاهی است که شامل دانشگاه کارنگی ملون (Carnegie Mellon University) و دانشگاه کالیفرنیا در ایرواین (UCI) نیز میشود. علاوه بر این، آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی آمریکا هم در این طرح مشارکت دارد.
البته تحقیق دربارهی RDEها موضوع تازهای نیست. از سال ۲۰۱۰، شرکت Aerojet Rocketdyne بیش از ۵۲۰ آزمایش روی پیکربندیها و مواد مختلف انجام داده است. در ماه مه ۲۰۲۰ نیز تیمی وابسته به نیروی هوایی آمریکا یک نمونهی عملیاتی از موتور RDE ساخت که توان تولید ۲۰۰ پوند رانش داشت. سال ۲۰۲۱ هم آژانس فضایی ژاپن (JAXA) برای نخستین بار موفق شد آزمایش این نوع موتور را در فضا انجام دهد.
چالشی که اکنون پیش روی تیم ورماک قرار دارد، نمونهای روشن از نقش علم مواد در مرزهای فناوری است. در طول تاریخ، بارها پیشرفتهای فناورانه نه به دلیل محدودیت در دانش فیزیک، بلکه به دلیل نبود مواد مناسب متوقف شده است. آنچه امکانپذیر است یا نیست، اغلب به این بستگی دارد که آیا میتوان مادهای ساخت که شرایط مورد نظر را تحمل کند یا نه.
امروزه علم مواد با سرعتی بیسابقه در حال تحول است. پیشرفت در حوزههایی مانند مدلسازی رایانهای و نانوفناوری به مهندسان این امکان را داده است که مواد را بهگونهای طراحی کنند که دقیقاً ویژگیهای دلخواهشان را داشته باشند. با این حال، محیطی که درون موتور RDE ایجاد میشود بهقدری دشوار و فراتر از توان فعلی مواد موجود است که میتوان آن را یکی از سختترین میدانهای آزمایش برای علم مواد دانست.
مهندسان پیش از آنکه بتوانند RDEها را به بخشی جداییناپذیر از سفرهای فضایی تبدیل کنند، باید راهی برای ساخت موادی پیدا کنند که قادر باشند هزاران انفجار کنترلشده در هر ثانیه را برای مدت طولانی تحمل کنند. این نیازمند کشفیات تازه، خلاقیت مهندسی و همکاری میان رشتههای گوناگون است.
به بیان ساده، آیندهی پیشرانش فضایی نه فقط به توانایی ما در طراحی موتورهای نوین، بلکه به قدرت ما در مهار و خلق مواد مقاوم بستگی دارد. اگر این مانع بزرگ برطرف شود، RDEها میتوانند نقطهی عطفی در تاریخ پرواز فضایی باشند؛ نقطهای که سفرهای فضایی را کارآمدتر، ارزانتر و پایدارتر میکند.
