ناسا از توسعه Helicity Drive حمایت مالی کرده است، اما هنوز سفارش ساخت یک موشک همجوشی را نداده، یک مأموریت سرنشیندار را تأیید نکرده و به این نتیجه نرسیده است که میتوان در چهار ماه به مریخ رفت و دوباره به زمین بازگشت.
آنچه ناسا اعطا کرده، یک کمکهزینه فاز اول از طریق برنامه NIAC یا «مفاهیم نوآورانه پیشرفته ناسا» است. این برنامه برای آزمایش ایدههای بسیار بلندپروازانه در مراحل اولیه ایجاد شده؛ زمانی که هنوز میتوان با هزینهای نسبتا پایین درباره امکانپذیری آنها تحقیق کرد. در این مورد، ایده مورد بررسی یک سامانه همجوشی فشرده و پالسی است که بتواند هم نیروی پیشران و هم انرژی الکتریکی تولید کند.
مرز میان واقعیت و ادعا بهراحتی گم میشود، زیرا ادعای عملکرد این سامانه بسیار قابلتوجه است. شرکت Helicity Space میگوید نسخه بزرگ این پیشرانه میتواند محمولهای ۴۵۰ تنی را در کمتر از چهار ماه به مریخ برده و به زمین بازگرداند. این زمان از بیشترین مدت معمولی که ناسا برای سفر یکطرفه به مریخ اعلام میکند، کمتر است. با این حال، این یک نتیجه نظری ارائهشده از سوی شرکت است و زمان سفر آن هنوز توسط ناسا اعتبارسنجی نشده است.
ناسا یک مطالعه ۹ ماهه خرید، نه یک موتور
ناسا در تاریخ ۱۰ ژانویه ۲۰۲۵ نتایج انتخاب طرحهای NIAC برای سال ۲۰۲۵ را اعلام کرد. در مجموع ۱۵ طرح در فاز اول، حداکثر ۲.۶۲۵ میلیون دلار بودجه دریافت کردند. ستثیوین یو از شرکت Helicity Space رهبری طرح منتخب با عنوان «کاوش جامع هلیوسفر با بهرهگیری از همجوشی» را بر عهده داشت.
در توضیحات فنی ناسا آمده است که فاز اول شامل یک تحقیق ۹ ماهه برای بررسی امکانپذیری کلی طرح است. پژوهشگران در این مرحله فیزیک سامانه را بررسی میکنند، محدودیتها را شناسایی میکنند، یک مأموریت مرجع تعریف میکنند و مشخص میکنند که برای ادامه توسعه چه اقداماتی لازم خواهد بود. مراحل بعدی برنامه NIAC بهصورت جداگانه مورد رقابت قرار میگیرند و عبور از یک مرحله به مرحله بعدی خودکار نیست.
نکته مهم این است که خود ناسا تأکید کرده تمام مطالعات NIAC در مراحل مفهومی اولیه قرار دارند و به معنای مأموریتهای رسمی ناسا نیستند. این موضوع دقیقا درباره پروژه Helicity نیز صدق میکند.
مأموریت مورد مطالعه در واقع فراتر از سیارات است
مأموریت مرجع این پروژه در حقیقت یک سفر سریع سرنشیندار رفتوبرگشت به مریخ نیست. طبق توضیحات ناسا درباره این مطالعه، شرکت Helicity Space پیشنهاد ساخت منظومهای متشکل از شش فضاپیمای رباتیک را مطرح کرده است که در جهتهای مختلف در هلیوسفر، یعنی حباب عظیمی که باد خورشیدی ایجاد کرده، حرکت کنند و در نهایت وارد محیط میانستارهای محلی شوند.
این مطالعه شامل مدلسازی، اعتبارسنجی آزمایشگاهی نیروی رانش و توان، طراحی معماری فضاپیما، ابزارهای علمی و عملیات مأموریت است. یک پیشرانه 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 در صورتی که فیزیک و مهندسی پیشرانه در عمل قابل اجرا باشد.
این انتخاب مأموریت مرجع منطقی است. یک پیشرانه همجوشی احتمالا زمانی بیشترین ارزش را دارد که پیشرانههای شیمیایی و سامانههای الکتریکی کمرانش، سفر را بیش از حد طولانی یا از نظر عملیاتی محدود کنند. بنابراین این کمکهزینه را نباید بهعنوان تأمین مالی ناسا برای یک مأموریت چهارماهه به مریخ توصیف کرد. ناسا در حال تأمین مالی یک مطالعه امکانسنجی است که نتایج آن میتواند به توسعه پیشرانههای اعماق فضا کمک کند.
مسیر چهارمرحلهای از پلاسما تا نیروی رانش
Helicity Drive یک طرح همجوشی از نوع «همجوشی مغناطیسی-اینرسی» است. این فناوری میان پلاسماهای بزرگ و پیوسته که برای مثال در توکامکها محصور میشوند و اهداف بسیار کوچک و سریعا فشردهشدهای که در آزمایشهای همجوشی لختی مورد استفاده قرار میگیرند، قرار میگیرد.
طبق توضیحی که در یک چکیده کنفرانس انجمن فیزیک آمریکا ارائه شده، این فرایند چهار مرحله اصلی دارد.
ابتدا توپهای پلاسمایی توسط چند تفنگ پلاسما تولید میشوند. این ساختارهای پیچیده و مغناطیسی که «حالتهای تیلور پلکتونمیک» نام دارند، درون جتهای مارپیچی شکل ایجاد میشوند.
سپس این ساختارها با یکدیگر ترکیب شده و یک جت واحد را تشکیل میدهند. در این مرحله، انرژی مغناطیسی از طریق فرایند اتصال مجدد مغناطیسی به گرما تبدیل میشود.
در مرحله بعد، مجموعهای از سیمپیچهای مغناطیسی پلاسما را تا رسیدن به شرایط لازم برای همجوشی فشرده میکنند.
در نهایت، پلاسمای داغ از طریق یک نازل مغناطیسی منبسط میشود و نیروی رانش ایجاد میکند و احتمالا میتواند برق نیز تولید کند.
Helicity Space معتقد است یک سامانه پالسی میتواند حتی پیش از رسیدن به شرایط تولید انرژی خالص که برای یک نیروگاه زمینی مورد انتظار است، مقداری نیروی رانش تولید کند. این هدف از نظر طراحی یک موشک قابلتصور است، زیرا یک موشک علاوه بر تولید انرژی الکتریکی، به ایجاد تکانه در جهت مشخص نیز نیاز دارد.
با این حال، این موضوع نیاز به محاسبه دقیق انرژی موردنیاز برای هر پالس، بازده سامانه و جرم تجهیزات تولیدکننده 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 مفهوم است. چهار تفنگ پلاسما به سمت یک نقطه مشترک در ورودی نازل فشردهساز و منبسطکننده مغناطیسی شلیک میکنند.
گزارش انجمن فیزیک آمریکا در سال ۲۰۲۳ اعلام کرده بود که نخستین پلاسما در آوریل همان سال ایجاد شده و دو تفنگ فعال شده بودند. همچنین شبیهسازیهایی برای بررسی نحوه ترکیب و فشرده شدن چهار جت در حال انجام بود.
یک پوستر ارائهشده در سمپوزیوم NIAC سال ۲۰۲۵ نیز تصویری از آزمایشی بعدی را نشان میدهد که در آن چهار جت موازی با یکدیگر ترکیب شده و درون نازل ECLAIR حرکت میکنند. در این سند، این دستگاه بهوضوح بهعنوان یک نمونه اولیه کوچکمقیاس معرفی شده است.
این آزمایشها بخشهایی از فرایند پیشنهادی را بررسی میکنند، اما به هیچ عنوان مدرکی برای تولید انرژی همجوشی مفید، ایجاد نیروی رانش در مقیاس مأموریت یا عملکرد یک موتور با وزن مناسب برای پرواز محسوب نمیشوند.
هنوز بخشهای مهمی از این زنجیره آزمایشنشده باقی مانده است؛ از جمله رسیدن به دما و چگالی موردنیاز، ایجاد پالسهای قابلتکرار، هدایت مؤثر گازهای خروجی و حفظ سلامت تجهیزات در طول این فرایند.
ادعای سفر چهارماهه به مریخ از کجا آمده است؟
موشکهای شیمیایی با بازآرایی الکترونها در مولکولها انرژی آزاد میکنند، در حالی که همجوشی هستهای با ترکیب هستههای سبک انرژی آزاد میکند. تفاوت بسیار زیاد انرژی قابلدستیابی از هر واحد سوخت، دلیل اصلی جذابیت پیشرانههای همجوشی برای مأموریتهای طولانیمدت فضایی است.
یک پیشرانه با سرعت خروجی بسیار بالا و توان کافی میتواند پس از ترک زمین به شتابگیری ادامه دهد، هنگام نزدیک شدن به مریخ چرخش و کاهش سرعت انجام دهد و بدون انتظار برای بهترین زمان بازگشت، دوباره از مریخ حرکت کند.
ترکیب بهرهوری بالا و توان زیاد البته بسیار دشوار است. موشکهای شیمیایی نیروی رانش بالایی تولید میکنند، اما به مقدار زیادی سوخت نیاز دارند. موتورهای الکتریکی خورشیدی از سوخت با بهرهوری بالایی استفاده میکنند، اما معمولا نیروی رانش بسیار پایینی دارند. همجوشی جذاب است، زیرا در صورت تحقق میتواند در نهایت هر دو ویژگی را ارائه دهد.
شرکت Helicity Space در صفحه مربوط به کاربردهای این فناوری اعلام کرده است که یک پیشرانه بزرگتر میتواند این سفر رفتوبرگشت را در کمتر از چهار ماه انجام دهد و ۴۵۰ تن محموله حمل کند.
این شرکت همچنین این مسیر را با یک مأموریت شیمیایی تقریبا ۳۰ ماهه مقایسه میکند که شامل حدود ۹ ماه سفر به مریخ، یک دوره انتظار طولانی برای رسیدن به موقعیت مناسب سیارات و حدود ۹ ماه سفر بازگشت است.
با این حال، اطلاعات کافی درباره جزئیات مأموریت در صفحه شرکت منتشر نشده است تا بتوان این نتیجه را بهطور مستقل بازسازی کرد.
مدت زمان سفر به عواملی مانند توان موتور، جرم ویژه، نیروی رانش، سرعت خروجی گاز، سهم سوخت از جرم کل، مدار آغازین، مدار مقصد، موقعیت هندسی سیارات و مدتزمان اختصاصیافته به حضور در مریخ بستگی دارد. با تغییر این عوامل، مدت زمان سفر نیز تغییر خواهد کرد.
۹ ماه یک بازه مفید است، نه یک قانون ثابت
توضیحات عمومی خود ناسا نشان میدهد که یک سفر نسبتا مستقیم به مریخ معمولا بین ۷ تا ۱۰ ماه طول میکشد. در مباحث مربوط به مأموریتهای انسانی نیز معمولا مدت ۶ تا ۹ ماه برای هر مسیر در نظر گرفته میشود.
برای نمونه، فضاپیمای مدارگرد شناسایی مریخ حدود هفت ماه و نیم در مسیر رسیدن به مریخ بود، در حالی که سایر فضاپیماها مسیرهای طولانیتر یا کوتاهتری را طی کردهاند.
بنابراین استفاده از ۹ ماه بهعنوان یک مقایسه در انتهای بازه زمانی سفر شیمیایی منطقی است، اما نباید آن را یک زمانبندی قطعی و همیشگی دانست.
زمین و مریخ دائما در حال حرکت هستند. سریعترین مسیر نظری لزوما مسیری نیست که یک فضاپیمای سنگین سرنشیندار بتواند هزینه آن را تأمین کند، در برابر شرایط سفر دوام بیاورد یا در مقصد سرعت خود را کاهش دهد.
یک مأموریت متعارف همچنین معمولا نمیتواند بلافاصله از مریخ بازگردد، زیرا هندسه مناسب برای صرفهجویی در مصرف سوخت، مستلزم انتظار طولانی برای رسیدن سیارات به موقعیت مناسب است.
ادعای سفر رفتوبرگشت کمتر از چهار ماه، بنابراین بسیار فراتر از نصف کردن یک زمان معمول سفر است. این ادعا در واقع تغییر کامل معماری مأموریت را مطرح میکند: پنجرههای پرتاب محدودیت کمتری خواهند داشت، فضاپیما میتواند بهجای عبور صرف از کنار مریخ، هنگام نزدیک شدن سرعت خود را کاهش دهد و حتی امکان بازگشت اضطراری نیز ممکن است فراهم شود.
البته تمام این مزایا به این بستگی دارند که پیشرانه پس از در نظر گرفتن جرم کامل فضاپیما، واقعا بتواند عملکرد پیشبینیشده را ارائه دهد.
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 سوخت، رادیاتورها، سامانههای حفاظتی، سیستمهای کنترلی و سازهای نیاز دارد که بتواند بارهای مکرر را تحمل کند.
مدیریت گرمای اضافی در فضا بهویژه چالشبرانگیز است. در فضا هوا یا آب جاری برای انتقال گرما وجود ندارد و بنابراین انرژی حرارتی باید از طریق تابش دفع شود. با افزایش توان سامانه، سطح و جرم رادیاتورها نیز بهسرعت افزایش مییابد.
نوترونها و سایر ذرات پرانرژی نیز بسته به نوع سوخت و محصولات واکنش میتوانند به آهنرباها، تجهیزات الکترونیکی و مواد سازنده آسیب برسانند. فضاپیماهای سرنشیندار علاوه بر این، با چالش جداگانه حفاظت در برابر تشعشعات روبهرو هستند.
قابلیت اطمینان نیز باید در تعداد بسیار زیادی پالس آزمایش شود. یک دستگاه آزمایشگاهی را میتوان میان دورههای آزمایش تعمیر و نگهداری کرد، اما یک فضاپیمای مریخی باید پس از تحمل لرزشهای زمان پرتاب و ماهها حضور در خلأ به کار خود ادامه دهد و بتواند در فاصلهای بسیار دور از زمین با خرابیها مقابله کند.
این موتور همچنین باید بتواند در زمان موردنیاز ناوبری، روشن شود، توان خود را تنظیم کند، خاموش شود و دوباره راهاندازی شود.
یک کمکهزینه مفید ممکن است در نهایت به یک پاسخ کوچکتر منجر شود
ارزش یک مطالعه NIAC در این نیست که یک موتور را تأیید کند. هدف این برنامه این است که به یک ایده غیرمعمول زمان و بودجه کافی بدهد تا بتوان آن را با جزئیات بیشتری بررسی کرد.
ممکن است یک مدل معتبر نشان دهد که فیزیک پیشنهادی پلاسما قابل تحقق است، اما جرم رادیاتورها بیش از حد زیاد میشود. ممکن است یک آزمایش، وجود یک ناپایداری را آشکار کند. همچنین ممکن است یک مطالعه مأموریت نشان دهد که یک پیشرانه کوچک رباتیک سالها پیش از یک سامانه عظیم چند گیگاواتی برای مأموریت سرنشیندار قابل دستیابی است.
تمام این نتایج میتوانند ارزشمند باشند.
مراحل بعدی باید بر اساس دادههای قابل اندازهگیری ارزیابی شوند؛ از جمله دما و چگالی پلاسما، میزان فشردهسازی، تولید نوترون یا ذرات باردار، تراز انرژی، نیروی خروجی جهتدار، نرخ پالس، عمر قطعات و جرم کل سامانه.
یک برنامه سفر چهارماهه نمیتواند جایگزین این دادهها شود.
ناسا در واقع روی این موضوع سرمایهگذاری محدودی انجام داده تا مشخص شود آیا Helicity Drive ارزش ادامه تحقیقات را دارد یا خیر. شرکت Helicity Space نیز سختافزاری ساخته است که میتواند بخشهایی از ایده خود را آزمایش کند.
اما میان این آزمایش و بازگشت یک انسان 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 تأیید و صدور مجوز.
این کمکهزینه آغاز این مسیر است، نه پایان آن.
