راکتورهای همجوشی فضایی می‌توانند انرژی تمدن‌های آینده بشر را تأمین کنند

بر اساس پژوهشی جدید، تولید انرژی از طریق همجوشی هسته‌ای در فضا می‌تواند مزایایی نسبت به نمونه‌های زمینی داشته باشد. یانگ کی. بائه، نویسنده این مقاله، معتقد است راکتورهای فضایی می‌توانند طراحی سبک‌تر، ساختار ماژولار و قابلیت توسعه‌پذیری بیشتری داشته باشند.

همجوشی هسته‌ای هنوز به منبع انرژی کاربردی برای استفاده گسترده در زمین یا فضا تبدیل نشده، اما بائه باور دارد که این فناوری در آینده می‌تواند به یکی از اجزای اساسی زیرساخت‌های فضایی تبدیل شود.

دانشمندان دهه‌ها برای مهار همجوشی هسته‌ای، همان فرایندی که ستارگان را روشن نگه می‌دارد، تلاش کرده‌اند. اگرچه دستیابی به نیروگاه‌های همجوشی کاربردی همچنان فاصله زیادی دارد، سرمایه‌گذاری‌های گسترده‌ای در این حوزه انجام می‌شود؛ زیرا این فناوری از نظر نظری ظرفیت تولید انرژی پاک و تقریباً نامحدود را دارد. چنین ظرفیتی حتی می‌تواند از نیاز جهانی به انرژی فراتر برود و گذار به شبکه برق بدون کربن را تسهیل کند. اکنون یکی از پژوهشگران در تلاش است مسیر تازه‌ای را برای تحقق این هدف دیرینه بررسی کند: ساخت راکتورهای همجوشی در فضا.

تصور کنید راکتورهای عظیم دونات‌شکلی که توکامک نام دارند، در مدار زمین‌ثابت شناور باشند یا ماهواره‌هایی با پرتاب پرتوهای لیزر در پهنه فضا، شرایط لازم برای آغاز واکنش‌های همجوشی را فراهم کنند. در حال حاضر، این ایده‌ها بیشتر جنبه نظری و فرضی دارند. با این حال، یانگ کی. بائه، فیزیک‌دان دارای مدرک دکتری، در مقاله جدید خود که در مجله علمی داوری‌شده اکتا آستروناتیکا منتشر شده، توضیح می‌دهد که تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای در فضا می‌تواند نسبت به نمونه‌های زمینی مزایایی داشته باشد و در آینده سوخت لازم برای گسترش تمدن انسانی در فضا را فراهم کند.

بائه در مصاحبه‌ای درباره هدف خود گفت

من روی این موضوع کار می‌کنم، چون آن را نقطه آغازی برای شکل‌گیری تمدنی می‌دانم که در آینده در فضا زندگی و فعالیت خواهد کرد. هدف فعلی من همین است؛ برداشتن نخستین گامی که بشریت بتواند در آینده مسیر خود را بر پایه آن ادامه دهد.

او اضافه کرد که اجرای چنین پروژه‌ای قطعاً به همکاری افراد زیادی نیاز دارد، اما خودش امیدوار است برای تحقق آن تلاش کند.

بائه یکی از گروه کوچکی از دانشمندانی به شمار می‌رود که به دنبال طراحی‌های XNETه برای ساخت راکتورهای همجوشی در فضا هستند. چنین سازه‌هایی می‌توانند انرژی موردنیاز زیستگاه‌های خارج از زمین، پروژه‌های تولید صنعتی در فضا، مراکز داده مداری، مأموریت‌های اکتشاف اعماق فضا و کاربردهای گوناگون دیگر را تأمین کنند. مقاله او نقشه راهی اولیه برای ساخت یک توکامک با توان تولید یک گیگاوات ارائه می‌دهد؛ ظرفیتی قابل مقایسه با دست‌کم یک نیروگاه بزرگ زغال‌سنگی یا هسته‌ای که برق موردنیاز حدود یک میلیون خانه را تأمین می‌کند. چنین سامانه‌ای می‌تواند به تحقق این اهداف بلندپروازانه کمک کند.

بائه در مقاله خود درباره اهمیت این فناوری نوشت

تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای در فضا امکان دستیابی به تراکم توان بالاتر را برای فعالیت‌های صنعتی در مقیاس بزرگ و مأموریت‌های اعماق فضا فراهم می‌کند؛ مأموریت‌هایی که در آن‌ها دسترسی پیوسته به انرژی اهمیت حیاتی دارد. این مزیت در سامانه‌هایی با ظرفیت چند گیگاواتی بیش از پیش افزایش می‌یابد.

همجوشی هسته‌ای زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند اتم با یکدیگر ترکیب شوند و اتمی جدید تشکیل دهند. این واکنش مقدار عظیمی انرژی آزاد می‌کند. هنگامی که در طول روز از نور خورشید بهره می‌برید یا شب‌ها به ستارگان دوردست نگاه می‌کنید، در واقع با پیامدهای انرژی ناشی از واکنش‌های همجوشی روبه‌رو هستید. دانشمندان بیش از یک قرن برای بازسازی این فرایند طبیعی در راکتورهای مصنوعی تلاش کرده‌اند و همچنان با موانع فنی دشواری مواجه‌اند.

در توکامک‌ها، واکنش همجوشی درون پلاسمای داغ و بارداری آغاز می‌شود که میدان‌های مغناطیسی قدرتمند آن را در محفظه‌ای حلقوی و دونات‌شکل محصور می‌کنند. این روش که همجوشی با محصورسازی مغناطیسی نام دارد، در توکامک‌های زمینی به مرحله آزمایش و نمایش عملی رسیده است. با وجود پیشرفت‌های قابل توجه، تاکنون هیچ راکتوری نتوانسته به مرحله سربه‌سر انرژی همجوشی برسد؛ مرحله‌ای که در آن انرژی تولیدشده از همجوشی از کل انرژی مصرف‌شده برای راه‌اندازی تجهیزات و آغاز واکنش بیشتر باشد.

چرا ساخت راکتور همجوشی در فضا اهمیت دارد؟

مقاله بائه نشان می‌دهد که توکامک‌های فضایی ممکن است در مقایسه با نمونه‌های زمینی مزایای مهمی داشته باشند. محیط ریزگرانش می‌تواند بارهای سازه‌ای سنگین واردشده بر توکامک‌ها را کاهش دهد. همچنین، نبود فشار جو در فضا این امکان را فراهم می‌کند که ابعاد و جرم محفظه‌های خلأ به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

این پژوهش همچنین احتمال می‌دهد گرمای بسیار زیاد تولیدشده در یک توکامک فضایی، با استفاده از پنل‌های ویژه مستقیماً به فضا تابانده شود. این پنل‌ها می‌توانند در دمای بسیار بالای حدود ۷۲۷ درجه سانتی‌گراد، معادل ۱۳۴۰ درجه فارنهایت، فعالیت کنند. بائه در ایمیلی درباره این فناوری نوشت

این روش بالقوه می‌تواند به دفع مؤثرتر گرما به ازای هر واحد جرم، در مقایسه با راکتورهای مشابه زمینی، کمک کند.

اگرچه پژوهش اخیر بر همجوشی با محصورسازی مغناطیسی در فضا تمرکز دارد، بائه به روش اصلی دیگر این فناوری، یعنی همجوشی با محصورسازی لختی، نیز امیدوار است. در این روش می‌توان از لیزرهای پرقدرت برای ایجاد شرایط لازم جهت آغاز واکنش همجوشی استفاده کرد و به اعتقاد او، اجرای این فناوری در فضا نیز امکان بررسی دارد.

پیشینه پژوهشگر و چشم‌انداز آینده انرژی فضایی

بائه از سال ۱۹۷۹ و هم‌زمان با آغاز دوره دکتری خود در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، به بررسی ظرفیت‌های انرژی همجوشی هسته‌ای علاقه‌مند شد. او در جریان تحصیلاتش به گروه پژوهشی همجوشی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی پیوست و با این منبع انرژی پیشرفته آشنا شد.

در ادامه مسیر حرفه‌ای، علاقه او به اکتشافات فضایی نیز گسترش یافت و پیوند نزدیکی میان این حوزه و پژوهش‌های همجوشی شکل گرفت. او مانند بسیاری از علاقه‌مندان به فضا، انرژی همجوشی را یکی از عوامل کلیدی برای ایجاد سکونتگاه‌های پایدار خارج از زمین، از جمله ایستگاه‌های مداری و شهرهای واقع در جهان‌های فرازمینی، می‌داند.

بائه در اوایل سال جاری میلادی مؤسسه پژوهشی اسپیس‌فیرینگ ریسرچ را در شهر کرونا در ایالت کالیفرنیا تأسیس کرد. این مؤسسه با هدف پیشبرد اکتشافات فضایی فعالیت می‌کند و او مسئولیت دانشمند ارشد آن را بر عهده دارد. او در ماه‌های اخیر ایده همجوشی هسته‌ای فضایی را با استادان پیشین و همکاران خود مطرح کرده است. به گفته خودش، واکنش همکارانش چندان پرشور نبود، اما علاقه روزافزون او به این موضوع باعث شد محاسبات و بررسی‌های فنی را آغاز کند.

بائه درباره ترکیب دانش خود در دو حوزه همجوشی و مهندسی فضا گفت

همکارانم در زمینه همجوشی تخصص دارند، اما با مهندسی فضایی آشنا نیستند. من اتفاقاً هر دو حوزه را می‌شناسم. به همین دلیل تصمیم گرفتم این دو دانش را با یکدیگر ترکیب کنم و ببینم از این راه به چه نتایجی می‌توان رسید.

در حال حاضر، بیشتر فضاپیماها از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند. این منبع در نزدیکی خورشید فراوان است، اما با دور شدن از آن و حرکت به سوی مأموریت‌های دوردست، کارایی و دسترسی به انرژی خورشیدی کاهش می‌یابد. برای تأمین انرژی مطمئن‌تر، ایالات متحده و چین نیز در رقابت برای ایجاد راکتورهای شکافت هسته‌ای روی ماه هستند.

این راکتورها می‌توانند با شکافتن اتم‌ها، برخلاف فرایند همجوشی، انرژی موردنیاز فضانوردان مستقر در پایگاه‌های قمری را فراهم کنند. البته راکتورهای شکافت با نگرانی‌های ایمنی ناشی از احتمال آلودگی رادیواکتیو و همچنین مسائل امنیتی مرتبط با حضور سوخت هسته‌ای با قابلیت تسلیحاتی در فضا روبه‌رو هستند؛ هرچند در حال حاضر برنامه‌ای برای استفاده از سوخت مناسب ساخت بمب در این راکتورها وجود ندارد.

اگر تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای در فضا روزی به واقعیت تبدیل شود، دستاوردی که هنوز با تردیدهای فراوان همراه است، این فناوری می‌تواند انرژی بسیار بیشتری نسبت به سامانه‌های خورشیدی یا شکافت هسته‌ای تولید کند. چنین قابلیتی ممکن است اکتشافات فضایی را متحول سازد و امکان ساخت نیروگاه‌هایی خارج از زمین را فراهم آورد که سوخت و انرژی فضاپیماها را در مدار تأمین کنند یا برق موردنیاز پایگاه‌های انسانی روی ماه و دیگر اجرام آسمانی را در اختیار آن‌ها بگذارند.

افزون بر این، پژوهش‌های پیشین امکان استفاده از راکتورهای همجوشی برای پیشرانش فضاپیماهای بسیار پیشرفته را بررسی کرده‌اند؛ از جمله سفینه‌های مسافربری عظیم و حتی وسایل نقلیه‌ای که برای سفر میان‌ستاره‌ای طراحی می‌شوند.

البته ساخت یک توکامک در فضا هزینه‌های قابل توجهی به همراه خواهد داشت. این تأسیسات دست‌کم به سازه‌هایی با قطر چندین متر نیاز دارند و انتقال یک سامانه کامل به مدار، کار ساده‌ای نخواهد بود. به همین دلیل، احتمالاً راکتور باید در قالب ماژول‌های جداگانه به فضا پرتاب شود و سپس در مدار به یکدیگر متصل شوند؛ روشی مشابه ساخت ایستگاه فضایی بین‌المللی.

با وجود محدود بودن پژوهش‌ها در زمینه راکتورهای همجوشی فضایی، گروه‌های علمی دیگری نیز در این مسیر فعالیت می‌کنند. اوایل سال جاری، تیمی پژوهشی از سنگاپور و چین در مطالعه‌ای که هنوز به‌صورت پیش‌چاپ منتشر شده بود، ایده ساخت یک نیروگاه عظیم فضایی مبتنی بر واکنش‌های همجوشی کنترل‌نشده را بررسی کرد. بائه در مقاله خود همچنین به پژوهش‌های XNETه تری کاماش، متخصص همجوشی هسته‌ای در دانشگاه میشیگان، اشاره کرده است. کاماش که در سال ۲۰۲۴ درگذشت، از دهه ۱۹۸۰ درباره ظرفیت‌های تولید انرژی از همجوشی هسته‌ای در فضا بحث و پژوهش می‌کرد.

بائه امیدوار است تحقیقاتش دانشمندان بیشتری را به بررسی جدی محدودیت‌های عملیاتی و مزایای راکتورهای همجوشی فضایی ترغیب کند. او درباره آرزوی خود برای نسل‌های آینده گفت

واقعاً می‌خواهم دخترم یا نسل بعدی خانواده‌ام و در مقیاسی بزرگ‌تر، نسل‌های آینده بشریت بتوانند روی این مسیر قدم بگذارند؛ تا آن‌ها فرصت داشته باشند به فضا بروند و در آنجا زندگی کنند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.