تحولی در صنعت فضایی: آیا آب جایگزین سوخت موشک خواهد شد؟

دانشگاه بولونیا با پروژه WET (موتورهای الکتریکی مبتنی بر آب) در حال توسعه یک پیشران الکتریکی جدید برای موشک‌ها است که با تبدیل آب به پلاسما از طریق الکترولیز کار می‌کند. اگرچه پیش‌تر نمونه‌های اولیه‌ای از پیشران‌ها و موتورهای موشکی مبتنی بر آب توسعه یافته‌اند و برخی از آن‌ها موفق به پرتاب CubeSatها شده‌اند، اما تاکنون آب به‌عنوان پیشران در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار نگرفته است. پژوهشگرانی که در پروژه WET فعالیت دارند، در تلاش‌اند تا پیشرانی را طراحی کنند که بتواند یک ماهواره کوچک (SmallSat) را به حرکت درآورد.

جایگزین‌های سازگار با محیط زیست برای سوخت‌های فسیلی در حال فراتر رفتن از زمین و ورود به فضا هستند. بیشتر سوخت‌های موشکی بر پایه سوخت‌های فسیلی هستند؛ اما این منابع محدود علاوه بر اینکه تمام می‎شوند، برای محیط زیست نیز مضرند. سوزاندن آن‌ها مقادیر عظیمی از دی‌اکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن یا آمونیاک (عوامل اصلی مه‌دود و باران اسیدی) را در جو آزاد می‌کند. ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و سایر آژانس‌های فضایی به همراه گروه‌های پژوهشی در مؤسسات مختلف در تلاش بوده‌اند تا این وضعیت را تغییر دهند و به جای این سوخت‌های فسیلی از آب استفاده کنند.

پیشران‌های موشکی که از هیدروژن و اکسیژن موجود در آب استفاده می‌کنند، پیش‌تر ساخته شده‌اند. اگرچه ناسا در سال ۲۰۲۱ موفق شد با استفاده از این نوع سیستم پیشران، ماهواره PTD-1 CubeSat خود را به فضا پرتاب کند، اما هنوز سوخت مبتنی بر آب در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار نگرفته است. اکنون یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران به سرپرستی دانشگاه بولونیا در ایتالیا قصد دارند نوع جدیدی از پیشران الکتریکی را توسعه دهند که با پلاسمای تولیدشده از آب کار می‌کند. این اقدامات تحت عنوان پروژه WET، شامل بررسی چگونگی تشکیل و رفتار پلاسمای حاصل از آب خواهد بود تا بتوان پیشرانی را طراحی کرد که به سوخت‌های فسیلی وابسته نباشد، اما بتواند موشک‌ها را با همان قدرت یا حتی بیشتر، به حرکت درآورد.

فابریزیو پونتی، استاد مهندسی صنعتی در دانشگاه بولونیا در یک بیانیه مطبوعاتی گفته است:

پروژه WET تنها درباره توسعه یک فناوری نوآورانه نیست، بلکه در مورد خلق چشم‌اندازی جدید برای آینده اکتشافات فضایی است.

اما پلاسما چگونه از آب تولید می‌شود؟ پلاسما اغلب به‌عنوان چهارمین حالت ماده (پس از جامد، مایع و گاز) در نظر گرفته می‌شود و از طریق الکترولیز به دست می‌آید. هنگامی که آب با جریان الکتریکی گرم می‌شود، تبخیر می‌شود؛ اما در دمای بسیار بالا، مولکول‌های بخار آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شوند. سپس، اتم‌های هیدروژن و اکسیژن در دمای بالاتر به یون‌ها و الکترون‌ها تبدیل می‌شوند که عناصر اصلی تشکیل‌دهنده پلاسما هستند.

پلاسما یونیزه شده است و بار الکتریکی آن بر اساس از دست دادن الکترون‌ها تعیین می‌شود، چراکه هسته‌های اتمی حداقل یکی از الکترون‌های خود را در این فرآیند از دست می‌دهند. برای اینکه یک ماده فوق‌گرم‌شده به‌عنوان پلاسما شناخته شود، مقدار مشخصی از اتم‌های آن باید یونیزه شوند. در پیشران‌های موشکی، انرژی الکتریکی تولیدشده از تشکیل پلاسما نیروی رانشی ایجاد می‌کند که موشک را به فضا پرتاب می‌کند.

ناسا از اواخر دهه ۱۹۶۰ در حال آزمایش الکترولیز برای تولید سوخت موشک بوده است. در واقع، گفته می‌شود یک موتور موشکی آزمایشی که در سال ۱۹۶۹ در مرکز پژوهشی گلن (Glenn Research Center) توسعه یافته، «نسبت به سیستم‌های کنترلی متداول، مزایایی از جمله عملکرد بالا، مواد ایمن، ذخیره‌سازی ساده، عمر طولانی و نیاز کمی به توان» داشته است.

دانشگاه بولونیا قصد دارد تجهیزات آزمایشگاهی خود را در آزمایشگاه پیشران آلما (Alma Propulsion Laboratory) ارتقا دهد تا آزمایش‌های لازم را انجام داده و ثابت کند که این فناوری قابلیت اجرایی شدن را دارد. اگرچه بسیاری از جوانب مربوط به ارتقای پیشران‌های پروژه WET هنوز مورد بررسی قرار نگرفته‌اند، اما پژوهشگران قصد دارند مدلی را طراحی کنند که با توان تقریبی ۵۰۰ تا ۱۰۰ وات کار کند که این محدوده توان برای ماهواره‌های کوچک موسوم به SmallSat مناسب است. این فناوری جدید می‌تواند برای مأموریت‌هایی در اعماق فضا نیز مورد استفاده قرار گیرد.

به کمک آب که یک پیشران سازگار با محیط زیست و انعطاف‌پذیر است، امکانات بی‌سابقه برای اکتشافات فضایی با تمرکز ویژه بر پایداری اقتصادی و زیست‌محیطی در آینده ایجاد خواهد شد.

این نوع پیشران مزیت دیگری هم دارد؛ آب در سراسر فضا یافت می‌شود، بنابراین، کمبود سوخت مشکلی برای فضاپیماهای آینده نخواهد بود.

منبع: روزیاتو