محركات الانصهار المغناطيسي يمكن أن تنقلنا عبر النظام الشمسي وإلى الفضاء بين النجوم

مهمات إلى القمر، ومهام إلى المريخ، ومستكشفون آليون إلى النظام الشمسي الخارجي، ومهمة إلى أقرب نجم، وربما حتى مركبة فضائية لمطاردة الأجسام بين النجوم التي تمر عبر نظامنا. إذا كنت تعتقد أن هذا يبدو وكأنه وصف لعصر استكشاف الفضاء القادم، فستكون على صواب.

في هذا الوقت، هناك خطط واقتراحات متعددة للمهام التي سترسل رواد الفضاء و / أو الأجهزة الاستكشافية إلى جميع هذه الوجهات لإجراء بعض أهم الأبحاث العلمية الرابحة على الإطلاق. بالطبع، تثير مثل هذه الملامح التحديات بجميع أنواعها، وليس الأقل منها هو الدفع.

ببساطة، البشرية تقترب من حدود ما يمكن أن تفعله الدفع التقليدي (الكيميائي). لإرسال مهام إلى المريخ ووجهات الفضاء البعيدة الأخرى، تتطلب التكنولوجيات المتقدمة للدفع التي تقدم تسارعًا عاليًا (ديلتا – في) وسرعة نوعية عالية (آي إس بي) وكفاءة وقود.

في ورقة بحثية حديثة، يقترح البروفيسور فلوريان نويكارت من جامعة ليدن كيف يمكن أن تعتمد المهام المستقبلية على مفهوم دفع جديد يعرف بمحرك الانصهار المغناطيسي للبلازما (MFPD). يجمع هذا الجهاز بين جوانب من طرق الدفع المختلفة لإنشاء نظام يقدم كثافة طاقية عالية وكفاءة وقود تفوق بشكل كبير الطرق التقليدية. تم نشر الورقة على خادم ما قبل النشر arXiv.

فلوريان نويكارت هو أستاذ مساعد في معهد علوم الحاسوب المتقدمة في جامعة ليدن وعضو مجلس إدارة شركة تيرا كوانتوم السويسرية لتطوير تكنولوجيا الكم. تُراجع حاليًا نسخة ما قبل النشر من ورقته للنشر. وفقًا لنويكارت، تعتبر التكنولوجيات التي يمكنها التغلب على الدفع الكيميائي التقليدي (CCP) أمرًا بالغ الأهمية في العصر الحالي لاستكشاف الفضاء. على وجه الخصوص، يجب أن تقدم هذه التقنيات كفاءة أكبر من حيث الطاقة وسرعة الدفع والقدرة على القيام بمهام طويلة الأمد.

هذا صحيح بشكل خاص للمهام الموجهة إلى المريخ والوجهات الأخرى خارج نظام الأرض والتي تشكل مخاطر جادة بالنسبة لصحة وسلامة ورفاهية الرواد. حتى عندما تكون الأرض والمريخ على أقرب تقدير لهما كل 26 شهرًا (معارضة المريخ)، يمكن أن يستغرق التنقل إلى الكوكب مدة تصل إلى تسعة أشهر في اتجاه واحد.

بالاقتران مع العمليات على السطح التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى عام والرحلة العودة التي يمكن أن تستغرق تسعة أشهر أخرى، يمكن أن تستمر المهام إلى المريخ لمدة تصل إلى 900 يوم. خلال هذا الوقت، ستتعرض الرواد لمستويات مرتفعة من الإشعاع الكوني والشمسي، ناهيك عن الآثار التي ستتركها الفترات الطويلة التي يمضونها في الجاذبية الصغرى على أجسامهم.

لذلك، تبحث وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى بنشاط في وسائل دفع بديلة. كما هو مشدد عليه في مقال سابق، “كم من الوقت سيستغرق الوصول إلى أقرب نجم؟”، يُعتبر هذه المفاهيم أيضًا وسيلة محتملة لتحقيق السفر بين النجوم منذ عقود.

تشمل هذه المفاهيم مفاهيم فعالة من حيث استهلاك الوقود مثل الدفع الكهربائي أو الدفع الأيوني، الذي يستخدم الحقول الكهرومغناطيسية لأيونة وقود غير نشط (مثل غاز الزينون) وتسريعه من خلال الفوهات لتوليد دفع. ومع ذلك، هذه المفاهيم عمومًا تنتج دفعًا منخفضًا ويجب أن تعتمد على مصادر طاقة ثقيلة (ألواح شمسية أو مفاعلات نووية) لتوليد المزيد.

أشرعة شمسية هي خيار آخر يمكن أن تولد تسارعًا مستمرًا دون الحاجة إلى وقود (مما يوفر على الكتلة). ومع ذلك، تقتصر المهام المجهزة بهذه التقنية من حيث الدفع ويجب أن تعمل بالقرب من الشمس. فكرة أخرى هي استخدام ألواح ليزرية ذات طاقة غيغاوات (جيجاوات) لتسريع المركبات الفضائية المجهزة بالأشرعة إلى سرعات نسبية (جزء من سرعة الضوء). ومع ذلك، تتطلب هذه الفكرة بنية تحتية باهظة التكلفة وكميات هائلة من الطاقة لتكون ممكنة.

مفهوم آخر شائع هو الدفع الحراري النووي (NTP)، الذي تقوم ناسا ووكالة داربا حاليًا بتطويره في شكل صاروخ العرض للعمليات السلونية القوية (DRACO). يعتمد هذا الأسلوب على مفاعل نووي لتسخين الوقود (مثل الهيدروجين السائل)، مما يتسبب في تمدده من خلال الفوهات لتوليد الدفع. تشمل فوائد NTP كثافة طاقية عالية جدًا وتسارع كبير، لكنها تأتي أيضًا مع تحديات تقنية وسلامة عديدة تتعلق بمعالجة وإطلاق المواد النووية.

هناك أيضًا مفاهيم للدفع تستفيد من تفاعلات الانصهار، مثل تفاعلات الديوتيريوم – التريتيوم (D-T) وتفاعلات الديوتيريوم – هيدروجين ثلاثة (D-He3)، شيء تعمل عليه العلماء النظريين منذ عقود. تقدم هذه الأساليب إمكانية الحصول على دفع عالٍ وسرعة نوعية مفرطة، ولكنها تواجه أيضًا تحديات تقنية، من ضمنها التعامل مع الوقود الضروري وتحقيق تفاعلات الانصهار المستدامة والمسيطر عليها.

هناك أيضًا مفاهيم أكثر غرابة، مثل الدفع بالمضادات ومحرك الانتقال الزمني ألكوبييري، ولكن لن يكون أي من هذه متاحًا في المستقبل المنظور. وهناك اقتراح نويكارت، الذي يجمع بين عناصر الدفع بالانصهار والدفع الأيوني ومفاهيم أخرى. كما شرح لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
“MFPD هو نظام دفع لاستكشاف الفضاء، يستخدم تفاعلا الانصهار النووي المتحكمة كمصدر طاقة رئيسي للدفع وإمكانية توليد الطاقة الكهربائية المحتملة على حد سواء. يعتمد النظام على استغلال الإخراج الهائل لتفاعلات الانصهار، والتي تشمل عادة نواة هيدروجينية أو هيليومية، لإنتاج نفاث ذو سرعة عالية للجزيئات، مما يولد دفعًا وفقًا لقانون نيوتن الثالث.

يتم الحفاظ على البلازما من تفاعلات الانصهار وتوجيهها باستخدام الحقول المغناطيسية، مما يضمن إطلاق الطاقة المتحكم فيه والاتجاه. في الوقت نفسه، يتصور مفهوم MFPD إمكانية تحويل جزء من طاقة الانصهار إلى طاقة كهربائية لدعم أنظمة المركبة وربما نظام التحكم في التفاعل على متن المركبة.”

لتطوير هذا المفهوم، بدأ نويكارت بتفاعلات الانصهار الديوتيريوم – التريتيوم (D-T) نظرًا لأنها واحدة من أكثر التفاعلات بحثًا وفهمًا وتقدمًا وتقدم أساسًا واضحًا ومألوفًا لشرح المبادئ والميكانيكا الأساسية لنظام MFPD.

علاوة على ذلك، أضاف نويكارت، تتميز تفاعلات D-T بدرجات حرارة اشتعال منخفضة نسبيًا ومقطع نسبي أعلى من مفاعلات أخرى، مما يجعلها نقطة بداية جيدة. وبالتالي، فهي توفر مقياسًا مفيدًا لقياس ومقارنة أداء هذا النظام النظري للدفع.

ومع ذلك، الهدف النهائي لنظام MFPD هو الاستفادة من التفاعلات النووية الخالية من النيترونات (p-B11)، حيث يتم نقل جزء قليل جدًا من الطاقة التي تفرج عنها التفاعلات عبر النيترونات. بالمقابل، تفرج التفاعلات الخالية من النيترونات عن الطاقة في شكل جسيمات مشحونة (عادة بروتونات أو جسيمات ألفا)، مما يقلل بشكل كبير من مستوى الإشعاع النيتروني المنتج.

تظهر مزايا هذا النظام بوضوح، حيث يجمع بين سرعة نوعية عالية وكثافة طاقية هائلة ويوفر كل من الدفع والطاقة من مصدر طاقة واحد. وقال نويكارت إن منافع أخرى تشمل ما يلي:

1. سرعة نوعية عالية: يمكن لنظام MFPD توفير سرعة نوعية عالية، مما يوفر تغييرًا كبيرًا في السرعة (ديلتا في) للمركبة، مما يسهل المهام إلى الكواكب البعيدة.
2. وقود طاقية: وقود الانصهار، مثل نظائر الهيدروجين، يتميز بكثافة طاقية هائلة، مما يمكن من تنفيذ مهام ممتدة دون الحاجة إلى كميات كبيرة من الوقود.
3. نسب كتلة أقل: يمكن تصميم المركبة بنسب كتلة أقل مخصصة لتخزين الوقود، مما يتيح تخصيص كتلة أكبر لأجهزة القياس العلمية أو التكنولوجيات الإضافية.
4. استخدام مزدوج: نظام MFPD ليس فقط نظام دفع، بل يتصور أيضًا أنه يمكن أن يوفر الطاقة الكهربائية لأنظمة المركبة والأجهزة، وهو أمر حاسم للمهام طويلة الأمد.
5. قابلية التكيف: إمكانية ضبط الدفع وسرعة الدفع النوعية، مما يوفر المرونة لمراحل المهمة المختلفة، مثل التسارع والسفر والتباطؤ.
6. انخفاض وقت السفر: قد يقلل الدفع المستمر بسرعة عالية بشكل كبير من أوقات الانتقال إلى الوجهات البعيدة، مما يقلل من مخاطر التعرض للإشعاع الكوني وإدارة الموارد على متن المركبة.
7. درع الإشعاع: على الرغم من التحديات، يمكن تصميم الهياكل المغناطيسية والفيزيائية الكامنة لتوفير مستوى معين من الحماية من الإشعاع للمركبة والطاقم، باستخدام البلازما والحقول المغناطيسية.
8. استقلالية عن قرب الشمس: على عكس الأشرعة الشمسية أو الدفع الكهربائي بالطاقة الشمسية، لا يعتمد نظام MFPD على الاقتراب من الشمس؛ لذا فهو قابل للتنفيذ للمهام إلى النظام الشمسي الخارجي وما بعده.
9. تقليل مخاطر التلوث النووي: بالمقارنة مع مفاهيم الدفع الحراري النووي أو الدفع الكهربائي بالتشقق، يمكن تصميم نظام MFPD لتقليل مخاطر التلوث الإشعاعي، نظرًا لأن الانصهار، بشكل عام، يتطلب مواد نووية أقل ويسمح بإغلاق مفاعل أكثر أمانًا.

بالنسبة للآثار التي يمكن أن يكون لهذا النظام على استكشاف الفضاء، أكد نويكارت على القدرة على عبور المسافات الكونية الواسعة في إطار زمني مخفض، مما يوسع الملامح المهمة (مرور سريع إلى كواكب أخرى في النظام الشمسي ومهام بين النجوم)، ويخفف من مخاطر المهام الفضائية طويلة الأمد (تعرض للإشعاع والجاذبية الصغرى)، ويقوم بثورة في تصميم المركبات الفضائية من خلال توفير الدفع والطاقة الكهربائية معًا، ويعزز إمكانيات الاستكشاف البشري.

وبالإضافة إلى ذلك، يرى أيضًا الإمكانية لتقديم مزايا فنية في مجال علم المواد وفيزياء البلازما وإنتاج الطاقة يمكن أن تجد تطبيقاتًا هنا على الأرض. يمكن أن تعزز تطوير هذا النظام أيضًا التعاونات الدولية، مجمعة الخبرات والموارد من مجموعات متعددة لتحقيق أهداف استكشاف مشتركة.

بالطبع، لن يكتمل أي مقترح لتكنولوجيا الجيل القادم بدون بعض النقاط الدقيقة والإضافات. على سبيل المثال، قال نويكارت إن التحدي الرئيسي للدفع بنظام MFPD يكمن في تحقيق والحفاظ على التفاعلات الانصهار المستقرة في الفضاء.

على الأرض، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا فيما يتعلق بالاحتجاز المغناطيسي (MCF) والانحشار الحراري للانصهار (ICF). الأول يشمل مفاعلات توكاموك باستخدام حقول مغناطيسية لاحتجاز الانصهار على شكل بلازما، بينما الأخير يعتمد على الليزر لضغط وتسخين أقراص من وقود D-T.

ومع ذلك، لم يتم إجراء تجارب مماثلة في الفضاء، مما يثير تساؤلات حول كيفية التعامل مع الحرارة الناجمة عن التفاعلات، والإشعاع الناتج عنها، والآثار الهيكلية على المركبة. ومع ذلك، بالفعل بدأت عمليات الاختبار النووية في الفضاء (المظهري DRACO المذكور أعلاه).

نظرًا لفوائد الدفع بالانصهار، فمن غير المرجح أن يظل على رسم الصف وقتًا طويلاً. في النهاية، يقول نويكارت إن البحث في MFPD يهدف إلى وضع مسار يقود إلى الاستكشاف بين الكواكب و(في يوم من الأيام) استكشاف بين النجوم:

“على الرغم من أن الرحلة لتحقيق مفهوم MFPD ستكون بالتأكيد مرتبطة بتحديات ومعوقات علمية كبيرة، فإن العائد المحتمل هو هائل. تحقيق نظام دفع بالانصهار موثوق وفعال وفعال يمكن أن يعيد تحديد حدود الأهداف التي يمكن تحقيقها، ويدفع البشرية إلى عصر جديد من الاستكشاف والاكتشاف وفهم الكون.”

“الأمل هو أن يزرع هذا البحث الفضول والابتكار والإصرار بين العلماء والمهندسين والمستكشفين في جميع أنحاء العالم، ويوجه الطريق نحو مستقبلنا بين النجوم.”

المصدر : https://phys.org/news/2023-10-magnetic-fusion-plasma-solar-interstellar.html