موتور فضایی جدید MIT می‌تواند ماهواره‌های کوچک را به مریخ بفرستد

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست موفق به توسعه سامانه پیشرانش فضایی جدیدی شده‌اند که دو نوع متفاوت از فناوری رانش را در یک بسته واحد ترکیب می‌کند. این فناوری می‌تواند توانایی ماهواره‌های کوچک و ارزان‌قیمت را برای انجام مأموریت‌های اعماق فضا از جمله سفر به مریخ و کمربند سیارکی، به شکل چشمگیری افزایش دهد.

به گزارش ساینس دیلی، این سامانه نوآورانه از یک سوخت مشترک برای تغذیه همزمان پیشران‌های شیمیایی و الکتریکی استفاده می‌کند. رویکردی که ضمن کاهش پیچیدگی طراحی فضاپیما، فضای بیشتری را برای تجهیزات علمی فراهم می‌کند. به گفته پژوهشگران این فناوری می‌تواند نسل جدیدی از ماهواره‌های کوچک را به ابزار‌هایی قدرتمند برای اکتشافات فضایی تبدیل کند.

ترکیب مزایای دو فناوری پیشرانش

در سامانه‌های متداول فضایی پیشران‌های شیمیایی و الکتریکی به مخازن سوخت جداگانه نیاز دارند. پیشران‌های شیمیایی قادرند در مدت کوتاهی نیروی رانش زیادی تولید کنند و برای تغییر سریع مسیر یا افزایش سرعت فضاپیما مناسب هستند. در مقابل پیشران‌های الکتریکی رانش کمتری تولید می‌کنند، اما مصرف سوخت بسیار پایینی دارند و برای سفر‌های طولانی‌مدت ایده‌آل هستند.

آملیا برونو، پژوهشگر سابق دکتری پسادکتری در دانشکده هوانوردی و فضانوردی MIT و نویسنده اصلی این پژوهش می‌گوید: اگر بتوان پیشرانش شیمیایی و الکتریکی را در یک سامانه کوچک ادغام کرد بهترین ویژگی‌های هر دو فناوری در اختیار قرار می‌گیرد. این موضوع به ماهواره‌های کوچک اجازه می‌دهد ماموریت‌های علمی پیچیده‌تر و مشاهدات بیشتری را با هزینه کمتر انجام دهند.

پیشران‌های الکترو‌اسپری چگونه کار می‌کنند؟

فناوری اصلی این پروژه بر پایه پیشران‌های الکترو‌اسپری (Electrospray Thrusters) است؛ سامانه‌هایی بسیار کوچک که ابعادی در حد یک سکه دارند. این پیشران‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی ذرات باردار موجود در یک مایع یونی را شتاب داده و به بیرون پرتاب می‌کنند. خروج این ذرات باعث ایجاد رانش می‌شود.
پیشران‌های الکترو‌اسپری به دلیل بازده بسیار بالا گزینه‌ای مناسب برای جابه‌جایی تدریجی فضاپیما در مسافت‌های بسیار طولانی محسوب می‌شوند. به همین دلیل در سال‌های اخیر توجه زیادی را برای استفاده در ماهواره‌های کوچک و مأموریت‌های اعماق فضا به خود جلب کرده‌اند.

سوختی که هر دو موتور را تغذیه می‌کند

تیم MIT در این پروژه از نوعی سوخت موسوم به ASCENT استفاده کرده است؛ نامی که مخفف عبارت Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic است. این سوخت که توسط نیروی هوایی آمریکا توسعه یافته در اصل برای پیشرانش شیمیایی طراحی شده بود و جایگزینی ایمن‌تر برای سوخت بسیار سمی هیدرازین به شمار می‌رود.

پژوهشگران متوجه شدند که ASCENT در واقع نوعی مایع یونی است همان دسته از موادی که پیش‌تر در پیشران‌های الکترو‌اسپری مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

برونو در این باره توضیح می‌دهد: وقتی متوجه شدیم ASCENT یک مایع یونی است این سوال مطرح شد که آیا می‌توان از آن در پیشران‌های الکتریکی نیز استفاده کرد یا خیر؛ بنابراین آزمایش‌ها را آغاز کردیم.

آزمایش‌های موفق در شرایط شبیه‌سازی‌شده فضایی

برای ارزیابی عملکرد این سوخت پژوهشگران پیشران‌های الکترو‌اسپری را با ASCENT تغذیه کردند. هر پیشران به مخزنی مکعبی در ابعاد تقریبا یک قطعه لگو متصل بود که تنها یک گرم سوخت در آن قرار داشت. ویسکوزیته این سوخت مشابه روغن بچه توصیف شده است.

سپس یک ماهواره کوچک مکعبی (CubeSat) روی سکوی آزمایش شناوری مغناطیسی (MagLev) درون محفظه خلا قرار گرفت تا شرایط فضا شبیه‌سازی شود. در طول آزمایش‌ها، ولتاژ‌های مختلفی به پیشران‌ها اعمال شد و نیروی تولیدشده باعث چرخش ماهواره در محیط خلا شد.

پژوهشگران میزان رانش و مصرف سوخت را در آزمایش‌هایی با مدت زمان حداکثر ۱۰۰ ساعت اندازه‌گیری کردند. نتایج نشان داد که عملکرد ASCENT در پیشران‌های الکترو‌اسپری تقریباً با بهترین سوخت‌های یونی متداول برابری می‌کند.

برونو می‌گوید: این سوخت از نظر رانش، عملکردی مشابه سوخت‌های رایج الکترو‌اسپری دارد. اکنون که مطمئن شده‌ایم سامانه ما با ASCENT کار می‌کند، می‌توانیم به بهبود‌های بیشتری فکر کنیم.

همکاری MIT و ناسا برای نخستین آزمایش فضایی

پژوهشگران MIT در حال همکاری با ناسا در پروژه‌ای با نام Green Propulsion Dual Mode هستند. در این ماموریت یک ماهواره کوچک در ابعاد تقریبا یک کیف دستی به یک موتور شیمیایی و چهار پیشران الکترو‌اسپری مجهز خواهد شد که همگی از یک مخزن سوخت مشترک استفاده می‌کنند.

این ماموریت نخستین آزمایش عملی یک سامانه پیشرانش دومنظوره با مخزن سوخت مشترک در فضا خواهد بود و طبق برنامه قرار است در ماه نوامبر پرتاب شود.

از مریخ تا پایش طوفان‌های زمین

پائولو لوزانو، استاد هوانوردی و فضانوردی MIT و از نویسندگان این مطالعه معتقد است این فناوری می‌تواند ماموریت‌های فضایی آینده را متحول کند.

او می‌گوید: می‌توانیم کیوب‌ست‌ها را به مریخ یا کمربند سیارکی بفرستیم تا با استفاده از پیشران‌های الکترو‌اسپری به‌تدریج مسیر طولانی را طی کنند. سپس در نزدیکی هدف با کمک موتور‌های شیمیایی به سرعت مانور داده و مناطق مورد علاقه را بررسی کنند. این انعطاف‌پذیری، امکان انجام ماموریت‌های بسیار بیشتری را فراهم می‌کند.

به گفته وی کاربرد این فناوری تنها به ماموریت‌های میان‌سیاره‌ای محدود نمی‌شود. در مدار زمین نیز می‌توان از آن برای پایش آب‌وهوا، بررسی تغییرات اقلیمی و استقرار سریع یا تدریجی منظومه‌های ماهواره‌ای متناسب با نیاز‌های ماموریت استفاده کرد.

لوزانو تاکید می‌کند: برای نخستین بار یک ماهواره از مخزن سوخت مشترک برای دو سامانه پیشرانش متفاوت استفاده خواهد کرد. این دستاورد می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از ماهواره‌های کوچک، ارزان و بسیار توانمند هموار کند.