یا دقیقتر بگوییم: انرژی خورشیدی میتواند سامانههایی را که باید در دمای بسیار پایین نگه داشته شوند، خیلی سریعتر از حد انتظار گرم کند—علیرغم اینکه فضا به سرد بودن شهرت دارد. در برخی مأموریتهای بلندمدت، این گرمایش به مشکلی جدی تبدیل میشود. به همین دلیل ناسا بهطور فعال در حال آزمایش یک سامانهٔ فعال کرایوژنی دومرحلهای است تا یکی از حیاتیترین مواد مصرفی، یعنی سوخت، را تا حد ممکن سرد نگه دارد.
سوختهای کرایوژنی مانند اکسیژن مایع و هیدروژن مایع رایجترین سوختهایی هستند که در مأموریتهای فضایی استفاده میشوند. این سوختها برای حفظ حالت مایع خود باید در دماهای بسیار پایین نگه داشته شوند: حدود ۲۵۴- درجهٔ سانتیگراد برای هیدروژن و ۱۸۴- درجهٔ سانتیگراد برای اکسیژن.
در مأموریتهای فضایی بلندمدت، مقدار سوخت مایع موردنیاز بیشتر از چیزی است که بتوان آن را در یک پرتاب به مدار برد—even با بزرگترین موشکها. به همین خاطر، معمولاً چند پرتاب برای رساندن مقدار کافی سوخت کرایوژنی به مدار موردنیاز است، بهویژه برای مأموریتهای سرنشیندار به مریخ.
پس از پرتاب، سوخت باید مدتی در یک مخزن ذخیره بماند تا زمان استفادهاش فرا برسد. اما در این مدت، تابش خورشید بهطور مداوم آن را گرم میکند و بخشی از سوخت را به حالت گاز در میآورد. این گاز شدن، باعث افزایش فشار در مخزن میشود که اگر کنترل نشود، میتواند خطرناک باشد. برای مقابله با این مشکل، ناسا معمولاً دو راهکار دارد:
- بزرگتر ساختن مخزن از میزان واقعی سوخت مورد نیاز، تا فضای کافی برای گاز اضافی وجود داشته باشد.
- تخلیهٔ بخار سوخت (outgassing) برای کاهش فشار—که البته باعث هدر رفت سوخت گرانبها میشود.
هر دوی این راهکارها دارای اشکالات جدی هستند. بنابراین ناسا (و هر سازمان یا شرکتی که قصد دارد مأموریتهای فضایی بلندمدت انجام دهد) به دنبال روش بهتری است.
راهکار ناسا: سامانهٔ خنککنندهٔ فعال دومرحلهای
مهندسان ناسا سامانهای ابداع کردهاند که بهصورت فعال و دومرحلهای عمل میکند و از ۲۰ فناوری نوین بهره میبرد تا بهطور کامل از تبخیر سوخت جلوگیری کند. البته این سامانه بهتر است یک فرایند سهمرحلهای در نظر گرفته شود:
- مرحله اول: اطراف مخزن سوخت، لولههایی قرار دارد که درون آنها هلیوم مایع با دمای ۲۵۴- درجه سانتیگراد جریان دارد—درست همان دمای موردنیاز برای حفظ حالت مایع هیدروژن. اما این دما کمی بالاتر از نقطهٔ جوش خود هلیوم است، بنابراین هلیوم در حالت گازی باقی میماند و میتواند گرما را از مخزن جذب کند.
- مرحله دوم: این لولهها درون یک لایهٔ آلومینیومی پیچیده شدهاند. آلومینیوم خاصیت بازتاب بالا دارد و مقدار زیادی از تابش خورشیدی را منعکس میکند و بهطور غیرمستقیم از گرم شدن سامانه جلوگیری میکند—این همان خنکسازی غیرفعال است.
- مرحله سوم: لولههای دیگری حاوی گاز هلیوم با دمای ۱۸۱- درجه اطراف لایهٔ آلومینیومی پیچیده شدهاند تا بار حرارتی مرحلهٔ اول را کاهش دهند.
خنکسازی چگونه عمل میکند؟
این سامانه عمدتاً از جابهجایی گرما (convection) بین مخزن سوخت و لولههای خنککنندهٔ اطراف آن بهره میبرد.
اما خودِ هلیوم بهوسیلهٔ یک سامانهٔ خاص به نام کرایو-کولر (cryo-cooler) خنک میشود؛ این سامانه با فشردهسازی و انبساط گاز، گرما را از بخشی از سامانه (مثلاً مخزن سوخت) به بخشی دیگر (مثلاً یک رادیاتور) منتقل میکند. سپس این گرما از طریق رادیاتور به بیرون تابش میشود، چرا که در فضای خلأ، انتقال گرما فقط از طریق تابش امکانپذیر است—not از طریق رسانش یا جابهجایی.
وضعیت فعلی و آینده این سامانه
اعتبار عکس: ناسا / کتی هنکل.
سامانهٔ کامل «بدون تبخیر» در حال حاضر در مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا در حال آزمایش است و برنامهریزی شده که این آزمایشها تا شهریور به پایان برسد.
پس از چند اصلاح طراحی، این سامانه احتمالاً آمادهٔ یک آزمایش پروازی خواهد بود. اما با توجه به تغییرات متعدد و اختلال در منابع مالی ناسا، مشخص نیست این سامانه چه زمانی (یا حتی آیا اصلاً) فرصت آزمایش در مدار را پیدا کند.
با این حال، امید میرود که در آینده چنین شود؛ چراکه این فناوری برای موفقیت هر مأموریت فضایی سرنشیندار بلندمدت حیاتی خواهد بود—صرفنظر از اینکه کدام سازمان آن را اجرا کند.
