الفضاء
ناسا SR-1 Freedom: بناء أول مركبة فضائية نووية
تحريك جسم في الفضاء يستهلك طاقةً كبيرةً، حتى بعد أن يخرج المركبة الفضائية من بئر الجاذبية لكوكب. وهذا جزئياً بسبب البُعد الهائل بين الأجرام السماوية.
على سبيل المثال، إذا كان البعد بين القمر والأرض مجرد 0.25 متر، فإن البعد بين المريخ والأرض سيكون 500 متر، وإلى نبتون 30,000 متر.
لذا كلما زاد وزن المركبة الفضائية، زادت الطاقة المطلوبة لتحريك تلك الكتلة بسرعة كافية لعبور هذا البعد الضخم. ثم تُستَخدم نفس الطاقة مرة أخرى للتباطؤ.
قيد آخر لاستكشاف الفضاء العميق والرحلات بين الكواكب هو أنه لإنشاء الدفع، يجب طرد بعض الكتلة. ولكن كلما زاد الوقود، زاد الوزن غير المفيد، مما يتطلب طاقة إضافية للدفع. لذا، للحصول على تسارع قوي، يجب طرد الوقود بسرعة عالية جداً، مما يخلق زخمًا أكبر، ويجب أن يكون مصدر الطاقة كثيفًا قدر الإمكان.
لهذه الأسباب جميعًا، فكرة استخدام الطاقة النووية للسفر إلى الفضاء قديمة قدم بداية توليد الطاقة النووية، حيث يُعد اليورانيوم أحد أكثر “الوقود” كثافةً يمكن تخيله، فكيلوغرام واحد من اليورانيوم يمكن أن يولد ما يصل إلى 23 مليون كيلوواط‑ساعة، مقارنةً بـ13 كيلوواط‑ساعة للكيلوغرام الواحد من النفط و7 كيلوواط‑ساعة للكيلوغرام الواحد من الفحم.
المصدر: Visual Capitalist
مع ذلك، لم يُستَخدم أي من التصاميم المتخيلة للدفع في السفر إلى الفضاء حتى الآن. الاستخدام النسبي الشائع للطاقة النووية هو المولدات الإشعاعية الحرارية، التي تستغل التحلل السلبي للعناصر المشعة ذات نصف عمر قصير نسبياً لتزويد الروفرات والمجسات في الفضاء العميق بالطاقة لسنوات أو حتى عقود.
قد يتغير ذلك قريبًا جدًا، مع مفاعل فضائي يُدعى SR-1 Freedom، حيث يرمز SR إلى “مفاعل فضائي”.
يمكن نشر نظام الدفع النووي الكهربائي هذا في أقرب وقت ممكن بحلول عام 2028. سيُستخدم لإيصال حمولة Skyfall إلى المريخ، والتي تتضمن ثلاث مروحيات من فئة Ingenuity. سيُستخدم في المقام الأول لإظهار التقنية، ولكن بالحجم المخطط له، لن يكون أسرع بشكل ملحوظ من المسبار العادي.
“ستحمل مروحيات Skyfall كاميرات ورادار اختراق الأرض لاستكشاف موقع هبوط مستقبلي وفهم المنحدرات والمخاطر للهبوط البشري الحجم. كما ستقوم برسم خريطة وتوصيف جليد الماء تحت السطح لتحديد مواقع رواسب جليد الماء، بالإضافة إلى الحجم والعمق والخصائص المهمة الأخرى.”
ستيف سيناكور، مدير برنامج الطاقة السطحية الانشطارية في ناسا
هذا جزء من إعادة ضبط شاملة لبرامج ناسا، والتي تشمل الإلغاء الكامل المحتمل لمحطة القمر Gateway، وإعادة تنظيم مهمة أرتميس، وبناء أكثر طموحًا لقاعدة القمر المستقبلية، وذلك بعد الإطلاق الناجح لأرتميس II، الذي سيضع رواد الفضاء في مدار القمر لأول مرة منذ أكثر من 50 عامًا.
الأنواع المتعددة للدفع النووي في الفضاء
الدفع النووي الكهربائي
نظام الدفع النووي في SR-1 Freedom هو دفع نووي كهربائي، لذا يستخدم أولاً مفاعلًا نوويًا لتوليد الكهرباء، ثم تُستَخدم هذه الطاقة لتوليد الدفع عبر محركات المركبة الفضائية.
لتحويل الكهرباء إلى دفع، وبالتالي حركة مفيدة، الطريقة الأكثر شيوعًا، والتي يستخدمها SR-1 Freedom، هي محركات الأيون. في حالة SR-1 محركات تأثير هول.
هذه المحركات تؤين غازًا بالكهرباء، مما يضيف الطاقة إلى الغاز المستخدم كوقود، عادةً الزينون أو الكريبتون. تتمتع هذه المفاعلات بكفاءة عالية تتراوح بين 45‑60٪ ودفع نوعي مرتفع، مما يعني أن كتلة الوقود المطلوبة لتأثير دفع مماثل تكون أقل.
مع ذلك، محركات الأيون ضعيفة نسبيًا كل على حدة، لذا فهي الأنسب للسفر لمسافات طويلة، حيث يمكن لتسارع بطيء ومستمر أن يتراكم إلى سرعة عالية.
حتى الآن، تم استخدام محركات الأيون، لكنها محدودة بالطاقة التي توفرها الألواح الشمسية للمسبار. باستخدام مصدر طاقة نووية، يمكن توليد دفع وتسارع أكبر بكثير.
هذا هو بالتأكيد النسخة الأكثر نضجًا من الدفع النووي، حيث أن كلًا من توليد الطاقة النووية ومحركات الأيون تقنيتان متقنّتان. لذا فإن الأمر مجرد مسألة تصميم وهندسة لجعلهما يعملان معًا، مما يفسر الموعد النهائي القصير لنشر SR-1.
الدفع النووي الحراري
المفاعلات النووية تولد الطاقة بتحويل النشاط الإشعاعي إلى حرارة ثم تحويل تلك الحرارة إلى كهرباء.
لذا فإن طريقة الدفع هذه تتخطى الوسيط وتستخدم الحرارة مباشرة. الفكرة هي استخدام الطاقة النووية لتسخين الوقود، عادةً الهيدروجين السائل، إلى درجات حرارة عالية، ثم دفع الغاز الساخن لتوليد الحركة.
يمكن لهذه الفكرة، نظريًا، أن تولد قدرة دفع هائلة. عمليًا، تتطلب كمية كبيرة من الطاقة النووية في آن واحد وكمية كبيرة من الوقود، مما يعني أنها تنطبق أساسًا على مركبات فضائية ضخمة، أكبر بكثير من المجسات بين النجوم المعتادة أو حتى صاروخ ثقيل مثل Starship.
أنظمة دفع نووية أخرى
كثافة الطاقة النووية أدت إلى ظهور مفاهيم محتملة أكثر جنونًا.
على سبيل المثال، مشروع أوريون، الذي نوقش بجدية في خمسينيات وستينيات القرن الماضي، كان في صميم الحرب الباردة. تخيّل سلسلة من الانفجارات النووية كوسيلة رئيسية للدفع، مع حماية المركبة الفضائية من الإشعاع والضرر بواسطة درع هائل، وهو مفهوم يُعرف باسم الدفع النبضي النووي.
أفكار أخرى، مثل صواريخ شظايا الانشطار أو صواريخ مفاعل النواة الغازية، تفكر في طرد الوقود النووي نفسه كمادة دافعة.
مع ذلك، هذه الأفكار أكثر نظرية من عملية في معظم الحالات، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن حجم السفن الفضائية المطلوبة غير متاح في المستقبل القريب.
لماذا لم يحدث الدفع النووي بعد؟
الجيوسياسة
جزئيًا، السبب في عدم حدوث الدفع النووي هو أنه ببساطة لم يكن ضروريًا. بعد الهبوط المتعدد على القمر، خفت سباق الفضاء بين الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة.
ومع انهيار الاتحاد السوفيتي، تلاشت الطموحات لبناء مركبات فضائية أكبر أو قواعد مستقبلية خارج الأرض لعدة عقود.
للإستكشاف بعيدًا عن الشمس، كانت المولدات الإشعاعية الحرارية كافية. لذا فإن الدفع النووي ليس ضروريًا ببساطة للرحلات المأهولة، ولا يتجاوز محطة الفضاء الدولية، وإرسال مجسات صغيرة إلى المريخ أو أعمق في الفضاء.
مع ذلك، صعود الصين كقوة فضائية جادة الآن أدى إلى سباق فضائي جديد إلى القمر والمريخ. لذا قد يفسّر ذلك بروز مشاريع الدفع النووي الأمريكية مرة أخرى، حيث من المرجح أن يكون الدفع النووي مطلوبًا لأي رحلة مأهولة جادة إلى المريخ أو ما بعده.
السياسة وصورة الطاقة النووية
صورة الطاقة النووية تضررت أيضًا بسبب حوادث مثل تشيرنوبيل وفوكوشيما، مما أدى إلى عدم شعبية فكرة إرسال مفاعل نووي إلى الفضاء، مهما كان حجمه. بدون دعم سياسي قوي، لم تحظَ هذه البرامج بالزخم اللازم للانتقال من النماذج الأولية والاختبارات إلى مركبة فضائية حقيقية.
بالإضافة إلى ذلك، ألغى معاهدة الفضاء الخارجي لعام 1967 ومعاهدة الحظر الجزئي للتجارب النووية لعام 1963 مفاهيم الدفع النووي مثل مشروع أوريون.
أخيرًا، إطلاق المواد إلى الفضاء دائمًا ما يكون مشروعًا محفوفًا بالمخاطر، حيث قد تتعطل الصواريخ وتنفجر في طريقها إلى المدار.
في مثل هذه الحالة، قد ينتشر المادة المشعة على مساحة واسعة، وحتى وإن كانت الكمية الفعلية قليلة، فإن الكارثة المرتبطة بها جعلت ناسا مترددة في المخاطرة دون دفع قوي من القيادة السياسية الأمريكية.
القضايا التقنية
المفاعلات النووية، خاصةً في الفترة من خمسينيات إلى تسعينيات القرن الماضي، كانت قطعًا ضخمة من المعدات. هذا النوع من المفاعلات صعب، أو حتى مستحيل، استخدامه في الفضاء، حيث كل غرام من الكتلة مهم. الوزن الإضافي للدروع الواقية من إشعاع المفاعل يضيف كتلة إضافية.
هذا ليس صحيحًا تمامًا في عصر المفاعلات الصغيرة النمطية (SMRs) والمفاعلات الدقيقة، لكن هذه التقنيات لا تزال حديثة نسبيًا.
يمكن أن يسبب الانقسام الناتج عن النيوترونات التي تصطدم بالمواد المحيطة تشققات أو أضرارًا أخرى في مواد الفضاء. لذا يجب فهم هذا الأمر بشكل أفضل وتخفيفه.
صواريخ الدفع النووي الحراري عرضة أيضًا لتآكل الهيدروجين، حيث يصبح الهيدروجين عدوانيًا للغاية، يآكل المفاعل ومكونات الدفع عند درجات الحرارة المتوقعة التي تبلغ 2,200°C (4,000°F).
تصميم SR-1 Freedom
مفاعل طاقة والعديد من الأوليات
سيعتمد SR-1 Freedom على مفاعل انشطار بدورة برايتون مغلقة بقدرة 20‑40 كيلواط كهربائي، وهو تصميم يجمع بين مصدر حرارة نووي ونظام تحويل الطاقة بتوربين غازي في حلقة مغلقة. يتم تفريغ الحرارة الفائضة إلى الفضاء عبر مبردات كبيرة مصنوعة من التيتانيوم.
المصدر: CNET
سيتم تزويد المفاعل بوقود من اليورانيوم منخفض التخصيب عالي التحليل (HALEU)، باستخدام وقود أكسيد اليورانيوم، وهو أكثر أمانًا في التعامل منه مقارنةً بوقود الدرجة العسكرية.
لحماية الإلكترونيات (والرواد المستقبليين) من إشعاع المفاعل، يتم تغليفه بدرع إشعاعي من كربيد البورون يوجه الإشعاع بعيدًا عن المركبة الفضائية.
ليس SR-1 بالمرة أول نموذج أولي أو مفهوم للدفع النووي، لكنه سيكون الأول الذي يخرج من المختبر ويصل إلى الفضاء، مبنيًا على عقود من الخبرة والاستثمار في هذا المجال.
“على مدى ستة عقود، استثمرت الولايات المتحدة أكثر من 20 مليار دولار عبر عشرات البرامج النووية الفضائية وأطلقت مفاعلًا واحدًا فقط — SNAP-10A في عام 1965. لم يغادر المدار أبدًا. مليارات أنفقت، عقود ضاعت. يضع SR-1 حداً لهذا النمط. نافذة إطلاق إلى المريخ في ديسمبر 2028 تجبر على اتخاذ قرارات لم تحققها دراسات عقود.”
جارد إيزاكمان – مدير ناسا
إعادة استخدام وحدات بوابة القمر
عنصر آخر يوضح كيف يمكن نشر SR-1 بسرعة فائقة هو أن جزء محرك الأيون في المركبة جاهز.
سيتم استخدام نظام الدفع الذي هو حافلة الفضاء التي طورتها ناسا تقريبًا، عنصر الطاقة والدفع (PPE)، الذي تم تطويره في البداية لمحطة القمر Gateway.
نظرًا لأنه يبدو أن محطة القمر الفضائية تُلغى، سيتم إعادة توظيف عناصرها، التي بناها في الغالب شركاء ناسا في أوروبا واليابان وكوريا الجنوبية وكندا وغيرهم، في مشاريع مثل SR-1، لتتوافق بشكل أفضل مع طموحات ناسا والولايات المتحدة الجديدة في الفضاء.
“كل أصل، كل كيلوغرام، جميع موارد استكشاف القمر التي لدينا ستركز على شيء واحد، وهو بناء قاعدة القمر.”
كارلوس غارسيا-غالان – نائب مدير برنامج البوابة
يُجهّز PPE بأربعة محركات تأثير هول بقدرة 6 كيلوواط (kW) صُنعت بواسطة Busek وثلاثة محركات نظام الدفع الكهربائي المتقدم بقدرة 12 كيلوواط (kW) تم تطويرها بواسطة ناسا وAerojet Rocketdyne، وهي شركة فرعية من L3Harris (LHX ).
ستُحافظ أيضًا على الألواح الشمسية عالية الأداء الخاصة بـ PPE، في حال احتاج المفاعل النووي التجريبي إلى صيانة أو واجه مشكلة.
ما بعد SR-1
نحو مزيد من الطاقة النووية في الفضاء
هدف SR-1 هو إجراء اختبار واقعي لتصميم المفاعل النووي، سواء للدفع أو لاستخدامات أخرى.
لذلك من المحتمل أن يُستخدم يومًا ما لرحلة مأهولة إلى المريخ، لكنه سيحظى أيضًا بتطبيقات فورية.
على سبيل المثال، البيانات التي سيتم جمعها من رحلة SR-1 Freedom إلى المريخ ستكون مهمة لتطوير مفاعل القمر-1 (LR-1).
“في عقد الثلاثينات، سنقوم بتوسيع الإنتاج والانتقال إلى مرحلة التصنيع لمفاعلات إضافية. نتحدث عن مفاعلات بقدرات تتراوح بين مئات الكيلوواط إلى فئة الميجاواط لجميع التطبيقات النووية. مهمات ذات قدرة أعلى إلى القمر، ومهام مأهولة إلى المريخ، بمشاركة تجارية وإنتاج قابل للتكرار.”
ستيف سيناكور، مدير برنامج الطاقة السطحية الانشطارية في ناسا
سيُصمم هذا المفاعل الانشطاري لتوفير طاقة مستمرة لقاعدة القمر خلال فترات عدم وجود ضوء الشمس، كما سيستخدم وحدة تحويل طاقة بدورة برايتون مغلقة.
“من المقرر أن يقدم برنامج الطاقة السطحية الانشطارية شيئًا في المرحلة الثالثة لزيادة السعة، وربما أكثر من شيء واحد، للسعة التي نتوقع أننا سنحتاجها لقاعدة القمر. أي شيء يمكننا القيام به لتقليل الاعتماد على الطاقة الشمسية والسماح للأصول بالحصول على التدفئة وربما بعض الطاقة سيكون ثمينًا لقدرتنا على المضي قدمًا.”
كارلوس غارسيا-غالان – نائب مدير برنامج البوابة
مع ذلك، على المدى الطويل، من المحتمل أن يكون الإرث الأهم لـ SR-1 هو إمكانية رحلة مأهولة نووية إلى المريخ، تستغرق 4 أشهر أو أقل، مقارنةً بـ 9 أشهر أو أكثر الممكنة باستخدام الصواريخ الكيميائية.
أنظمة الدفع النووي المستقبلية
كان من المخطط في البداية لعام 2027، صاروخ DRACO (صاروخ التج demonstration للعمليات السريعة بين القمرية)، وهو محرك صاروخي حراري، قد أُلغي في عام 2025، حيث اعتُبر أن صواريخ مثل Starship التابعة لشركة SpaceX كافية للرحلات المدارية والبين القمرية.
مع ذلك، قد تقلل هذه التقنية من زمن السفر إلى المريخ إلى النصف، مشابهًا لإرث SR-1 المحتمل.
على المدى الطويل، إذا أصبح الدفع النووي الكهربائي أمرًا طبيعيًا، قد تصبح أشكال أخرى من الدفع النووي قابلة للتطبيق أيضًا.
احتمال آخر هو تركيب أنظمة دفع من نوع SR-1 على سفينة شحن، قادرة على التنقل ذهابًا وإيابًا إلى القمر أو المريخ وتسريع مركبات فضائية أخرى، مع الحاجة إلى إعادة تعبئة الوقود الغازي أو الوقود المشع بين الحين والآخر. بهذه الطريقة، يمكن للنظام نفسه توفير الدفع لعشرات المهمات في الفضاء العميق.
في هذا المفهوم، يمكن للدفع النووي الكهربائي أو الحراري أن يحقق لاستكشاف الفضاء العميق ما فعلته SpaceX في الإطلاقات المدارية: إنشاء مركبات قابلة لإعادة الاستخدام وطويلة الأمد تقلل التكاليف وتجعل السفر إلى الفضاء أكثر كفاءة، مما يسمح بنقل كتل حمولة أكبر بكثير.
الاستثمار في SR-12 Freedom
L3Harris
(LHX )
L3Harris هي مزود رئيسي في مجال الطيران والفضاء وشركة دفاعية، نتيجة اندماج L3 Technologies و Harris Corporation في عام 2019.
الشركة لا توفر فقط محركات تأثير هول لـ SR-1، بل تشارك أيضًا مباشرة في تطوير برنامج الطاقة السطحية الانشطارية، الذي سيوفر الطاقة النووية لقاعدة القمر الأمريكية المستقبلية.
“يمكن للدفع النووي تمكين الاستكشاف إلى أقصى حدود النظام الشمسي وما بعده، وتعزيز الأمن القومي، وإتاحة اكتشافات رائدة. لقد كان التحرك داخل الفضاء عاملاً مقيدًا طويلًا لأكثر المهمات الروبوتية طموحًا وغيرها من التطبيقات الحكومية الفريدة، وتلتزم L3Harris بإزالة هذا القيد.”
كريستين هيوستن، الرئيسة، أنظمة الدفع والقدرة في الفضاء، إيرو جيت روكيت داين، L3Harris.
تم استخدام نظام الدفع الكهربائي الخاص بها أيضًا في مهمة Dawn التابعة لناسا إلى كوكبي الحزام الرئيسي سيريس وفستا.
تستكشف الشركة أيضًا الدفع النووي الحراري (NTP)، مستندة إلى خبرتها الجديدة في الدفع النووي الكهربائي وخبرتها الواسعة في مولدات الطاقة الحرارية الإشعاعية، حيث وفرت مصدر الطاقة لكل من مركبة استكشاف المريخ Curiosity ومركبة Perseverance.
مع ذلك، الفضاء هو مجرد قطاع واحد من أنشطة الشركة.
نشاطها الأساسي هو توفير الاتصالات الآمنة للجيش الأمريكي وحلفائه (نصف السوق العالمية للراديو التكتيكي)، ومراكز القيادة، وخطط الرادار والاتصالات، والحرب الإلكترونية، والأقمار الصناعية لاكتشاف إطلاق الصواريخ، وغيرها.
Aerodyne، الشركة التي تزود SR-1 بأنظمة الدفع الخاصة به، هي أيضًا منتج رئيسي للصواريخ، بما في ذلك الذخيرة لأنظمة الدفاع الصاروخي، التي تعرض مخزونها لضغوط كبيرة بسبب حربي أوكرانيا وإيران.
عمومًا، من المرجح أن يؤدي النمو المخطط لميزانية الجيش الأمريكي من 1 تريليون إلى 1.5 تريليون دولار إلى رفع جميع القوارب للمستثمرين في قطاع الدفاع، خاصةً بعد أن أدت الحرب في أوكرانيا إلى استنزاف المخزون وحرب إيران إلى كشف الحاجة إلى مزيد من الذخيرة والدفاع الصاروخي.
إن هذا الكشف الأخير عن تطور الاستراتيجية العسكرية هو ما قد يفيد L3Harris أكثر. إذا كشفت أوكرانيا عن أهمية الطائرات بدون طيار والحرب الإلكترونية، فقد أبرز الصراع مع إيران أهمية الدفاعات الصاروخية. وأكثر من أي شيء، أهمية مخزون عميق من صواريخ الاعتراض، حيث يستهلك كل صاروخ وارد 2-3 صواريخ اعتراض.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الطموح المتجدد لناس
ا يجب أن يفيد الشركة أيضًا كمزود رئيسي لمحركات الأيون والطاقة النووية الفضائية.
إن الطموح المتجدد لناس
ا يجب أن يفيد الشركة أيضًا كمزود رئيسي لمحركات الأيون والطاقة النووية الفضائية. (يمكنك قراءة المزيد عن أنشطة L3Harris في مجال الطيران والفضاء والدفاع في تقرير الاستثمار المخصص للشركة.) آخر أخبار وتطورات أسهم L3Harris (LHX)
