تعد مركبة المثابرة التابعة لناسا أول مركبة فضائية تحمل بلوتونيوم أمريكي جديد منذ سنوات. لن يكون الأخير.

روفر المثابرة

المولد الكهروحراري للنظائر المشعة متعدد المهام القائم على البلوتونيوم ، أو MMRTG ، مصدر الطاقة. (مصدر الصورة: وزارة الطاقة)





في أعماق بعض أكثر مسابر الفضاء احترامًا لناسا ، تكمن القلوب المليئة بالبلوتونيوم التي تنبض لتدفئة الروبوتات وقوتها ، والتي تشمل المركبة الفضائية التوأم فوييجر ، كاسيني قبل أن تغرق في حلقات زحل ونيو هورايزونز وهي تتجول عبر أنقاض حزام كايبر.

لكن في أعقاب الحرب الباردة ، توقفت الولايات المتحدة عن إنتاج البلوتونيوم الخاص بها. لفترة من الوقت ، كان بإمكان ناسا تشغيل مهامها فقط على البلوتونيوم الموجود أو المستورد. ولكن بفضل التغيير في شراكة وكالة الفضاء مع وزارة الطاقة ، الصيف الماضي ، غادر البلوتونيوم الأمريكي الجديد الأرض مرة أخرى داخل كوكب المريخ التابع لناسا. روفر المثابرة - والمزيد من المهمات ستفعل ذلك في السنوات القادمة. وبالنسبة للعلماء الذين يركزون على النظام الشمسي الخارجي ، هذا أمر حيوي.

قالت أبيجيل ريمر ، عالمة فيزياء الفضاء في مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز في ماريلاند وعضو مجموعة تقييم الكواكب الخارجية التي تقدم المشورة لوكالة ناسا: `` إن رحلتنا إلى الاكتشاف تتطلب منا أن نكون قادرين على تحرير أنفسنا من نظامنا الشمسي ''. موقع guesswhozoo.com. نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على أخذ منزلنا معنا ؛ يجب ألا يعتمد مصدر الطاقة لدينا على نجمنا. كلما ابتعدنا ، كلما أصبح ذلك أكثر صحة.



متعلق ب: إلى أين بعد ذلك في النظام الشمسي الخارجي؟ العلماء لديهم أفكار كبيرة لاستكشاف الأقمار الجليدية والمزيد.

لا يوجد سوى عدد قليل من الطرق المألوفة والموثوقة لتشغيل مركبة فضائية ؛ البلوتونيوم وأشعة الشمس هي الخيارات الأكثر شيوعًا. لكن عندما يتحرك المسبار بعيدًا في النظام الشمسي وبعيدًا عن الشمس ، يفقد ضوء الشمس قوته بسرعة: فمركبة جونو الفضائية التابعة لناسا والتي تدور حاليًا حول كوكب المشتري ، على سبيل المثال ، تطلبت تقدمًا في تكنولوجيا الطاقة الشمسية للبقاء على قيد الحياة بدون التكنولوجيا النووية ، على حد قول ريمر.

لذا ، إذا كنت ترغب في إرسال مركبة فضائية إلى الكواكب العملاقة في نظامنا الشمسي وما وراءها ، أو إلى أماكن مظلمة أخرى مثل مناطق مظلمة بشكل دائم في أعماق الفوهات بالقرب من قطبي القمر ، من المحتمل أنك تريد طاقة نووية. هذا التفضيل لا يتعلق فقط بضوء الشمس ؛ تساعد الطاقة النووية أيضًا المركبات الفضائية في مواجهة تهديدات مثل درجات الحرارة المنخفضة والإشعاع المرتفع.



قال جون زاكراجسيك ، مدير برنامج أنظمة الطاقة بالنظائر المشعة (RPS) في وكالة ناسا: في مركز جلين للأبحاث في أوهايو ، لموقع ProfoundSpace.org. 'إنها الموثوقية وتلك الأنواع من العوامل التي تعتبر مهمة حقًا لمهامنا ، ولا يمكننا القيام ببعض المهام بدونها.'

ستكون مركبة ناسا القادمة التي تعمل بالبلوتونيوم هي المركبة الفضائية اليعسوب مهمة الطائرات العمودية ، التي انطلقت في عام 2027 إلى تيتان ، قمر زحل الغريب ، والتي ناسا تقول يتلقى حوالي 1٪ من ضوء الشمس الذي تستقبله الأرض. وقال زكراجسيك إنه بسبب مصدر الطاقة النووية لدراجون فلاي ، من المحتمل أن تتجمد المركبة الفضائية حتى الموت في المناظر الطبيعية للميثان السائل والمنحدرات الجليدية الشاهقة قبل نفاد طاقتها بوقت طويل.

ينتمي اليعسوب إلى فئة من مهام ناسا يطلق عليها اسم آفاق جديدة ، وهي فئة أكثر طموحًا للوكالة من مقترحات بعثات علوم الكواكب التي تقبلها ناسا من علماء خارج مراكزها. حقيقة أن وكالة ناسا اعتبرت Dragonfly - ناهيك عن اختيارها - تشير إلى تقدم الوكالة في العمل مع وزارة الطاقة لزيادة إمداد البلوتونيوم المتاح لمصممي البعثات.



فنان

رسم فنان لمهمة دراجونفلاي التابعة لوكالة ناسا على سطح قمر زحل تيتان.(رصيد الصورة: NASA / Johns Hopkins APL)

قال زكراجسيك في حملة الاختيار لمهمة New Frontiers السابقة ، أن ناسا نصت على أن المركبة الفضائية يجب أن تعمل بدون طاقة نووية ، لأن الوكالة لم تكن متأكدة من أن الشراكة سيكون لديها ما يكفي من البلوتونيوم لتزويد مهمة جديدة. (ال أوزيريس ريكس تم اختيار مهمة لأخذ عينات من الكويكب القريب من الأرض بينو خلال تلك الجولة).

ووصف زكراجسك توافر الوقود للاختيار الأحدث بأنه 'صفقة كبيرة'. وقالت: 'حقيقة أننا لم نعد نتخذ قرارات تحد من المهمة بعد الآن بناءً على أنظمة طاقة النظائر المشعة [RPS] مهمة'. 'يبدو أنه يجعل العلماء أكثر سعادة قليلاً.'

وقالت إن الانتقال يرجع جزئيًا إلى قرار ناسا بإجراء تقييم سنوي لاحتياجاتها من البلوتونيوم للعقد القادم ، مما يمنح الشراكة مزيدًا من الاستعداد لضمان الإمداد الضروري. ويرجع ذلك أيضًا إلى قرار وزارة الطاقة لإنتاج بلوتونيوم المركبات الفضائية بمعدل ثابت - وهو تغيير صارخ عن العملية السابقة.

قال تريسي بيشوب ، نائب مساعد وزير الخارجية لبرامج البنية التحتية النووية في وزارة الطاقة ، لموقع guesswhozoo.com: `` ستقترب ناسا من القسم وتعلمنا ، 'مرحبًا ، لدينا مهمة قادمة' '. سنقوم بسحب المعدات من وضع الاستعداد ، ونذهب ونقوم بتعيين موظفين جدد ، وإعادة تأهيل المعدات والعمليات ، وتصنيع الوقود ، ودعم تطوير RPSs - وبمجرد انتهاء المهمة ، سنقوم بإلغاء القدرات ووضعها في وضع الاستعداد البارد حتى الإضافة التالية.

تم تصميم هذا النظام جزئيًا لأن مركبة الفضاء التابعة لناسا هي الاستخدام الوحيد لوزارة الطاقة لهذه المادة بالذات ، وهو أكسيد البلوتونيوم المدبلج أيضًا البلوتونيوم 238 . وقد لا تكون المركبات الفضائية هي ما يعتقده أي شخص أولاً عندما يُسأل عن البلوتونيوم. قال ريمر: 'إن استخدامنا هو إلى حد بعيد الأقل شهرة بين الأشياء التي يستخدم فيها البلوتونيوم'. (يشتمل البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة والمفاعلات النووية على نيوترون إضافي مقارنةً بصنف الرحلات الفضائية).

لكن في عام 2017 ، قررت وكالة ناسا ووزارة الطاقة أن عملية التوقف والانطلاق كانت محفوفة بالمخاطر للغاية بالنسبة للمركبة الفضائية التي لا يمكن إطلاقها بدون البلوتونيوم 238. قال بيشوب إنه مع نظام الإنتاج الثابت الجديد ، تأمل الوكالة في تقليص ما يصل إلى عامين من الجدول الزمني للإنتاج ، والذي قد يستمر حتى عقد من الزمان.

متعلق ب: لماذا ستستخدم مركبة المريخ المثابرة التابعة لناسا الطاقة النووية لتدفئة نفسها

ناسا

مركبة المثابرة التابعة لوكالة ناسا أثناء الاستعدادات للإطلاق ، مع عرض مساحة لمصدر الطاقة النووية للمركبة.(رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech)

يتحدث البلوتونيوم الموجود على متن عربة المثابرة عن تأثير هذا النهج الجديد. لم تخطط وزارة الطاقة لتزويد تلك المركبة الفضائية بالوقود. لكن أول بلوتونيوم من عملية الإنتاج الجديدة كان جاهزًا ويحتاج إلى تقييم على أي حال ، لذلك بمجرد أن قررت الوكالة أنه يلبي متطلبات ناسا ، قرر مسؤولو البرنامج المضي قدمًا والانتهاء من إعداد المواد قبل عامين من الموعد المحدد لاختبار الأنظمة ، قال المطران. وأشارت إلى أن نجاح المشروع زاد من ثقة وزارة الطاقة في أنه يمكن أن يفي باحتياجات ناسا من الوقود في المستقبل.

قالت: `` من السهل حقًا قلب القرص قليلاً إذا تغير إسقاط المهمة ، مقابل إيقاف الاتصال الهاتفي والآن عليك تشغيله وانتظر حتى يسخن ويتراكم في العملية ''. 'الآن هو أكثر من ضبط.'

قال زاكراجسيك إنه بينما تكثف وزارة الطاقة إنتاج البلوتونيوم ، تعمل ناسا على تطوير الجيل التالي من أنظمة الطاقة التي ستحتفظ بهذا البلوتونيوم ، مع تركيز العمل على نهجين مختلفين.

واحد ، يسمى مصدر طاقة النظائر المشعة الديناميكي ، يمكن أن يكون أكثر كفاءة بثلاث أو أربع مرات من المعيار الحالي ، المولد الكهروحراري للنظائر المشعة متعدد المهام (MMRTG). ومع ذلك ، فإن النظام الديناميكي صعب لأنه ، كما يوحي الاسم ، يشتمل على أجزاء متحركة.

قال زكراجسيك: 'الفضاء صعب ، ومن الصعب حقًا على الأنظمة التي تتحرك'. وأشارت إلى أن ناسا تعمل حاليًا على تصميم مثل هذا النظام ، والذي من المحتمل أن يكون جاهزًا لرحلة تجريبية على القمر قرب نهاية العقد.

يعتمد النهج الثاني على إرث ناسا الخاص ، والذي يرتكز على أنظمة الطاقة النووية الأولى للمركبة الفضائية. سيكون هذا النظام نسخة محسّنة وأكثر كفاءة من وحدات RTG ذات المصدر الحراري للأغراض العامة (GPHS) التي طارت على Galileo و Cassini و New Horizons. قال زكراجيك إن هذا النوع من مصادر الطاقة سيكون جذابًا بشكل خاص للبعثات الأكبر المتجهة إلى نبتون أو أورانوس.

تُظهر مجموعة من الصور كيف ربما ظهر نبتون وأكبر أقماره تريتون للمركبة الفضائية فوييجر 2 التي تقترب في عام 1989.

تُظهر مجموعة من الصور كيف ربما ظهر نبتون وأكبر أقماره تريتون للمركبة الفضائية فوييجر 2 التي تقترب في عام 1989.(رصيد الصورة: ناسا)

من قبيل الصدفة ، قاد ريمر فريقًا يستكشف كيف يمكن أن تدرس مثل هذه المهمة الافتراضية نبتون وأكبر قمر لها ، تريتون. ووصفت العملية الصعبة المتمثلة في محاولة 'حلق كل واط وغرام يمكننا' من الأجهزة لمواجهة قيود فرص الإطلاق وإمدادات الطاقة دون التضحية بالأهداف العلمية.

وقالت: 'إنه جهد هائل لأنه من الأشياء التي يمكننا التحكم فيها'. تخبرك الفيزياء بمدى القوة التي تحتاجها للبقاء على قيد الحياة للوصول إلى هدفك ، لكن لدينا علماء ومهندسين يمكنهم بالفعل تحسين مقدار القوة التي تحتاجها لاستخدامها عند الوصول إلى هناك ، لذلك نحن نركز على ذلك كثيرًا.

استنادًا إلى جداول الإنتاج الحالية ، إذا كانت المركبة الفضائية السابقة الوحيدة التي استخدمت الطاقة النووية هي مهمة Dragonfly ، فسيكون هناك - بالكاد - ما يكفي من البلوتونيوم لتشغيل مهمة Neptune / Triton الافتراضية.

ومع ذلك ، هناك احتمال أن تنضم مهمة أخرى إلى قائمة الانتظار. ستعلن ناسا قريبًا أيًا من أربعة من المتأهلين للتصفيات النهائية لقد اختارت في الأصغر فئة الاكتشاف من البعثات. (يتضمن هذا البرنامج مركبة فضائية مثل Lunar Reconnaissance Orbiter ومركبة الهبوط الجيولوجية للمريخ InSight ، بالإضافة إلى مهمات الكويكبات المستقبلية Lucy و Psyche.)

أحد المتسابقين الأربعة النهائيين ، ترايدنت ، سوف يستكشف تريتون - وسيعتمد على وحدتين للطاقة النووية. هناك احتمالات ، إذا تم تحديد هذه المهمة ، فإن ناسا ستتخطى فكرة أكبر لنبتون / تريتون لتجنب العمل العلمي المكرر ، ولكن هناك الكثير من العوالم البعيدة الأخرى التي تستحق الاستكشاف. ويشير شبح النقص المستمر إلى القيود التي لا يزال يتعين على العلماء وجودها في عقولهم عند التفكير في المركبات الفضائية المستقبلية.

إنه مجرد هذا القيد الذي تأمل ناسا أن تزيله الشراكة المعاد تجهيزها مع وزارة الطاقة.

قال ريمر: 'إذا كان البلوتونيوم يُنتج باستمرار طوال الوقت ، لكان لدينا مخزونًا كبيرًا منه'. 'آمل أن يكون هذا هو الوضع الذي سنكون فيه في غضون سنوات ليست كثيرة.'

أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى ميغان بارتلز على mbartels@guesswhozoo.com أو تابعها على Twittermeghanbartels. تابعنا على TwitterSpacedotcom وعلى Facebook.