ناسا از یک پیشرانه‌ی یونی فوق پیشرفته در فضاپیمای سایکی استفاده می‌کند

امیر نیک‌رو

۳ مهر ۱۴۰۰ | ۰۶:۰۱ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۵ دقیقه

ناسا قصد دارد در فضاپیمای «سایکی» که به مقصد سیارکی با همین نام پرتاب خواهد شد، از نسل آینده‌ی پیشرانه‌ی یونی که درخشش آبی سرد دارد، استفاده کند.

ناسا که تجربه‌ی پرواز به سوی سیارک‌های گوناگونی را دارد، سال آینده فضاپیمایی را راهی سیارک ارزشمند «سایکی» (Psyche) خواهد کرد. این بار اما یک تفاوت عمده وجود دارد. زمانی که فضاپیمای سایکی برای حرکت در فضا از پیشرانه‌ی خود استفاده کند، به جای زور بازو بیشتر به مغز خود متکی خواهد بود.

طرحی گرافیکی از فضاپیمای سایکی در فضا
Credit: NASA/JPL-Caltech/ASU

شاید مانند داستان‌های علمی-تخیلی به‌نظر برسد اما انرژی آرام و پربازده الکتریکی، نیرویی را فراهم می‌کند که می‌تواند فضاپیما را تا کمربند اصلی سیارک‌ها میان مریخ و مشتری پیش ببرد و آن را به هدف خود یعنی سیارک سایکی برساند.

این فضاپیما در آگوست ۲۰۲۲ (مرداد ۱۴۰۱) پرتاب خواهد شد و طی سه سال و نیم حدود ۲٫۴ میلیارد کیلومتر را طی می‌کند تا به سیارک سایکی برسد. دانشمندان اعتقاد دارند این سیارک غنی از فلز که ارزش آن بیشتر از اقتصاد جهانی است، ممکن است بخشی از هسته‌ی یک خرده‌سیاره، به‌عنوان واحد اصلی تشکیل‌دهنده‌ی سیاره‌های سنگی اولیه باشد.

بنابراین به‌محض اینکه فضاپیما در مدار سیارک قرار گرفت، تیم مأموریت از ابزارهای علمی برای بررسی آن استفاده خواهد کرد تا اطلاعاتی را درباره‌ی شکل‌گیری سیارات سنگی مانند زمین به‌دست آورد.

مهندسان تلاش می‌کنند پیشرانه‌های یونی را در فضاپیمای سایکی تعبیه کنند.
Credit: NASA/JPL-Caltech

این فضاپیما برای پرتاب و فرار از گرانش زمین بر موشک «فالکون هوی» (Falcon Heacy) اسپیس‌ایکس با موتورهای شیمیایی عظیم سوار می‌شود اما در ادامه‌ی سفر و پس از جدا شدن از پرتابگر به پیشرانه‌ی الکتریکی خورشیدی خود تکیه خواهد داشت.

این نوع از پیشرانش با آرایه‌های خورشیدی بزرگ آغاز می‌شود که نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل و منبع نیروی پیشران‌های فضاپیما را تأمین می‌کنند. این پیشران‌ها با عنوان «پیشرانه‌های هال» (Hall Thrusters) شناخته می‌شوند و فضاپیمای سایکی نخستین وسیله‌ی نقلیه‌ای است که از آن‌ها خارج از مدار ماه استفاده می‌کند.

برای سوخت، فضاپیمای سایکی مخازن پر از زنون (Xenon) را حمل می‌کند که همان گاز خنثی استفاده شده در چراغ‌های جلوی خودروها و همچنین در تلویزیون‌های پلاسما است. چهار پیشرانه‌ی فضاپیما از میدان‌های الکترومغناطیسی برای سرعت بخشیدن و بیرون راندن اتم‌های باردار یا یون‌های زنون استفاده می‌کنند. با رانش یون‌ها نیروی محرکه‌ای ایجاد می‌شود که به‌آرامی سایکی را در فضا جابه‌جا و پرتوهای آبی از زنون یونیزه منتشر می‌کند.

در واقع این رانش بسیار ملایم است و فشاری که ایجاد می‌کند تقریبا به اندازه‌ی چند سکه‌ی کوچک در دست انسان است. اما این میزان برای شتاب‌دهی به سایکی در اعماق فضا کافی است. زیرا هیچ‌گونه نیروی پسای جوی برای جلوگیری از حرکت فضاپیما وجود ندارد و این امکان را خواهد داشت که با استفاده از پیشرانه‌ی یونی به سرعت ۳۲۰ هزار کیلومتر بر ساعت دست یابد.

مهندسان مشغول کار بر روی پیشرانه‌ی هال فضاپیمای سایکی
Credit: NASA/JPL-Caltech

با توجه به اینکه سامانه‌ی پیشران هال بازدهی بالایی دارد، پیشرانه‌های فضاپیمای سایکی می‌توانند سال‌ها بی‌وقفه و بدون تمام شدن سوخت کار کنند. سایکی برای این منظور ۹۲۲ کیلوگرم زنون در مخازن خود حمل خواهد کرد. این در حالی است که طبق برآورد مهندسان، در صورت استفاده از پیشرانه‌های شیمیایی سنتی این مأموریت حدود ۵ برابر این مقدار سوخت نیاز خواهد داشت.

«لیندی الکینز-تانتون» (Lindy Elkins-Tanton) پژوهشگر اصلی مأموریت از دانشگاه آریزونا گفت: «حتی در ابتدا که برای نخستین بار در سال ۲۰۱۲ مأموریت را طراحی می‌کردیم درباره‌ی برنامه‌ی پیشرانه‌ی الکتریکی خورشیدی صحبت کردیم. بدون آن، مأموریت سایکی ممکن نیست و این پیشرانه بخشی از شخصیت مأموریت را شکل می‌دهد. پیشرانه‌ای که برای محاسبه‌ی مسیرها و مدار فضاپیما با استفاده از آن به یک تیم تخصصی نیاز است.»

یک مانور ملایم

سایکی از سکوی پرتاب تاریخی 39A در مرکز فضایی کندی ناسا به سوی فضا خواهد رفت و موشک قدرتمند فالکون هوی آن را در مسیری قرار می‌دهد که ۷ ماه بعد، در می ۲۰۲۳ (اردیبهشت ۱۴۰۲ خورشیدی) برای کمک به حرکتش از گرانش مریخ استفاده خواهد شد. در اوایل سال ۲۰۲۶ پیشرانه‌ها با فعالیت دقیق فضاپیما را به سوی مدار سیارک سایکی هدایت می‌کنند و این روند را تا تعیین مداری دقیق برای کاوش سیاره ادامه می‌دهند.

این کار به این دلیل انجام می‌شود که دانشمندان هنوز اطلاعات جامعی درباره‌ی سایکی ندارند زیرا این سیارک فقط به صورت یک نقطه‌ی کوچک در تلسکوپ دیده می‌شود. رادار زمینی نشان می‌دهد که عرض این سیارک حدود ۲۲۶ کیلومتر است و شکلی سیب‌زمینی دارد اما دانشمندان تا زمانی که به آن نرسند، دقیق نمی‌دانند میدان گرانشی آن چگون عمل خواهد کرد.

پیشرانه‌ی هال در دو حالت خاموش و روشن با انتشار پلاسمای زنون
Credit: NASA/JPL-Caltech

در حالی که این مأموریت تحقیقات علمی خود را در طول ۲۱ ماه انجام می‌دهد، مهندسان ناوبری از پیشرانه‌ی الکتریکی برای حرکت فضاپیما در مدارهایی استفاده می‌کنند تا به‌تدریج فضاپیما را به سایکی نزدیک و نزدیک‌تر کنند.

آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) ناسا در کالیفرنیای جنوبی که مدیریت این مأموریت را برعهده دارد، از یک سیستم پیشران مشابه در مأموریت «دیپ اسپیس ۱» (Deep Space 1) که در سال ۱۹۹۸ پرتاب شد، استفاده کرد. این فضاپیما از کنار یک سیارک و یک دنباله‌دار گذشت و در سال ۲۰۰۱ به پایان مأموریت رسید.

پس از آن مأموریت «دان» (Dawn) یا «سپیده‌دم» بود که از پیشرانه‌ی الکتریکی خورشیدی برای سفر و گردش به سیارک «وستا» (Vesta) و سپس سیاره‌ی کوتوله‌ی «سرس» (Ceres) استفاده کرد. مأموریت داون نخستین فضاپیمایی بود که به دور دو هدف فرازمینی گشت. این مأموریت ۱۱ سال به طول انجامید و در سال ۲۰۱۸ و زمانی که آخرین سوخت هیدرازین هم مصرف شد، پایان یافت.

همکاری برای ساخت پیشرانه‌ی الکتریکی خورشیدی

شرکت «ماکسار تکنولوژی» (Maxar Technologies) ده‌ها سال است که از پیشرانه‌ی الکتریکی خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌های ارتباطی تجاری خود استفاده می‌کند. اما برای فضاپیمای سایکی آن‌ها نیاز به تطبیق دادن پیشرانه‌ی پربازده هال با حرکت در اعماق فضا داشتند و این جایی بود که مهندسان JPL وارد شدند. هر دو تیم امیدوارند که نخستین استفاده از پیشرانه‌های هال فراتر از مدار ماه، به گذر از محدودیت‌های فعلی این سامانه‌ی پیشران کمک کند.

«استیون اسکات» (Steven Scott) مدیر برنامه‌ی سایکی در ماکسار گفت: «فناوری پیشرانه‌ی خورشیدی، ترکیبی مناسب از کارایی، قدرت و صرفه‌جویی در هزینه‌ها را ارائه می‌دهد و می‌تواند نقش مهمی در پشتیبانی از مأموریت‌های علمی آینده به مریخ و فراسوی از آن داشته باشد.»

فضاپیمای سایکی در فاز مونتاژ، آزمایش و پرتاب

فضاپیمای سایکی در فاز مونتاژ
Credit: NASA/JPL-Caltech

تیم ماکسار علاوه بر تأمین سیستم پیشرانه وظیفه‌ی ساخت شاسی فضاپیما را هم که به اندازه‌ی یک خودروی ون است، بر عهده دارد. این شاسی محل قرارگیری سیستم الکتریکی، پیشرانه‌ها سیستم گرمایی و هدایت و ناوبری خواهد بود. هنگامی که مونتاژ فضاپیما به پایان برسد سایکی وارد محفظه‌ی عظیم خلاء حرارتی JPL برای آزمایش می‌شود تا محیط فضا برای آن شبیه‌سازی شود و بتوان آزمون دیگری را پشت سر بگذارد. درنهایت تا بهار آینده فضاپیمای سایکی از JPL به کیپ کاناورال خواهد رفت تا برای پرتاب آماده باشد.

عکس کاور: پیشرانه‌ی هال با استفاده از گاز زنون

Credit: NASA