انرژی خدایان

60 سال با رادیوایزوتوپ‌ها در مسیر فضا

مقدمه

انسان و فضا!؟سرنوشت این دو کلمه از اول خلقت بشر تا به امروز به یکدیگر گره خورده‌است. این گره‌خوردگی به واسطۀکنجکاوی بشر، که زیباترین شاخصۀ انسانی است، بوجود آمده و در سدۀ اخیر پیشرفت چشم‌گیری را نیز تجربه کرده‌است. رابطۀ این دو کلمه در این مدت آن‌قدر پیچیده شده‌است که بشر مسیر آیندۀ خود را بیشتر در خارج از بستر خاکی و در فضا جست‌وجو می‌کند. همۀ ما با پروژه‌هایی قدیمی چون وویجر[1]، آپولو[2]و گالیله[3]و پروژه‌هایی جدید مثل کنجکاوی[4]و استقامت[5]آشنا هستیم. دست‌ساخته‌هایی که با هدف کاوش فضای بی‌کران و سیراب‌کردن حس کنجکاوی بشر نسبت‌به فضا ارسال شدند. دست‌ساخته‌هایی که برای دوام در این فضای ناشناخته، از انواع تکنولوژی‌های روز در زمان خود استفاده می‌کردند. امروزه، ورود تکنولوژی‌هایی از حوزۀ انرژی‌های نوین بسیار به چشم آمده‌است؛ اما آیا حضور انرژی‌های نوین یک پدیدۀ جدید است یا پدیده‌ای قدیمی است که لایه‌هایی پنهان را درون خود دارد؟ لایه‌هایی که حضور موارد خاصی از تکنولوژی را که به ظاهر هیچ ارتباطی باهم ندارند، در خود پنهان کرده‌اند. از صنایع حوزۀ انرژی نوین که از روزهای اول توانست جای خود را درصنعت هوافضا پیدا کند و دردست‌ساخته‌های فضایی بشر نقشی مهم را ایفا کند، صنعت هسته‌ای بود. صنعتی که اینبار نه برای ساخت بمب، بلکه برای کمک به پیشرفت بشر استفاده شده‌بود.

در سطح زمین همۀ شرایط مورد نیاز برای حرکت مکانیکی ماشین‌ها وجود دارد؛ اما در صنعت هوافضا به سطح زمین و حتی به خود این کرۀ خاکی محدود نمی‌شویم و در مکان‌هایی دشوار‌تر مانند آسمان و حتی در مکان‌ها به دور از هیچ‌گونه علائمی از حیاتی در میان فضای بی‌کران کاوش می‌کنیم. فضایی که چالش‌های زیادی در خود دارد؛ ازجمله دامنة ‌تغییر دمای بیش از حد که تغییر آن تنها در مدار LEO از تا را دربرمی‌گیرد. چالش دیگر آن تأمین انرژی است که به‌واسطۀ دوری از منابع تولید انرژی وجرم محدود در دست‌ساخته‌ها به‌وجود می‌آید. انسان تمام این سختی‌ها و چالش‌ها را به جان می‌خرد تا بتواند حس کنجکاوی خود را ارضا کند. این اتفاق تنها با شناخت به‌دست می‌آید، شناختی که نیاز به تکنولوژی طیف‌سنجی دارد. تمامی این نیازها مانند دریچه‌ای برای ورود صنعت هسته‌ای به ساخت این دست‌ساخته‌های فضایی بشر بود.

اولین دیدار

از زمان کشف هم‌جوشی هسته‌ای در سال 1938، صنعت انرژی هسته‌ای و علوم هسته‌ای پیشرفت‌های زیادی کرده‌است و این صنعت به سرعت در دیگر صنایع نفوذ کرد و کاربردهای گوناگونی در صنایع مختلف داشته، دارد و خواهد داشت.

یکی از این کاربردها، استفاده در صنعت فضایی است؛ اما برای آشنایی و درک بهتر این کاربرد نیاز داریم تا برخی از مفاهیم و اختراعات صنعت مهندسی هسته‌ای را بشناسیم. یکی از این اختراعات، مولد گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی است، که خود زیرمجموعۀمولد‌های گرما-الکتریکی است.

مولد‌های گرما-الکتریکی، همان‌طور که از اسم‌شان پیداست، انرژی گرمایی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و مانند موتورهای حرارتی هستند، با این تفاوت که اجزای متحرک ندارد و کاملاً بی‌صدا هستند، که هر دو ویژگی به‌دلیل ایجادنکردن ارتعاش در صنعت فضایی، به‌شدت مفید می‌باشند. اساس کار این مولد‌ها اثر سیبک (یا همان اثر ترموالکتریک) می‌باشد که بیان می‌دارد: در صورت وجود گرادیان دما در مادۀ رسانای الکتریسیته،بار‌های الکتریکی از سمت گرم به‌سمت سرد می‌روند.این حرکت بارها موجب اختلاف ولتاژ در دو سر ماده می شود و در نتیجه می‌توان از آن به عنوان مولد الکتریکی استفاده کرد.

مولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی، از انرژی هسته‌ای نهفته در ایزوتوپ‌ها برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند؛ در حقیقت می‌توان این مولد‌ها را باتری‌های هسته‌ای دانست. مولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی به‌عنوان منبع انرژی در ماهواره، کاوشگرهای فضایی و ... استفاده می‌شوند. این مولدها برای مأموریت‌های بدون سرنشین که در آن‌ها توان چندصد وات یا کمتر نیاز است، مناسب هستند. از سوخت‌هایی هم‌چون پلوتونیم 238، کوریوم 244، استرانسیوم 90 (به صورت گسترده) و پلونیوم 210، پرومتیوم 147، سزیم 137، روتنیم 106، کبالت 60، کوریوم 242، آمریسیوم 241 و ایزوتوپ‌های تولیم (به‌صورت محدود) استفاده شده‌است. انتخاب این ایزوتوپ‌ها بر اساس 4 معیار: 1- نیمه‌عمر، 2- میزان قدرت تولیدی بر واحد جرم، 3- چگالی و 4- نوع تشعشع است.

بیشتر مولد‌های گرما-الکتریکی از پلوتونیم 238 استفاده می‌کنند که دارای نیمه‌عمر در حدود 88 سال است. با توجه به قوانین نیمه‌عمر، نرخ تولید انرژی مولد گرما-الکتریکی (با فرض ثابت‌ماندن بازده مولد‌)، در حدود 1% کاهش می‌یابد.

اولین مولد گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی در سال 1954 توسط کن جوردن[6]و جان بیردن[7] اختراع شد.اولین مولد گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی که توسط آمریکا به فضا پرتاب‌شد، اسنپ-3 بی[8]بود که با استفاده از 96 گرم پلوتونیم 238 کار می‌کرد و توسط فضاپیمای ترنزیت 4 ای[9]به فضا رفت. شوروی نیز از با انجام پروژۀ توپاز[10]و فرستادن ماهواره‌های کازموس 1867 و کازموس 1818[11]و انجام پروژۀ رورست[12]یا یو اس-ای[13]از قافله عقب نماند.

پروژۀ اسنپ

خانوادۀپروژۀ اسنپ همان‌طورکه از اسمش پیداست، نوعی مولد کمکی از نوع هسته‌ای برای استفاده در سیستم‌های مختلف، به‌ویژه سیستم‌های فضایی‌ست، که به دو دستۀمولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی و راکتورهای هسته‌ای تقسیم‌بندی می‌شود. نام‌گذاری هر کدام از اعضای این خانواده به صورت است که در دستۀ اول عددی فرد هستند و در دستۀ دوم عددی زوج است. ابتدا به معرفی و توضیح دستۀ اول می‌پردازیم:

اسنپ-1، پایگاهی برای تست‌کردن بود که هیچ‌گاه به بهره‌برداری نرسید. این مولد‌ از سزیم 144 استفاده می‌کرد. در چرخۀ رانکین این مولد‌، از جیوه به‌عنوان سیال انتقال حرارت استفاده شده‌بود و به مدت 2500 ساعت کار کرد.

اولین مولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی بودند که در مأموریت‌های فضایی استفاده شدند. ماهواره‌های ترنزیت در ابتدا از سلول‌های خورشیدی و باتری انرژی خود را تأمین می‌کردند که در روزهای اولیۀ صنعت نوپای فضایی با مشکل عدم توانایی پیش‌بینی مدت‌زمان دوام روبه‌رو بودند. در سال 1958، در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز، بهایدۀ استفاده ازمولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی برای ماهواره‌های ناوبری داپلری رسیدند. این ایده به‌عنوان پروژه ترنزیت[14]نام‌گذاری شد. پس از آن از مولد‌های گرما-الکتریکی رادیوایزوتوپی برای تأمین انرژی خود استفاده کردند. ماهواره‌های ناوبری ترنزیت 4 ای و 4 بی (متعلق‌به نیروی دریای آمریکا)[15]از این مولد‌ها استفاده می‌کردند. توان الکتریکی خروجی این مولد‌ها در حدود 2.5 وات بود.

این پروژه برای استفاده‌های دریایی، مانند فانوس‌های دریایی و شناورها استفاده می‌شود. حداقل 6 مولد‌ در میانۀ دهه 1960 با نام‌های تا تولید شدند. توان الکتریکی خروجی این مولدها نسبت به دوره‌های پیشین افزایش یافته‌بود، به‌طوری‌که 30 وات توان را در اثر مصرف حدوداً 4 کیلوگرم استرانسیوم 90 تولید می‌کرد. وزن این مولدها بین 850 کیلوگرم تا 2720 کیلوگرم بود.

بعد از استفادۀ موفق خانوادۀ اسنپ-3 در خانوادۀ ماهواره‌های ترنزیت، اسنپ-9 ای در عضوهای زیادی از ماهواره‌های ترنزیت استفاده شد و به عنوان منبع اصلی تولید انرژی، تمام توان موردنیاز این ماهواره‌ها را به مدت 5 سال تأمین کرد. تا این که در تاریخ آوریل 1964 موفق نشد که به مدار تعیین‌شدۀ خود برسد و در راه متلاشی شد و حدود 1 کیلوگرم پلوتونیم 238 را روی تمام قاره‌ها پخش‌کرد. بیشتر این اورانیوم در نیم‌کرۀ جنوبی ریخته شد. در حدود پرتوزایی انجام شد و ناساناگزیر شد که تکنولوژی انرژی فتوولتائیک[16]خورشیدی را گسترش دهد.

اسنپ-11 به عنوان مولد تحقیقاتی استفاده می‌شد و قرار بود که منبع انرژی کاوشگرهای در طول شب‌های ماه باشد. (کاوشگرهای در پروژۀ آپولو استفاده شده‌بودند.) این مولدها با استفاده از کوریم 242 توانستند 25 وات توان خروجی الکتریکی را از 900 وات توان ورودی به‌طور مستمر در 130 روز تولید کنند؛ اما در مأموریت اصلی هیچ‌گاه استفاده نشدند.

اسنپ-19 برای استفاده در ماهوارۀ نیمبوس-بی[17] طراحی شده‌بود. این مولد به‌روش شکافت هسته‌ای و با سوخت پلوتونیوم 238 کار می‌کرد، حداکثر 30 وات توان تولید می‌کرد و توسط کمپانی مارتین-ماریتا[18] (با نام فعلی: ) ساخته شده‌بود. این پروژه اولین پروژه‌ای بود که ناسا به قصد فعالیت برون‌سیاره‌ای توسعه داده‌بود. نیمبوس 3 نیز ازدوتا ازاین نوع مولد استفاده می‌کرد و 20 درصد از انرژی موردنیاز خود را از این طریق تأمین می‌کرد؛ولی نکتۀ جالب این است که از سوخت بازیابی‌شده یکی از پروژه های قبلی (نیمبوس-بی 1) استفاده می‌کرد.

این مولد هم‌چنین انرژی موردنیاز کاوشگرهای فضایی پایونیر 10 و 11 را تأمین می‌کرد. دو نکتۀجالب درباره پایونیر 10 این است که این کاوشگر اولین دست‌ساختۀ بشر بود که توانست سرعت موردنیاز برای خروج از منظومۀ شمسی را به‌دست آورد و اولین مأموریت مشتری را نیز انجام داد. از نسخۀ ارتقایافتۀ این مولد نیز برای فضاپیماهای وایکینگ 1 و 2 استفاده شد که روی مریخ فرود آمدند و به عنوان اولین کاوش علمی طولانی روی مریخ شناخته شده‌بودند. اسنپ-19 سی برای جاسوسی از پرتاب‌کنندۀ موشک‌های چینی استفاده می‌شد.

این دو اسنپ برای استفاده در زیر آب طراحی شده‌بودند و از استرانسیوم 90 به عنوان منبع رادیواکتیو استفاده می‌کردند و در حدود 10 وات توان تولید می‌کردند.

از 5 اسنپ-27 برای تأمین انرژی در مأموریت‌های آپولو برای تأمین انرژی ایستگاه‌های آزمایشات سطح ماه 12، 14، 15، 16، 17 استفاده شد. این مولد حدود 20 کیلوگرم وزن داشت و با مصرف پلوتونیم 238، حدود 75 وات توان خروجی با اختلاف ولتاژ 30 ولت تولید می‌کرد. این ایستگاه‌ها اطلاعاتی هم‌چون ماه‌لرزه‌ها[19]،برخوردهای شهاب‌سنگ‌ها، میدان‌های مغناطیسی و گرانشی ماه، دمای ماه و ترکیب اتمسفر ماه را برای سال‌های طولانی مخابره می‌کردند. بعد از گذشت 10 سال، بیش از 90 درصد توان اولیۀ خود را تولید می‌کرد. مخزن سوخت یکی از مولدهای اسنپ-27 که در مأموریت آپولو 13 استفاده شده‌بود، حدود 6 کیلومتر زیر آب در درازگودال تونگا در شمال شرقی استرالیا قرار دارد. این مأموریت موفق به فرود روی ماه نشد و در ورود به جو کرۀ زمین بخش ماه‌نشین آن که ژنراتور درون آن بود، آتش گرفت و در نتیجه، مسیر حرکت آن به‌گونه‌ای تنظیم شد که درون درازگودال قرار گیرد و به‌طرز موفقیت‌آمیزی، هیچ اثری از نشت مواد رادیواکتیو دیده نشده‌است.

امیرحسین قائمی _ علی یوسفی
ورودی 98 مهندسی هوافضا

[1]Voyager

[2]Apollo

[3]Galileo

[4]Curiosity

[5]Perseverance

[11]Kosmos 1867 - 1818

[16]Photovoltaic