نگاهی دقیق به برنامه‌‌های هسته‌ای ناسا در مسیر مریخ

راه رسیدن انسان‌ها به مریخ از میان اتم‌ها عبور می‌کند.

جایی دور از زمین، در یک جهان دیگر یا در خلأ کامل، نیروی برق به معنای زندگی است. جریان قوی و پایدار برق نه‌تنها برای عملکرد رایانه‌ها و موتورها حیاتی است بلکه برای اطمینان از دسترسی به نیازهای اساسی مانند نور و گرما، هوای قابل‌تنفس و آب آشامیدنی و حتی آماده‌سازی و رشد غذا لازم است. یکی از مطمئن‌ترین و قوی‌ترین راه‌های تولید این کیلووات‌های حیاتی، استفاده از شکافت هسته‌ای است، چیزی که فضانوردان بلندپرواز بسیار پیش‌تر از قدم‌گذاشتن به فضا و حتی ساخت سلاح هسته‌ای به آن فکر می‌کردند؛ اما پس از گذشت بیش از ۶۰ سال از شروع فضانوردی، هنوز هم استفاده از شکافت هسته‌ای در مأموریت‌های فضایی در حد یک ایده‌ی رؤیایی باقی مانده است.

اکنون که ناسا در‌‌ حال توسعه‌ی برنامه‌ی بلندپروازانه‌ی آرتمیس است، به نظر می‌رسد ارتقاء سطح فناوری، افزایش اراده‌ی سیاسی و اختصاص بودجه می‌تواند رؤیای استفاده از انرژی هسته‌ای در فضا را به واقعیت تبدیل کند. ناسا در قالب برنامه‌ی آرتمیس، که از لحاظ اهمیت هم‌سطح برنامه‌ی افسانه‌ای آپولو است، سعی دارد یک پایگاه قمری سرنشین‌دار بسازد؛ پروژه‌ای که اگر به‌درستی پیش برود می‌تواند گام اول در راستای مأموریت بزرگ این سازمان یعنی فرستادن انسان به سیاره‌ی مریخ باشد.

کاخ سفید در سال ۲۰۲۰ ضرب‌الأجلی ۱۰ ساله برای ساخت یک سیستم تولید انرژی هسته‌ای ۱۰ کیلوواتی در سطح ماه برای ناسا تعیین کرد. این پروژه اکنون به اولویت اول اداره‌ی فناوری فضایی ناسا تبدیل شده است. همچنین در ماه ژوئیه‌ی ۲۰۲۱، کنگره‌ی آمریکا مبلغ ۱۱۰ میلیون دلار برای توسعه‌ی سیستم راکتی با سوخت هسته‌ای به‌منظور انتقال محموله‌های فضایی و فضانوردان برای مأموریت‌های بین‌سیاره‌ای اختصاص داد. نکته‌ی جالب‌توجه این است که ناسا چنین بودجه‌ای را از کنگره درخواست نکرده بود.

تجسمی از رآکتور گداخت هسته‌ای روی سطح ماه

پی بردن به دلیل شتاب‌زدگی دست‌اندرکاران ساده است. بدون انرژی هسته‌ای رسیدن به هدف تعیین‌شده‌ی ‌آژانس فضایی ناسا برای ساخت پایگاه فضایی در ماه تا پایان دهه‌ی جاری میلادی و به تبع آن قدم گذاشتن در مریخ اگر غیرممکن هم نباشد، بسیار مشکل خواهد بود.

نکته‌ی شگفت‌آور این است که برای رسیدن به این اهداف بلندپروازانه، نیازی به نو‌آوری‌های خارق‌العاده‌ برای ساخت رآکتورهای هسته‌ای با کارکردهای فضایی نیست. در ‌واقع ایالات متحده در گذشته تجربه‌ی چنین کاری را داشته است؛ زمانی که نیروی هوایی ارتش آمریکا نمونه‌ی اولیه چنین رآکتوری را در سال ۱۹۶۵ ساخت و آزمایش کرد. بااین‌حال انتقال ایمن یک رآکتور هسته‌ای و سوخت اورانیوم غنی‌شده‌ی بالقوه‌ی خطرناک آن به خارج از جو زمین، با در نظر گرفتن تمام حساسیت‌های مربوط به انرژی هسته‌ای و حصول اطمینان از این که چنین پروژه‌ی هزینه‌بری باید کاربردهای متعددی در مأموریت‌های ماه و سایر مأموریت‌های فضایی برای ناسا داشته باشد، پیچیدگی‌های بی‌شماری در دل خود خواهد داشت.

در حالت ایدئال، انرژی به‌دست‌آمده از شکافت هسته‌ای در فضا نه‌تنها می‌تواند در مأموریت‌های سرنشین‌دار ناسا به ماه یا مریخ استفاده شود، بلکه می‌توان از این انرژی در اکتشافات فضایی رباتیک در سراسر منظومه‌ی شمسی استفاده کرد.

مایک هوتس، مدیر بخش پژوهش‌های هسته‌ای ناسا در مرکز پرتاب فضایی مارشال می‌گوید:

هدف ما این است که مطمئن شویم رآکتور استفاده‌شده در ماه را می‌توانیم به‌طور مستقیم در مأموریت‌هایمان به مریخ هم استفاده کنیم.

هوتس توضیح می‌دهد که شکافت هسته‌ای در اصل فرآیندی ساده است:

تنها باید مواد مناسب را در یک فضای هندسی خوب قرار دهیم. به‌ همین‌‌ دلیل، بعد از کشف این فناوری بسیار زود توانستیم سیستم‌های خود‌کنترلی برای زنجیره‌ی واکنش‌ها بسازیم.

این فناوری از اساس با ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTG) که ناسا پیش از این در مأموریت‌های مریخ‌نوردهای مختلف خود و فضاپیمای نیوهورایزنز برای اکتشاف پلوتو و فراتر از آن و همچنین مأموریت بین ستاره‌ای فضاپیمای وویجر از آن استفاده کرده، متفاوت است. ژنراتورهای رادیوایزوتوپ تنها گرمای حاصل از پرتوزایی طبیعی پلوتونیوم را به برق تبدیل می‌کنند؛ اما رآکتورهای شکافت هسته‌ای بسیار پرقدرت‌تر و دارای کاربرد بیشتری هستند و می‌توانند با شکافتن اتم‌های سوخت اورانیوم انرژی به‌دست‌آمده را به نیروی پیش‌رانش یا برق تبدیل کنند.

هوتس در این مورد می‌گوید:

نیازی به کشف‌های بزرگ فیزیکی نداریم. معجزه لازم نیست، اما درست مثل سیستم‌های زمینی، باید مهندسان بسیار خوبی داشته باشید.

تأخیر در یک گام بزرگ و اساسی

ناسا در اعلام عمومی زمان‌بندی مأموریت‌های مریخ همیشه محتاط بوده، اما از زمان اولین دوره‌ی ریاست جمهوری جورج بوش این سازمان به‌طور پیوسته به‌سوی برداشتن آن گام بزرگ در سطح مریخ تا پایان دهه‌ی ۳۰ حرکت کرده است. در سال ۲۰۲۰ ناسا از آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی خواست تا در مورد چالش‌های فنی، فواید و خطرهای مرتبط با استفاده از فناوری پیشران هسته‌ای و به‌طور ویژه در ‌مورد پرتاب‌های باری با پیشران‌های هسته‌ای به سمت مریخ در سال ۲۰۳۳ پیش از شروع مأموریت‌های سرنشین‌دار در ۲۰۳۹ مطالعات گسترده‌ای به عمل آورد.

از لحاظ لجستیکی، یک مأموریت فضایی با موتور هسته‌ای از آنچه که در دهه‌ی ۱۹۵۰ در‌ مورد آن تحقیق شده بود تفاوت زیادی نخواهد داشت. سه سال بعد از پرتاب یوری گاگارین به فضا و تبدیل بشر به گونه‌ای از حیات که در فضا حضور داشته است، کمیته‌ی مشاور ملی در امور هوانوردی (سازمانی که ناسا بعداً جایگزین آن شد) طرحی تحقیقاتی در ‌مورد استفاده از پیشران‌های هسته‌ای برای مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ را کلید زد. در این پژوهش مأموریتی ۴۲۰ روزه شامل اقامت ۴۰ روزه در سطح مریخ پیش‌بینی شده بود.

در طرح‌های بلندپروازانه‌ی دیگر حتی اقامت‌های طولانی‌تری در مریخ تا ۵۰۰ روز پیشنهاد شده بود، اما شالوده‌ی طرح اصلی در تمام برنامه‌‌ریزی‌های بعدی برای مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ دست‌نخورده باقی ماند و دلیل آن مکانیک اجرام فضایی و ملاحظات مرتبط با بقا در مریخ بود. برای صرفه‌جویی در مصرف سوخت، زمین و مریخ باید در مکان مناسبی در مدارهای خود نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند؛ اما اگر بخواهیم از لحاظ فنی به قضیه نگاه کنیم، انسان‌ها هنوز به اندازه‌ی کافی آماده نیستند تا بند ناف خود به زمین را پاره کنند و به معنای واقعی در فضا زندگی کنند.

همان‌طور که داده‌های ده‌ها سال زندگی و کار فضانوردان در ایستگاه‌های فضایی در مدار پایینی زمین نشان داده است، انسان‌ها می‌توانند سفرهای فضایی طولانی‌مدت را تحمل کنند. رکورد طولانی‌ترین حضور ممتد در فضا متعلق به کیهان‌نورد والری پولیاکوف است. پولیاکوف به لطف رژیم ورزشی و غذایی سنگین خود پس از گذراندن ۴۳۷ روز در ایستگاه فضایی شوروی به نام میر در شرایط نزدیک به بی‌وزنی مطلق که نابودکننده‌ی ماهیچه‌ها است، توانست بعد از برگشت به زمین و خارج شدن از کپسول راه برود. گفته می‌شود پولیاکوف بعد از برگشت به زمین بلافاصله رو به کیهان‌نورد همکار خود گفت: «ما می‌توانیم به مریخ برویم.»

در طرح فعلی ناسا برای مأموریت مریخ یک سفر ۲ ساله برای فضانوردان پیش‌بینی شده است و پیشران‌های هسته‌ای عنصر کلیدی در تحقق این برنامه هستند. استفاده از این فناوری نه‌تنها فرصت‌ پرواز‌های سرنشین‌دار بیشتری در‌ اختیار ناسا می‌گذارد بلکه می‌تواند تعداد پرتاب‌های مداری مورد نیاز برای رساندن سوخت لازم به مدار زمین برای شروع مأموریت مریخ را کاهش دهد.

ملاحظات مربوط به رساندن سوخت به مدار زمین با توجه به جرم زیاد آن از اهمیت بالایی برخوردار است. ایستگاه فضایی بین‌المللی در طول بیش از یک دهه از‌ طریق بیش از ۳۰ پرتاب و حمل محموله‌هایی با مجموع جرم بیش از ۴۲۰ تن ساخته شده است. فرض کنید در مأموریت مریخ از موتورهای متداول شیمیایی استفاده شود، برای چنین مأموریت بزرگی لازم خواهد بود چیزی بین دو تا ۱۰ برابر جرم محموله‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی به فضا پرتاب شود. بزرگ‌ترین و قوی‌ترین راکت ناسا یعنی سامانه‌ی پرتاب فضایی (SLS)، که هنوز هیچ پرتابی را تجربه نکرده است، در هر پرتاب ۲ میلیارد دلاری می‌تواند ۹۵ تن محموله را به مدار ببرد.

اگر از راکت‌های پیشرفته‌تر و بصرفه‌تری مانند استارشیپ شرکت اسپیس ایکس با قابلیت استفاده‌ی مجدد، که هنوز در مرحله‌ی توسعه قرار دارد استفاده شود، با وجود کاهش هزینه‌ی کلی پرتاب‌ها، سقف وزنی محموله‌ی آن در هر پرتاب ۱۰۰ تن خواهد بود. حتی در این شرایط هم فکر کردن به هزینه‌ی هنگفت این تعداد پرتاب، برای دولت ایالات متحده و مالیات‌دهندگان آمریکایی چالش‌برانگیز خواهد بود.

اما در سوی دیگر داستان، مأموریت سفر به مریخی که مبتنی بر پیشران‌های هسته‌ای باشد، به سوخت کمتری نیاز خواهد داشت و جرم محموله‌ی ارسالی چیزی بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ تن خواهد بود. این جرم معادل یک یا دو برابر جرم محموله‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی است. انجام چنین کاری ممکن به نظر می‌رسد، جدای از تمام چالش‌ها بشر یک بار موفق به چنین کاری شده است.

انتخاب‌های دشوار

ناسا اکنون در ‌حال تحقیق روی دو دسته از راکت‌های مجهز به موتور هسته‌ای است، راکت‌های دارای پیشران‌های گرمایی هسته‌ای و راکت‌های مجهز به پیشران‌های الکتریکی هسته‌ای. هر یک از این دو نوع سامانه را می‌توان در کنار یک سیستم قدرت سطحی قرار داد که ضلع سوم فناوری شکافت هسته‌ای محسوب می‌شود و ناسا هم‌اکنون در‌ حال مطالعه‌ی آن است.

استفاده از پیشران گرمایی هسته‌ای در فضاپیماهای بین‌سیاره‌ای عملا آن‌ها را تبدیل به یک مرحله انتقالی می‌کند؛ به این صورت که یک راکت دارای موتور هسته‌ای به نسبت کوچک در مدار زمین می‌تواند به دیگر قسمت‌های فضاپیما، که به صورت جداگانه از زمین پرتاب شده‌اند، متصل شود و آن‌ها را به سمت مقصد نهایی با خود ببرد. چنین سیستمی بسیار شبیه به پیشران‌های متدوال شیمیایی خواهد بود. در موتورهای متداول با سوخت فسیلی، در محفظه‌ی احتراق سوخت شیمیایی و اکسیدکننده با یکدیگر ترکیب شده و مشتعل می‌شوند. در اثر اشتعال، گازهای خروجی بسیار داغی تولید می‌شوند که با سرعت از نازل خارج می‌شوند و درنتیجه راکت به پیش رانده می‌شود. اما در راکت‌های دارای موتور اتمی به جای محفظه‌ی احتراق یک رآکتور هسته‌ای وجود دارد که مواد فوق‌ سرد را گرم کرده و از نازل به بیرون می‌فرستد. بنابراین برای کسی که از بیرون به این دو سیستم نگاه می‌کند تفاوت چندانی دیده نمی‌شود، در هر دو حالت گازهای مافوق گرم از پشت راکت به بیرون پرتاب می‌شوند.

از طرف دیگر سیستم‌های پیشران الکتریکی هسته‌ای بسیار شبیه به نیروگاه‌های برق هسته‌ای روی زمین هستند، جایی که با استفاده از یک توربین در مرحله‌ی میانی از واکنش‌های شکافت هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌شود. از برق تولیدشده در رآکتور نیز می‌توان برای نیرو دهی به سیستم پیش‌رانش الکتریکی استفاده کرد، پیشران‌هایی که ناسا پیش از این از آن در فضاپیمای داون با مأموریت اکتشاف سیارک وستا و سیاره‌ی کوتوله سرس استفاده کرده است.

اما استفاده از هر یک از این سیستم‌ها معایب و مزایای خود را دارد. بزرگ‌ترین چالش استفاده از رآکتور گرمایی هسته‌ای این است که چنین رآکتوری در سطح بالایی از انرژی و در دماهای بالا (در حدود ۲۵۰۰ درجه سلسیوس) کار می‌کند؛ عددی که می‌تواند فضانوردان و مهندسان مواد را به فکر فرو ببرد. چنین رآکتوری به حجم زیادی از مواد پیشران فوق سرد نیاز خواهد داشت، نیازی که احتمالاً باید با استفاده از تانکر‌های ذخیره‌ی سوختی که به مدار زمین فرستاده شده‌اند تأمین شود و این خود چالش‌های مهندسی بی‌شماری ایجاد خواهد کرد؛ اما شدت عملکرد رآکتورهای گرمایی یک مزیت بزرگ دارد. هوتس می‌گوید:

سیستم پیش‌رانش در طول مأموریت دو ساله فقط باید چند ساعت کار کند. می‌توانیم همه‌ی کارها را خیلی سریع انجام دهیم. چون بعد از اتمام فرایند اصلی، فضاپیما تمام سرعت لازم برای سفر به ماه یا بازگشت به زمین را خواهد داشت.

از طرف دیگر پیشران‌های الکتریکی هسته‌ای در سطح انرژی و دمایی پایین‌تری کار می‌کند، اما زمان کارکرد آن طولانی‌تر است و ممکن است رآکتور برای ماه‌ها یا حتی سال‌ها کار کند تا به تدریج بتواند سرعت بالایی که فضاپیما نیاز دارد را تأمین کند. رآکتور الکتریکی نسبت به نوع گرمایی دارای پیچیدگی‌های بیشتری است. بااین‌حال دانشمندان مطالعات کمتری روی آن انجام داده‌اند.

تجسمی از سیستم پیش‌رانش الکتریکی هسته‌ای ناسا

سطح عملکرد محاسبه‌شده برای رآکتور الکتریکی هسته‌ای بسیار کمتر از آن چیزی است که برای مأموریت سرنشین‌دار به مریخ نیاز است. همچنین انرژی تولیدشده توسط چنین رآکتوری باید چندین مرتبه تغییر شکل دهد. تبدیل انرژی به نوع دیگر طبیعتاً همراه با اتلاف انرژی است؛ به‌طوری‌که بازده را تا عددی بین ۳۵ و ۴۰ درصد پایین می‌آورد. از طرفی انرژی تلف‌شده به صورت گرما به نحوی باید دفع شود. برخی دانشمندان استفاده از رادیاتورهای بزرگ برای دفع حرارت در فضا را پیش‌نهاد داده‌اند. فضاپیماهای دارای سیستم پیش‌رانشی الکتریکی هسته‌ای باید یک موتور اضافی شیمیایی هم داشته باشند تا بتوانند نیروی لحظه‌ای لازم برای فرار از مدار زمین و ورود و خروج از مدار مریخ را تأمین کند؛ چراکه موتور الکتریکی هسته‌ای نیرو را به صورت آهسته و پیوسته در‌ اختیار فضاپیما قرار می‌دهد.

تجسمی از رآکتور حرارتی هسته‌ای ناسا

مسیر گذشته و افق آینده

پیشران‌های گرمایی هسته‌ای به‌دلیل سادگی نسبی در‌ قیاس با گونه‌های دیگر، در مرکز توجه برنامه‌ریزان مأموریت به مریخ و البته سیاست‌مداران ایالات متحده قرار دارند. چشم‌انداز استفاده از این فناوری بود که باعث شد کنگره‌ی آمریکا با بودجه ۱۱۰ میلیون دلاری برای این برنامه موافقت کند. همچنین آکادمی ملی آمریکا نیز در گزارش خود استفاده از این سیستم را عملی‌ترین راه برای انجام یک مأموریت سرنشین‌دار به سیاره سرخ تا سال ۲۰۳۹ دانسته است.

توسعه‌ی پیشران‌های گرمایی هسته‌ای در ایالات متحده تاریخچه‌ای غنی دارد. از زمان شروع عصر فضا، دولت ایالات متحده و به‌خصوص وزارت دفاع همواره در تلاش بود تا فناوری استفاده از نیروی هسته‌ای در فضا را عملی کند. اولین تلاش‌ها در این زمینه به سال ۱۹۵۵ برمی‌گردد، زمانی که نیروی هوایی وزارت دفاع در پروژه‌ی روور (ROVER) به‌دنبال ساخت یک رآکتور گرمایی هسته‌ای برای مرحله‌ی نهایی موشک‌های بالستیک بین‌قاره‌ای بود. اما بعد از این که مشخص شد استفاده از موتور احتراق شیمیایی در موشک‌های بالستیک گزینه‌ی بهتری است، برنامه‌ی روور در سازمان تازه‌تأسیس ناسا در قالب برنامه‌ی موتور هسته‌ای برای کاربردهای راکتی یا نروا (NERVA) ادامه پیدا کرد.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۵۰ وزارت دفاع ایالات متحده کار روی یک برنامه دیگر به نام سیستم نیروی هسته‌ای پشتیبانی یا اسنپ (SNAP) را در تلاش برای پرتاب رآکتورهای هسته‌ای به فضا برای تأمین انرژی مأموریت‌هایی بلندمدت مانند ماهواره‌های جاسوسی را شروع کرد.

هر یک از این دو برنامه نتایج درخشانی را در پی داشتند. نیروی هوایی ایالات متحده در سال ۱۹۶۵ با پرتاب SNAP-10A اولین رآکتور شکافت هسته‌ای را به فضا فرستاد. این رآکتور به مدت ۶ هفته در مدار زمین با موفقیت کار کرد. در همین حال در‌ نتیجه‌ی برنامه نروا، اولین راکت‌های دارای رآکتور گرمایی هسته‌ای با موفقیت ساخته و آزمایش شدند. پروژه‌ی نروا برای مدتی به‌عنوان استراتژی اصلی ناسا برای انجام مأموریت‌های اکتشافی به مریخ در دوران پس از آپولو قلمداد می‌شد. اما در زمان ریاست جمهوری نیکسون تصمیم گرفته شد روی برنامه‌ی شاتل‌های فضایی سرمایه‌گذاری شود و بدین‌ترتیب پروژه‌ی نروا در سال ۱۹۷۳ رسماً کنار گذاشته شد؛ اما در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ در‌ نتیجه‌ی تلاش‌های مشترک چند سازمان با رهبری نیروی هوایی با هدف توسعه‌ی برنامه‌ی ساخت رآکتورهای گرمایی هسته‌ای، برای مدتی کوتاهی نروا دوباره در کانون توجه قرار گرفت، اما علاقه به این پروژه در زمان کوتاهی از بین رفت.

سیستم پیش‌رانش الکتریکی نیز به نوبه‌ی خود سهمی از تاریخ سازمان فضایی ناسا دارد. در سال ۲۰۰۳ یک طرح اولیه‌ به نام پروژه‌ی پرومتئوس به منظور ساخت یک سیستم ناوگان فضایی با پیشران‌ الکتریکی هسته‌ای برای مقاصد علمی با همکاری سه نهاد دولتی یعنی ناسا، برنامه‌ی رآکتور زیردریایی متعلق به نیروی دریایی وزارت دفاع و وزارت انرژی ایالات متحده ارائه شد. طبق این طرح یک رآکتور شکافت هسته‌ای فضایی می‌توانست انرژی یک فضاپیما را برای چند مأموریت مختلف برای اکتشاف مناطق دوردست منظومه شمسی و فراتر از آن را تأمین کند؛ جایی که کمبود و پراکندگی نور رسیده از ستاره منظومه‌ی شمسی تأمین انرژی خورشیدی فضاپیماها را با محدودیت شدید مواجه می‌کند.

پروژه‌ی پرومتئوس می‌توانست در صنعت فضانوردی یک انقلاب بزرگ به وجود آورد، رآکتور طراحی شده در این پروژه می‌توانست ۲۰۰ هزار وات انرژی برای سیستم پیش‌رانش و سایر تجهیزات یک فضاپیما تولید کند. برای مقایسه باید به این نکته اشاره کرد که کاوشگر نیوهورایزنز ناسا تنها با ۲۰۰ وات انرژی کار می‌کند؛ این انرژی تنها برای روشن کردن چند لامپ رشته‌ای کفایت می‌کند. بااین‌حال تنها دو سال بعد ناسا با اشاره به ملاحظات بودجه‌ای این برنامه را کنار گذاشت.

تصویری از برنامه‌ی NERVA

شاید فکر کنید که طرح‌های توسعه‌داده شده در گذشته می‌تواند سرعت پیشرفت برنامه‌های ناسا برای فرستادن انسان به مریخ را بیشتر کند؛ اما واقعیت این است که طبیعت دگرگون‌شونده‌ی فناوری هسته‌ای مانع بزرگی بر سر این مسیر به‌شمار می‌رود.

شانون براگ-سیتون، سر مهندس بخش هسته‌ای در آزمایشگاه ملی آیداهو و یکی از نویسنگان گزارش ملی علوم می‌گوید:

از لحاظ زمانی اگر چند سال برای توسعه یک پیشران هسته‌ای وقت بگذارید و سپس دست از کار بکشید و دوباره بعد از چند دهه به آن برگردید، باید قسمت زیادی از دانش این فناوری را دوباره یاد بگیرید. این حقیقت که در دهه‌ی ۱۹۵۰ برنامه‌هایی در مورد این دو فناوری داشته‌ایم به این معنی نیست که در این زمینه دارای ۷۰ سال دانش فنی هستیم، بلکه به این معنی است که ما آن زمان در این زمینه کارهایی کرده‌ایم اما بعداً آن‌ها را کنار گذاشتیم.

هدف‌گذاری ناسا برای شروع مأموریت‌های سرنشین‌دار به‌سوی سیاره‌ی سرخ در سال ۲۰۳۹ است. شاید این تاریخ آن قدر دور باشد که فکر کنید نیازی به عجله برای به پیش بردن کارها نباشد، اما براگ-سیتون معتقد است این زمان‌بندی می‌تواند کمی فریب‌دهنده باشد. طبق طرح‌های اولیه قرار است پروازهای باری بی‌سرنشین به منظور قرار دادن تجهیزات و مواد لازم در مریخ پیش از ورود فضانوردان ۶ سال قبل‌تر یعنی در سال ۲۰۳۳ شروع شود. براگ-سیتون می‌گوید:

ما برای آزمایش سیستم‌های اولیه برای شروع پروازهای باری باید بسیار زود آماده شویم. بنابراین به نظر می‌رسد ۲۰۳۳ آنقدرها هم تاریخ دوری نیست.

براگ-سیتون می‌گوید که در حالت ایدئال طراحی سخت‌افزارها برای پرتاب محموله‌های باری در سال ۲۰۳۳ باید تا سال ۲۰۲۷ نهایی شده باشند. این موضوع به این معنی است که هم اکنون باید تصمیم‌های حیاتی گرفته شود و مهم‌ترین آن‌ها انتخاب یکی از دو سیستم پیش‌رانش گرمایی یا الکتریکی هسته‌ای است. او اضافه می‌کند:

نمی‌توان در یک یا دو سال یک موتور هسته‌ای توسعه داد. این کار عملی نیست. هیچ کدام از این کارها غیرممکن نیستند؛ اما برای انجام این کار به زمان و تمرکز زیادی از سوی دانشمندان نیاز است. پیش از همه چیز آن‌ها باید اجازه‌ی این کار را داشته باشند.

دراکو و حساب ویژه‌ای که روی آن باز شده است

آن طور که برمی‌آید، گرفتن مجوز برای فرستادن مواد هسته‌ای به فضا حداقل به اندازه‌ی ساختن یک رآکتور هسته‌ای آماده‌ی پرتاب می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. این موضوع به‌خصوص وقتی سیستم شکافت هسته‌ای نیاز به اورانیوم با غنای بالا، یعنی سوخت متشکل از حداقل ۲۰ درصد ایزوتروپ اورانیوم ۲۳۵ شکافت‌پذیر باشد، حساسیت بیشتری خواهد داشت. تنها یک درصد از اورانیوم موجود در زمین از نوع ایزوتوپ ۲۳۵ است و آن هم برای طراحان سلاح‌‌های جنگی بسیار باارزش است.

از همین رو، مهندسان هوافضا سعی می‌کنند اختراعات خود را تا حد ممکن سبک و قدرتمند طراحی کنند. هرچه سوخت اورانیوم ۲۳۵ بیشتر باشد رآکتور یا بمب ساخته‌شده کوچک‌تر خواهد بود، به‌همین‌دلیل، مقررات سخت‌گیرانه‌ای در ‌مورد استفاده از این مواد وضع شده است.

برای ناسا حتی فرستادن یک محموله‌ی سوخت اورانیوم با غنای کم می‌تواند فرایند اداری و ایمنی‌سنجی پیچیده‌ای داشته باشد، از جمله یک فرایند تحلیل ایمنی هزارتو که با همکاری آژانس‌های فدرال مختلفی انجام می‌شود. اما در نهایت این مدیریت ناسا است که به تأیید یا رد یک طرح رای می‌دهد. اما اگر یک راکت قرار باشد اورانیوم با غنای بالا را به فضا حمل کند در آن صورت به تأیید رسمی کاخ سفید نیز نیاز خواهد بود. پیچیدگی مربوط به گرفتن اخذ مجوز از بالاترین مقام یک کشور، به‌سادگی می‌تواند چندین سال به برنامه‌ی زمانی و ده‌ها میلیون دلار به بودجه یک برنامه اضافه کند.

اگر راهی برای استفاده نکردن از اورانیوم با غنای بالا پیدا شود، در آن صورت راهی سریع‌تر و ارزان‌تر برای رساندن راکت به سکوی پرتاب پیش روی دانشمندان وجود خواهد داشت. در ‌واقع هم‌اکنون فناوری‌های جدیدی در خصوص رآکتورهای قدرتمندی که به جای سوخت کم با خلوص بالایی از اورانیوم با غنای پایین کار می‌کنند در دست توسعه است، اما این که آیا ناسا در آینده از این راه‌حل برای بلندپروازی‌های هسته‌ای خود استفاده خواهد کرد یا خیر، به‌طور مستقیم به نتیجه‌ی فعالیت‌های یک نهاد دولتی دیگر بستگی دارد.

آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته‌ی دفاعی، به اختصار دارپا (DARPA)، قصد دارد تا سال ۲۰۲۵ اولین نمونه از رآکتورهای جدید را برای آزمایش کارایی سیستم‌های پیش‌رانش هسته‌ای به فضا پرتاب کند. این زمان‌بندی حتی بر‌ اساس معیار مأموریت‌های آپولو، بسیار تهاجمی است. دارپا این سیستم را دراکو نام‌گذاری کرده است. این برنامه به دلیل نیاز وزارت دفاع ایالات متحده برای ارتقای قابلیت مانور فضایی برخی از مأموریت‌های طبقه‌بندی خود، سریع‌تر از آن‌چه یک پیشران شیمیایی می‌تواند انجام دهد، در دستور کار قرار گرفته است. بنابراین شاید بتوان منشأ پیدایش برنامه‌ی دراکو را از لحاظ اخلاقی مورد پرسش قرار داد.

اما ایده‌پردازی‌های دور و دراز دارپا با برنامه‌ی دراکو دو وجه دارد، این آژانس سعی دارد با توسعه‌ی نوع جدیدی از رآکتور و به حداقل رساندن تعداد آزمایش‌های زمینی و در‌ نتیجه با دور زدن نیاز به اخذ مجوز از دفتر ریاست جمهوری ایالات متحده و تشریفات ملال‌آور آزمایش‌های زمینی ناشی از آن، دراکو را سریع‌تر به سکوی پرتاب برساند. اتخاد چنین سیاست جسورانه‌ای از سوی دارپا به این دلیل است که انجام چنین آزمایش‌هایی به دلیل ماهیّت منع‌کننده‌ی مقررات و نبود زیرساخت‌های کافی تقریباً غیرممکن است.

نمی‌توان به‌سادگی امکانات و تجهیزات مخصوص آزمایش برنامه‌ی نروا را برای طرح‌های جدید به‌روزرسانی کرد؛ زیرا بسیاری از زیرساخت‌ها هم‌زمان با کنار گذاشتن پروژه‌ی نروا، رها شده یا اینکه به کلی تخریب شدند. از طرف دیگر ساخت زیرساخت‌های جدید نیز طرفداران زیادی ندارد؛ زیرا این کار هم به بودجه‌ی چند میلیارد دلاری نیاز دارد، هم این که چنیدین سال به برنامه‌ی زمان‌بندی پرتاب اضافه می‌کند و همین موضوع می‌تواند آینده‌ی برنامه را با خطر مواجه کند، چون ممکن است در این حین به دلیل تغییر اولویت‌های سیاسی بودجه پروژه قطع شود. البته طبق برنامه‌ها‌‌ی دارپا قطعات کوچک‌تر دراکو پیش از پرتاب در زمین تحت آزمایش‌های سختگیرانه‌ای قرار می‌گیرند، اما هیچ‌گاه پیش از پرتاب تمام رآکتور با تمام قدرت آزمایش نخواهد شد. نکته‌ی شگفت‌انگیز این است که شروع به کار رآکتور دراکو با تمام قدرت، برای اولین در فضا روی خواهد داد.

تابیتا دادسون، مدیر پرژوه‌ی دراکو در دارپا می‌گوید:

فرایند راه‌اندازی رآکتور تا حد زیادی تنها براساس پیش‌‌بینی‌های ما خواهد بود. ما باید تعداد زیادی فرضیه‌ها و پیش‌بینی‌ها را در شبیه‌سازی‌ها و مدل‌سازی رآکتور پیش از پرتاب موتور مد نظر قرار دهیم چراکه موتور هیچ‌گاه آزمایش نخواهد شد.

دادسون می‌گوید داده‌های مربوط به برنامه‌ی نروا می‌تواند به آن‌ها کمک کند، اما کاری که پیش روی او و همکارانش در سازمان دارپا است، بسیار چالش‌برانگیز خواهد بود.

ناتان گرینر، افسر نیروی هوایی ایالات متحده و یکی دیگر از مدیران پروژه‌ در سازمان دارپا متعتقد است که نیم قرن بعد از شروع و توقف‌های متعدد، پرتاب رآکتورهای هسته‌ای به فضا باید به سرانجام برسد. او می‌گوید:

بیایید این برنامه را به خط پایان برسانیم، نه فقط بخش‌های کوچک، نه فقط راه‌اندازی رآکتور روی زمین، نه، به‌طور جدی و مشخص بیایید یک فضاپیمای اتمی بسازیم و به فضا بفرستیم.

گرینر توضیح می‌دهد که فرستادن اولین رآکتور به فضا و نشان دادن درستی عملکرد پیشران‌های هسته‌ای می‌تواند راه را برای ناسا و وزارت دفاع برای گرفتن بودجه از کنگره به منظور توسعه‌ی برنامه‌های هسته‌ای خود هموار کند. او تصریح می‌کند:

در آینده پرسش پیرامون اینکه آیا چنین فناوری وجود دارد یا خیر، مطرح نخواهد بود؛ بلکه سؤال این خواهد بود آیا شما استفاده‌ی بیشتری از این فناوری می‌خواهید؟

نگاه جدی به موضوع پیشرانه‌‌های هسته‌ ای

واضح است که دارپا به تنهایی نمی‌تواند در صنعت پروازهای فضایی یک انقلاب بزرگ ایجاد کند. استفاده از پیشران‌های هسته‌ای برای اکتشافات فضایی نیاز به تلاش و همکاری تمام بخش‌های دولت فدرال دارد. وزارت انرژی باید اورانیوم با خلوص پایین را برای مأموریت‌ تأمین کند، یک سازمان دیگر یا شاید چند سازمان با همکاری یکدیگر باید انبارهای سوخت مداری برای ذخیره مواد مافوق سرد پیشران در مدار زمین به منظور استفاده در مأموریت‌های ناسا به مریخ را طراحی و تولید کنند. همچنین این سازمان‌ها باید راه ایمن‌تر و کم‌‌هزینه‌تری برای انجام آزمایش‌های زمینی سیستم‌های پیشران در مقیاس بین سیاره‌ای طراحی کنند. در نهایت خود ناسا باید راکت را بسازد.

گرینر می‌گوید:

دارپا قرار نیست ناسا و فضانوردانش را به مریخ ببرد اما بخش زیادی از راه را همراه آنان خواهد بود.

امروزه هیچ‌چیز به اندازه‌ی تلاش برای توسعه‌ی ابزارهای استفاده از انرژی هسته‌ای در فضا نمی‌تواند جدیت آژانس فضایی ناسا و البته کشور ایالات متحده را در دنبال کردن جاه‌طلبی‌هایش در ماه و مریخ را محک بزند. در تاریخ فضانوردی، ناسا همواره تمایل غیرعادی برای استفاده از تکنولوژی‌های جدید و به تبع آن به جان خریدن خطرها جدید داشته است، اما در این مورد، استفاده از روش‌ قدیمی می‌تواند تلاش‌های متهورانه‌ی بشر برای قدم گذاشتن در سیاره‌ای غیر از زمین را با موانع بیشتری مواجه کند.

با وجود تمام خطرهایی که استفاده از پیشران‌های هسته‌ای برای قدم گذاشتن در افق‌های جدید به همراه دارد، اما به سختی می‌توان استفاده از روش‌ مطمئن‌تر و از لحاظ فیزیکی و سیاسی کم‌خطرتر پیشران‌های شیمیایی را توجیه کرد. فرستادن محموله‌هایی با جرم ۱۰ برابر جرم ایستگاه فضایی توسط پرتاب ۲۷ راکت فوق‌سنگین تنها به منظور رساندن سوخت به مدار زمین برای تنها یک مأموریت مریخ، پیشرفت برنامه‌های ناسا را کند خواهد کرد،.

اگر ناسا این مأموریت را با راکت‌های SLS انجام دهد باید خود را برای بیش از ۴۰ پرتاب با هزینه‌ی حداقل ۸۰ میلیارد دلار آماده کند. برآورد این رقم‌ها در صورتی است که همه چیز به خوبی پیش برود. انجام عملیات نجات برای مریخ‌نوردان به خطر افتاده در سیاره سرخ مستلزم پرتاب‌های سوختی بیشتری خواهد بود، همچنین پیشران‌های شیمیایی از لحاظ موقعیت مداری زمین و مریخ پنجره‌های پرتابی کم‌تری برای انجام مأموریت‌های نجات در‌ اختیار می‌گذارند، موضوعی که می‌تواند جان فضاوردان را به خطر بیندازد و احتمال شکست مأموریت در صورت بروز یک رخداد پیش‌بینی‌نشده را بالا ببرد.

اگر با استفاده از یک فناوری بتوان تعداد پرتاب‌های پرشمار و پرهزینه را به سه پرتاب کاهش داد و هم‌زمان فرصت‌های سفر به مریخ و برگشت به زمین را افزایش داد، چگونه ممکن است یک آژانس فضایی باسابقه که این چنین مشتاقانه به‌دنبال بلندپروازی‌های خود است از این فناوری چشم‌پوشی کند؟ نیازی نیست معجزه‌ای اتفاق بیفتد. قانون‌گذاران و بودجه‌نویسان هم‌نظرند که زمان انجام این کار فرا رسیده است.

همان‌طور که پولیاکوف گفت ما می‌توانیم به مریخ پرواز کنیم و به نظر می‌رسد امن‌ترین راه برای انجام این سفر، شکافتن اتم‌ها باشد.