برای کاوش در اعماق ناشناخته فضا و منظومه شمسی، هزاران کیلومتر دورتر از زمین، جایی که نور خورشید به سختی به آنجا می رسد و سرمای مطلق حاکم است، فضا پیماها به منابع انرژی پایدار و قابل‌اعتماد نیاز دارند... سیستم‌های انرژی رادیوایزوتوپی ناسا (RPS) بیش از ۶۰ سال است که این نقش را ایفا می‌کنند و مأموریت‌هایی مانند کاوشگرهای وویجر و مریخ‌نورد استقامت (Perseverance) را پشتیبانی کرده‌اند.
این باتری های هسته ای با استفاده از گرمای تولیدشده از واپاشی طبیعی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، انرژی الکتریکی بلندمدت برای ابزارهای علمی - فناوری ای که امکان فعالیت مداوم فضاپیماها را در تاریک و دورترین نواحی فضا - فراهم می‌کنند.
اکنون، ناسا در حال آزمایش نوع جدیدی از سوخت حرارتی برای سیستم‌های رادیوایزوتوپی است که می‌تواند مسیر مأموریت‌های آینده به محیط‌های بسیار دور، سخت و در اعماق فضا را هموار کند.
از پلوتونیوم تا آمریسیوم؛ تحول در قلب انرژی فضاپیماها
تا امروز، پلوتونیوم-۲۳۸ ماده اصلی برای تولید گرمای RPS بوده است - ایزوتوپی کمیاب، گران و دشوار برای تولید، اما در دو دهه اخیر، پژوهشگران اروپایی توجه خود را به ایزوتوپ جدیدی معطوف کرده‌اند: آمریسیوم-۲۴۱ (Americium-241).
این عنصر که پایداری بالاتری نسبت به پلوتونیوم دارد، می‌تواند گرمای مداومی برای ده‌ها سال ایجاد کند و گزینه‌ای جذاب برای مأموریت‌های آینده به اعماق فضا باشد! در ژانویه ۲۰۲۵، شاخه‌ی تبدیل انرژی حرارتی در مرکز تحقیقات گلن ناسا (Cleveland, USA) با همکاری دانشگاه لستر بریتانیا، پروژه‌ای مشترک را برای آزمایش این سوخت جدید آغاز کردند.
موتور استیرلینگ؛ قلب تپنده‌ی تبدیل حرارت به برق
یکی از روش‌های اصلی برای تبدیل گرمای رادیوایزوتوپی به برق و انرژی الکتریکی، استفاده از مبدل استیرلینگ (Stirling Convertor) است... این موتور حرارتی، بدون نیاز به میل‌لنگ یا یاتاقان‌های چرخان، انرژی گرمایی را مستقیماً به حرکت رفت‌وبرگشتی و سپس الکتریسیته و برق تبدیل می‌کند.
در طراحی Free-Piston Stirling، پیستون‌ها آزادانه حرکت می‌کنند و چون فاقد قطعات سایشی مثل حلقه و بلبرینگ هستند، همین ویژگی باعث می‌شود این سیستم بتواند دهه‌ها بدون خرابی کار کند - ویژگی ای حیاتی برای فضاپیماهایی که هرگز به زمین بازنمی‌گردند - و یک مزیت بزرگ برای مأموریت‌های طولانی مدت در اعماق فضا.
تیم دانشگاه لستر که بیش از ۱۵ سال سابقه در توسعه سیستم‌های حرارتی مبتنی بر آمریسیوم دارد، به همراه مهندسان ناسا نمونه‌ای آزمایشی از ژنراتور استیرلینگ را با دو شبیه‌ساز منبع حرارتی آمریسیوم-۲۴۱ مورد آزمایش قرار دادند.
همکاری سریع، کم هزینه و موفق
سالواتوره اوریتی، مهندس مکانیک ناسا، درباره‌ی این همکاری می‌گوید:
ایده در ابتدا فقط یک طراحی بود، اما ما آن را با همفکری و همکاری نزدیک با دانشگاه لستر تا سطح نمونه اولیه پیش بردیم - چیزی نزدیک به نسخه پروازی ژنراتور.
مهم‌تر از نتیجه، سرعت و هزینه پایین اجرای پروژه بود که فقط به لطف همکاری نزدیک ناسا و دانشگاه لستر و هماهنگی عالی میان دو تیم ممکن شد.
در این پروژه، دانشگاه لستر وظیفه‌ی طراحی شبیه‌سازهای حرارتی و بدنه‌ی ژنراتور را برعهده داشت... این شبیه‌سازها از نظر اندازه و شکل دقیقاً مشابه منبع حرارتی واقعی هستند (نسخه واقعی آمریسیوم) اما - به جای مواد رادیواکتیو - از المنت‌های برقی برای تولید گرما استفاده می‌کنند تا بدون خطر رادیواکتیو، شرایط واقعی را شبیه‌سازی کنند.
آزمایشگاه استیرلینگ در مرکز گلن ناسا نیز تجهیزات آزمون، سخت‌افزار مبدل و سامانه‌های اندازه‌گیری و پشتیبان را فراهم کرد.
دوام در برابر خطا؛ ویژگی شاخص طراحی جدید
به گفته‌ی هانا سارژنت، پژوهشگر دانشگاه لستر:
یکی از ویژگی‌های مهم طراحی این سامانه آن است که حتی در صورت خرابی یک مبدل استیرلینگ، سیستم می‌تواند بدون از دست دادن توان الکتریکی به کار خود ادامه دهد.
این ویژگی در تست‌های انجام‌شده کاملاً با موفقیت اثبات شد و نشان‌دهنده‌ی پایداری و قابلیت اطمینان بالای ژنراتور رادیوایزوتوپی آمریسیوم-استیرلینگ است.
نتایج و گام های بعدی ناسا
نتایج این آزمایش ثابت کرد که استفاده از آمریسیوم به‌عنوان سوخت حرارتی برای سیستم‌های RPS کاملاً امکان‌پذیر و کارآمد است و تمام اهداف عملکردی و بازدهی تعیین‌شده نیز با موفقیت محقق شدند و و هیچ خطای بحرانی مشاهده نشده است.
اکنون تیم گلن ناسا در حال توسعه نسخه‌ی دوم این ژنراتور است که قرار است:
جرم کمتری داشته باشد،
از نظر مهندسی دقیق تر و سبک تر باشد،
و در آینده تحت تست‌های محیطی فضایی قرار گیرد (از جمله لرزش پرتاب، خلأ و تشعشعات کیهانی).
اوریتی در پایان گفت:
همه چیز بهتر از انتظار پیش رفت. معمولاً در پروژه‌های تحقیقاتی بخشی از اهداف محقق نمی‌شود، اما این بار تمام اهداف و حتی فراتر از آن به نتیجه رسید و ما می‌خواهیم این سطح موفقیت را در مراحل بعدی حفظ کنیم.
آینده انرژی فضایی؛ از مأموریت های خورشیدی تا اعماق کیهان
موفقیت این پروژه می‌تواند زمینه‌ساز مأموریت های بعدی به مقاصدی چون قمرهای یخی مشتری (اروپا) یا زحل (انسلادوس) باشد - جایی که انرژی خورشید دیگر کارایی ندارد و با توسعه این فناوری، ناسا و شرکای بین المللی اش به‌سوی منابع انرژی مستقل و پایدار برای فضاپیماهای بین سیاره ای گام برمی‌دارند.
آزمایش سوخت حرارتی جدید ناسا گامی مهم در مسیر پایداری انرژی در مأموریت‌های فضایی بلندمدت است و اگر فناوری ژنراتور آمریسیوم-استیرلینگ به مرحله عملیاتی برسد، فضاپیماهای آینده می‌توانند برای دهه‌ها بدون نیاز به نور خورشید، در اعماق کیهان به سفر خود ادامه دهند - رؤیایی که حالا بیش از هر زمان دیگری به واقعیت نزدیک شده است.
جا دارد که به حدیث امام علی علیه السلام اشاره کنم... قال امیرالمومنین علی (علیه السلام): العلم سلطان! پس علم، به معنای واقعی کلمه قدرت است.
لینک سایت مرجع
مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.
