سيكون معترض الكائن خارج المجموعة الشمسية قادرًا على مطاردة أومواموا أو بوريسوف التالي وإرجاع عينة في الواقع

ماذا لو كانت لدينا القدرة على مطاردة الأجسام بين النجوم التي تمر عبر نظامنا الشمسي ، مثل أومواموا أو مذنب بوريسوف؟ يجب أن تكون مثل هذه المركبة الفضائية جاهزة للانطلاق في أي لحظة ، مع القدرة على زيادة السرعة وتغيير الاتجاه بسرعة.

هذه هي الفكرة من وراء مفهوم جديد للمهمة يسمى باعتراض الأجسام خارج المجموعة الشمسية ومركبة إرجاع العينات الفضائية. لقد تلقت تمويلًا استكشافيًا من وكالة ناسا من خلال برنامج المفاهيم المتقدمة المبتكرة (NIAC).

يقول كريستوفر موريسون ، مهندس من شركة التكنولوجيا النووية فائقة الأمان (USNC-Tech) الذي قدم الاقتراح إلى NIAC.

المفهوم الذي يقترحه موريسون وفريقه هو مركبة فضائية تعمل بالنظائر المشعة والكهربائية تعتمد على تقنية البطارية الذرية القابلة للشحن (CAB) ، وهو نظام طاقة طورته USNC للاستخدام التجاري. البطاريات مضغوطة وتملك مليون مرة كثافة طاقة أحدث البطاريات الكيميائية - بالإضافة إلى الوقود الأحفوري.

أوضح موريسون أن 'النظائر المشعة لها نفس المقدار تقريبًا من إجمالي الطاقة المخزنة في كل ذرة'. تعتمد سرعة إطلاق هذه الطاقة على نصف العمر. يبلغ عمر النصف لـ Pu-238 88 عامًا ، وهو أمر رائع للمهام الطويلة إلى النظام الشمسي الخارجي. تتمتع بطاريات CAB التي نطورها في USNC-Tech بنصف عمر أقصر ولديها كثافة طاقة أعلى. في NIAC ، نستخدم نظيرًا مشعًا بعمر نصف مدته خمس سنوات وكثافة طاقة تزيد 30 مرة عن نظير البلوتونيوم 238 (Pu-238) '.

انطباع الفنان عن مركبة الفضاء نيو هورايزونز التابعة لوكالة ناسا وهي تصطدم بجسم يشبه بلوتو في حزام كويبر البعيد. المصدر: NASA / JHUAPL / SwRI / Alex Parker

Pu-238 هو اختيار ناسا المعتاد للطاقة النووية لمركبتها الفضائية. تم استخدامه لأكثر من عشرين مهمة فضائية أمريكية ناجحة للغاية - مثل New Horizons و Curiosity and Perseverance Mars rovers - لأنظمة طاقة النظائر المشعة (RPS).

ومع ذلك ، يواجه البلوتونيوم 238 بعض التحديات. لا يمكن إنتاج سوى كمية محدودة من البلوتونيوم 238 (14 أوقية (400 جرام) كل عام في الوقت الحالي مع مسار نحو 50 أونصة (1500 جم) خلال السنوات القليلة القادمة). هذا بالكاد يكفي لتلبية احتياجات المهام المستقبلية لوكالة ناسا لبرامجها الرئيسية.

تواجه البرامج والشركات التجارية الصغيرة تحديات ليس فقط بسبب أزمة الإمداد ، ولكن أيضًا لأن البلوتونيوم 238 يعتبر مادة نووية خاصة مع مخاوف عدم انتشار الأسلحة النووية. بدلاً من ذلك ، تعتبر النظائر المشعة في تقنية CAB ذات طبيعة تجارية ، وفي الواقع يستخدم الكثير منها بكثافة في الصناعة الطبية لعلاجات علاج السرطان.

يتوهج وقود البلوتونيوم 238 (على شكل سيراميك) مع حرارة تسوسه الطبيعي داخل غلاف أسطواني واقٍ من الجرافيت ، أثناء تجميع مصادر الحرارة لنظام الطاقة الكهربائية على مركبات المريخ التابعة لناسا في إدارة الطاقة في ولاية أيداهو. المختبر الوطني. الائتمان: ناسا / وزارة الطاقة

قال موريسون لـ Universe Today: 'ستكون بطاريات CAB جنبًا إلى جنب مع الدفع الكهربائي أنظمة بسيطة للغاية'. 'هذه كلها تكنولوجيا مجربة. الابتكار الحقيقي الذي نستفيد منه هو البيئة التنظيمية الحالية. قبل عام 2019 ، لم يكن هناك إطار قانوني للشركات التجارية لاستخدام الطاقة النووية. الآن تمت المصادقة عليه رسميًا '.

مذكرة رئاسية NPSN-20 في عام 2019 وجهت وزارة النقل ، وتحديداً إدارة الطيران الفيدرالية ، لتطوير نظام تنظيمي متدرج يسمح للشركات التجارية بإطلاق مركبات فضائية تعمل بالطاقة النووية.

يوضح اقتراح موريسون أن 'تصنيع CAB أسهل وأرخص في التصنيع من Pu-238 ويتم تعزيز حالة السلامة بشكل كبير من خلال تغليف CAB للمواد المشعة داخل مصفوفة كربيد قوية. هذه التكنولوجيا متفوقة على أنظمة الانشطار لهذا التطبيق لأن أنظمة الانشطار تحتاج إلى كتلة حرجة بينما يمكن أن تكون أنظمة النظائر المشعة أصغر بكثير وتناسب أنظمة الإطلاق الأصغر ، مما يقلل التكلفة والتعقيد. '

المركبة الفضائية التي تعمل بالطاقة CAB ، والتي يطلق عليها اسم 'إكستراسولار إكسبرس' ، لديها كتلة وقود أقل بقليل من طن واحد. في المقابل ، يمكن لفالكون 9 من SpaceX وضع أكثر من 20 طنًا في المدار. ماذا ستفعل بكل المساحة الإضافية في مركبة الإطلاق؟

يشرح موريسون: 'يمكننا استبدال بعض هذه الكتلة من أجل زيادة سرعة إضافية بعيدًا عن الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام بعض الكتلة الزائدة لزيادة السلامة من خلال تضمين درع قوي كبير يحمي النظائر المشعة ويضمن عدم الإطلاق حتى في أسوأ حالة إطلاق. بمجرد الوصول إلى مدار عالٍ ، يمكن إخراج الدرع ، ويمكن للمركبة الفضائية السفر دون عوائق في مهمتها '.

كائنات خارج المجموعة الشمسية الآن على الساحة

انطباع الفنان عن أومواموا. وفقًا لبحث جديد ، يتكون الجسم من جزيئات جليد الهيدروجين ، وهو ما يفسر شكله الذي يشبه السيجار. الائتمان: ESO / M. كورنميسر

قبل أن ينفجر الجسمان البينجميان غير المعتاد والمثير للفضول على المشهد في نظامنا الشمسي ( أومواموا في عام 2017 و بوريسوف في عام 2019) لم يفكر علماء الفلك على نطاق واسع في أن المتطفلين المتجولين من أنظمة النجوم الأخرى قد يمرون بشكل روتيني. الآن ، يحسب العلماء أن متوسط سبعة من هذه الأجسام تمر داخل مدار الأرض كل عام . اكتشاف المزيد عن هذه الأشياء هو احتمال جذاب ، لأنه في الوقت الحالي ، كل ما يمكننا فعله هو مشاهدتها باستخدام التلسكوبات وهي تتخطينا.

قال موريسون: 'يبدو أن هذه الأشياء تقترب منا إلى حد ما ، فإن إنشاء مهمة للحاق بأحدها ليس مسألة مسافة بل مسألة سرعة. هذا يغير المعادلة على عكس معظم المهمات التي تحتاج إلى طول العمر. هذه مجرد مشكلة سرعة ، لأنه يمكنك اعتراضها وأخذ عينة والعودة إلى الأرض طالما لديكدلتالإنجاز المهمة '.

شرح موريسون خطة المهمة المحتملة لاعتراض الأجسام خارج المجموعة الشمسية وإرجاع العينة: أطلق المركبة الفضائية المعترضة باتجاه المشتري وانتظر حتى يتم اكتشاف جسم مناسب خارج المجموعة الشمسية.

قال: 'قد تضطر إلى الانتظار لمدة عام أو نحو ذلك ، ولكن بغض النظر عن أي شيء ، فمن المحتمل أن تقوم بتغيير الطائرة ، لأن هذه الأجسام لا تأتي على متن طائرة الكسوف. الفكرة هي أن تطير باتجاه المشتري ، ونأمل أن تكون في مكان جيد للقيام بمقلاع حول المشتري للوصول إلى نفس اتجاه الطائرة مثل الجسم. '

وصول مفهوم الفنان للمركبة الفضائية Dawn إلى Vesta. رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech

يمكن أن تكون المركبة الفضائية مماثلة في الحجم والكتلة لمهمة Dawn ، والتي تستخدم أيضًا الدفع الكهربائي. ولكن بدلاً من الألواح الشمسية الهائلة من Dawn ، ستوفر CAB طاقة كافية لإنشاء مركبة فضائية سريعة. سيحتاج المعترض إلى مشعات كبيرة لرفض الحرارة ، والتي (مثل الألواح الشمسية لـ Dawn) ستكون الجزء الأكبر من المركبة الفضائية.

لا تزال تفاصيل جزء إرجاع العينة قيد الإعداد ، ولكن ربما يكون هناك شيء مشابه لـ نظام الحصول على عينات TAGSAM الذي تستخدمه بعثة OSIRIS-REx.

'أعتبر نفسي أكثر من' سكوتي 'لتصميم مهمة Interceptor هذه ، لكنني سأحصل على Spock للمساعدة في اكتشاف الجزء العلمي ،' تأمل موريسون.

يتم تصنيع CABs باستخدام مواد غير مشعة ثم يتم 'شحنها' في مجال إشعاعي لتكوين نظير مشع معين. قال موريسون إن هناك الكثير من النظائر المشعة المختلفة ذات الأهمية (على سبيل المثال Cobalt-60 و Thulium-170) ويمكن توفير التكنولوجيا لتلبية كثافة الطاقة واحتياجات العميل مدى الحياة. العديد من العملاء المحتملين لتكنولوجيا CAB هم شركات أرضية تبحث في تطبيقات تحت الماء أو تحت الأرض.

نظام المفاعلات الصغيرة (MMR ™) هو نظام طاقة نووية من الجيل الرابع يوفر كهرباء وحرارة آمنة ونظيفة وفعالة من حيث التكلفة للمناجم والصناعة والمجتمعات البعيدة. إنه مشروع SMR الرائد في كندا وأول ما يسمى بمفهوم 'البطارية الانشطارية' في جميع أنحاء العالم. الائتمان: USNC

'يتم وضع هذه التكنولوجيا في الريادة لتطبيقات تسخين القمر على نطاق واط على المدى القريب ، لكن اقتراح NIAC يمثل النسخة الرياضية من التكنولوجيا.'

يصف برنامج NIAC نفسه بأنه ينمي أفكارًا ذات رؤية يمكن أن تحول بعثات ناسا المستقبلية من خلال خلق اختراقات ، مع إشراك المبتكرين ورجال الأعمال كشركاء. حتى إذا لم يجعل اعتراض الكائن خارج المجموعة الشمسية وعودة العينة مهمة 'حقيقية' ، فإن موريسون و USNC سيواصلان العمل من أجل جعل CAB مصدر طاقة قابل للتطبيق لكل من الأرض والفضاء.

قال موريسون: 'أنا ممتن للغاية لأننا تلقينا تمويلاً من NIAC ، تستثمر شركتنا بالفعل أموالنا في هذه التكنولوجيا. نود أن تكون CAB بطارية Duracell للمستقبل لأي شيء يبدو مستحيلاً - مثل المهمات الفضائية طويلة الأمد ، أو في البيئات البعيدة على الأرض '.

مفهوم تصميم USNC لنظام دفع حراري نووي متقدم لتسهيل النقل السريع إلى القمر والمريخ. الائتمان: USNC

بالإضافة إلى بطاريات CAB ، تعمل شركة USNC على تطوير تقنيات نووية أخرى. 'النظائر المشعة المستخدمة في CABs هي صخور ساخنة تنتج حرارة ثابتة على مدى فترة طويلة من الزمن. مفاعل الانشطار هو نوع مختلف من التكنولوجيا النووية التي يمكن تشغيلها وإيقافها ، صعودًا وهبوطًا ، 'يشرح كريس. تقوم شركة USNC بتطوير مفاعل انشطار معياري صغير للاستخدام في القطب الشمالي الكندي وهذا المشروع هو المحور الرئيسي لجهود الشركة.

قال موريسون: 'تنفق كندا مئات الملايين من الدولارات سنويًا على الديزل للمولدات لتشغيل بلداتها الصغيرة في المناطق النائية ، وهم يريدون حقًا التحول إلى استخدام مفاعلات معيارية صغيرة.'

اتضح أن أنظمة الطاقة التي تعمل جيدًا للمواقع البعيدة على الأرض جيدة أيضًا للمواقع البعيدة في الفضاء. UNSC-Tech ، حيث يعمل Morrison ، هي شركة تابعة لـ USNC تركز على صناعة الطيران والأنظمة الأرضية المتقدمة. تقوم شركة USNC-Tech بتطوير تقنية الدفع الانشطاري مع وكالة ناسا وداربا بالإضافة إلى مفاعل القمر والمريخ الذي يطلق عليه اسم 'مفاعل بيلون'.

'تقوم USNC-Tech بتصميم قوالب' LEGO 'للتكنولوجيا النووية الفضائية. وأوضح موريسون أن المهمات الفضائية ستستخدم نفس التكنولوجيا الأرضية الأساسية مرتبة في تكوين مختلف لإنجاز أشياء جديدة شجاعة في أماكن جديدة. 'على الرغم من أن Extra Solar Express NIAC هو المفضل لدي.'

التسمية التوضيحية للصورة الرئيسية:تصوير الفنان للاعتراض من خارج المجموعة الشمسية. الائتمان: كريستوفر موريسون