انرژی فضاپیمایی برای کاسینی

آر تی جی ها ، فضا پیمای ویجر ناسا را قادر به دستیابی به اکتشافات بی نظیری مثل : اکتشاف در ژوپیتر، زحل ، اورانوس، و نپتون به مانند عملیات پایونییر به ژوپیتر و زحل کرد. منابع قدرت آر تی جی، عملیات گالیلئو به ژوپیتر،عملیات بین المللی اولیسز -که هدفش مطالعه نواحی قطبی خورشید است- و مأموریت کاسینی به زحل را مقدور می سازد.
مطالعات وسیع انجام شده توسط جی پی ال ناسا، نمایان ساخت که مأموریت کاسینی ناسا ،با توجه به مقاصد علمی اش ، سیستمهای پرتاب کنونی،زمان سفر به مقصدش، فاصله بسیار زیاد زحل از خورشید، نیازمند آر تی جی است.

آر تی جی ها چیستند؟
آر تی جی ها سیستمهای فشرده قدرت فضاپیما هسنتد که ماورای تصور ، قابل اعتمادند.آر تی جی ها راکتورهای اتمی نیستند و هیچ قسمت محرکی ندارند.آنها ، نه از شکافت و نه از جوشش هسته ای برای تولید انرژی استفاده می کنند. در عوض، آنها انرژی را از طریق تجزیه طبیعی رادیواکتیو (بیشتر پلوتونیوم ۲۳۸ ، یک ایزوتوپ بدون درجه تسلیحاتی) فراهم می کنند.گرمای تولید شده با این فرایند طبیعی ،توسط مبدلهای حرارتی حالت جامد به الکتریسیته تبدیل می شود.

طراحی ایمنی
ایالات متحده، سابقه درخشانی از ایمنی در استفاده آرتی جی ها در ۲۴ عملیات در طول سه دهه قبل دارد.در حالی که هرگز، آر تی جی ها در هیچ کدام ازاین عملیات باعث شکستی نشدند،تنها در سه عملیات ناموفقی که از آنها استفاده شد دلایل دیگری برای شکستشان اعلام شد. در تمام موارد، آر تی جی ها همانطور که طراحی شدند، کار کردند.
بیشتر از ۳۰ سال است که بر روی مهندسی ، آنالیز ایمنی و آزمایشات آر تی جی ها سرمایه گزاری شده است. ویژگی های ایمنی درطراحی آر تی جی ها لحاظ شده اند، و آزمایشات گوناگون نشان دادند که شرایط فیزیکی بیشتری را نسبت به آنچه که در اتفاقات انتظار می رفت، می توانند تحمل کنند.
در ابتدا ، سوخت دی اکسید پلوتونیومی که استفاده می شود خودش سپر حرارتی است، قالب سرامیکی که شانس این که در آتش یا هنگام ورود دوباره به محیط های مختلف تبخیر شود را کاهش می دهد. این سوخت قالب سرامیکی نیز بسیار غیر محلول است، واکنش پذیری شیمیایی کمی دارد ، واگر شکافت، تمایل به این دارد که به ذرات و تکه های بزرگ و غیر قابل استنشاق بشکند. این ویژگیها به کم کردن اثرات مهم سلامتی در سانحه هایی که منجر به نشر این سوخت می شود، کمک می کند.
دوم اینکه، این سوخت به ۱۸ واحد پیمانه ای کوچک تقسیم می شود، هر کدام با سپر حرارتی و پوسته ضربه مربوط به خودش. اینگونه طراحی ،احتمال نشت سوخت را در سانحه ای کم می کند زیرا که تمام پیمانه ها در سانحه به طور یکسان ضربه نمی بینند.
سوم اینکه، لایه های مختلفی از مواد محافظ، شامل کپسولهای ایریدیوم و بلوکهای با استحکام بالا، برای حفظ سوخت و جلوگیری از نشت اتفاقی اش به کار برده می شوند. ایریدیوم فلزی است که نقطه ذوب بسیار بالایی دارد و سخت، مقاوم در برابر خوردگی و از لحاظ شیمیایی با دی اکسید پلوتونیوم سازگار است. این ویژگیها ایریدیوم را برای حفاظت و محدود نگاه داشتن هر قرص سوخت مفید می سازد. گرافیت برای اینکه سبک وزن و با مقاومت حرارتی بالا است ، مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل: شمایی از محافظ چندین لایه ی منبع حرارت آر تی جی
حوادث بالقوه آر تی جی به اشتباه با حوادث در نیروگاههای اتمی یکی درنظر گرفته می شوند. این کاملا اشتباه است که حادثه ای مربوط به یک آر تی جی را با حادثه چرنوبیل یا دیگر حوادث تشعشعی گذشته در ارتباط با شکافت هسته ای مرتبط بدانیم.آر تی جی ها از فرایند همجوشی یا شکافت هسته ای استفاده نمی کنند و هرگز هم نمی توانند مانند یک بمب هسته ای تحت هیچ سناریو در حادثه ای منفجر شوند. همچنین حادثه ای مرتبط با یک آر تی جی نمی تواند بیماری حادی در اثر تشعشع شبیه به آن در ارتباط با انفجارهای اتمی بوجود آورد.
آنالیزهای کامل و دقیق ایمنی قبل از پرتاب فضاپیمای ناسا با آرتی جی ها انجام گرفته و گامهای محتاطانه زیادی جهت کاهش ریسکهای شامل عملیات ناسا با استفاده از آرتی جی ها برداشته شده اند. علاوه بر الزامات و بررسی های ایمنی داخلی ناسا، عملیاتی که مواد اتمی حمل می کنند نیز متحملِ بررسی ایمنی شدیدی شامل آزمایشات و تحلیلهای تأییدیِ دقیق می شوند. بعلاوه ، ارزشیابی ایمنی مستقلی از این عملیات به عنوان قسمتی از فرایند تأیید ایمنی پرتاب اتمی با یک پنل بررسی ایمنی اتمی (آی ان اس آر پی) تک کاره بین سازمانی-که توسط افراد مجربی از دولت، صنعت و دانشگاهها حمایت می شوند - انجام می شود.

جایگزین های غیر اتمی برای آر تی جی ها
ناسا دریافت که حتی با آرایه های خورشیدی حاوی آخرین سلول های خورشیدی با راندمان بالای توسعه یافته توسط آژانس فضایی اروپا (ای اس اِی) امکان هدایت عملیات کاسینی با استفاده از نیروی خورشیدی نخواهد بود. این به خاطر این است که آرایه ها ، برای اینکه انرژی موردنیاز الکتریکی کاسینی را فراهم کنند، باید آنقدر بزرگ باشند تا اینکه فضاپیما به عنوان مجموعه ای برای پرتاب باید خیلی پرجرم باشد.

تاب بازی کاسینی توسط زمین
هدف گیری یک فضاپیما برای اینکه از فاصله خیلی نزدیک یک سیاره یا قمر رد شود، این امکان را فراهم می کند تا فضاپیما را به مقاصد دورتری با سرعت بالاتری به جلو برانیم. با نام اثر تیرکمان یا درست تر ، تاب بازی با کمک گرانش ، این مانور به یک روش معینی از پرتاب فضاپیمایی سنگین ، مملو از ابزار به سیارات بیرونی تبدیل شده است. کاسینی زمانی از قبل برای استفاده از این تکنیک تاب بازی توسط زهره و سپس زمین و مشتری جهت رسیدن به زحل ،مقصد نهایی اش ساخته شده است .
تاب بازی توسط زمین برای اطمینان از اینکه احتمال ورود مجدد به داخل جو زمین در مدت مانور خیلی کم، کمتر از یک در میلیون است ،طراحی شد. فضاپیمای رباتیک وابسته به سیاره ناسا، مانورهای مشابه بسیار زیادی را با دقت فوق العاده ای انجام داده است.
طراحی اضافی سیستمها و قابلیتهای ناوبری کاسینی اجازه کنترل نوسانات ارتفاعی در زمین برای دقتی از ۳ تا ۵ کیلومتر (۲ تا ۳ مایل) در ارتفاعی حدوداً ۱۱۶۶ کیلومتر(۷۲۵ مایل) را می دهد .فضاپیمای گالیله ناسا، به دقت مشابهی زمانی که توسط زمین در سال ۱۹۹۰ و ۱۹۹۲ پرواز کرد، رسید.
بعلاوه، ناسا فعالیتهای بخصوصی را جهت طراحی فضاپیما و عملیاتی به این شیوه برای اطمینان ازاینکه احتمال برخورد با زمین کمتر از یک در میلیون است.برای مثال ، تا ۷ روز قبل از تاب بازی توسط زمین ، فضاپیما بر روی یک گذرگاهی است که ،بدون هیچگونه مانور اضافی ، زمین را با هزاران کیلومتر فاصله از دست خواهد داد.خط مسیر جانبدارانه همچنین جداً احتمال اینکه رویدادهای تصادفی خارجی(نظیر تیر شهاب های میکرونیِ مخزن محرک یک فضاپیما) احتمالاً منجر به برخورد با زمین شود را محدود می کند.

خطرات تشعشعات پلوتونیوم ۲۳۸
دانستن اینکه در معرض قرار گرفتن شخصی در برابر تشعشع بدین معنی نیست که شخص مذکور سرطان خواهد گرفت، خیلی مهم است. مردم به طور روزانه در معرض تشعشع قرار می گیرند،اساساً از منابع طبیعی در محیط گرفته تا مقدار کمتری مربوط به فعالیتهای بشر مثل اشعه ایکس پزشکی.این در معرض تشعشع قرار گرفتن در واحدهای دز که میلیرم نام دارد ، اندازه گیری می شود.منابع طبیعی تشعشع شامل رادون، دیگر مواد رادیواکتیو به طور طبیعی در زمین، اشعه های کیهانی،و حتی برخی مواد رادیواکتیوی که به طور طبیعی در بدن یک شخص رخ می دهند، می باشند.(شکل ۱ را مشاهده نمایید.) تمام این منابع رادیواکتیو کمک می کنند به آنچه که اغلب به عنوان تشعشع پس زمینه اشاره دارد . فراتر از یک سال، یک شخص معمولی در مجموع ،در معرض حدوداً ۳۶۰ میلیرم تشعشع پس زمینه قرار می گیرد ،با حدوداً ۳۰۰ میلیرم از تمام آنچه از تشعشع پس زمینه طبیعی (که رادون، اشعه های کیهانی، و صخره ها و خاکها است) می آید. بیش از ۵۰ سال، یک شخص معمولی ،در معرض حدوداً ۳۶۰ میلیرم تشعشع پس زمینه طبیعی قرار خواهد گرفت.
دانشمندان از چیزی که تخمین گر اثرات سلامت نامیده می شود برای پیش بینی اینکه چه تعداد از مردم در جمعیتی که در معرض تشعشع قرار دارند انتظار می رود که در اثر سرطان بمیرند ، استفاده می کنند. تعداد مرگ ومیر با مقدار تشعشع افزایش می یابد.هرچه تشعشع نسبت به اندازه جمعیت مشابهی بیشتر باشد، به همان مقدار اثرات سلامت بیشتری پیش بینی می شود.به عنوان مثال، مردمی که در دنیور زندگی می کنند، درر ارتفاع ۱۵۰۰ متری( ۵۰۰۰ فوت) دز سالیانه تشعشع را که بیشتر از آنهایی است که نزدیک سطح دریا زندگی می کنند،دریافت می کنند.سالیانه درحدود ۳۰ میلیرم بیشتر ، دز اضافی تشعشع از تشعشع کیهانی به هر نفر در دنیور اختصاص می یابد. با استفاده از تخمین گر اثرات سلامت، دانشمند به دلیل همین ۳۰ میلیرم اضافه، قدری تخمین بیشتری از اثرات سلامت در دنیور را از همان جمعیت شهری نزدیک سطح دریا می تواند محاسبه کند. این روش مقیاس گذاری تخمین مرگ و میرهای سرطان ناشی از دز تشعشع ممکن است که در مورد تعداد مرگ و میر انتظار داشته ناشی از تشعشع سطح پایین غلو کند. این به خاطر این است که برخی دانشمندان مدرکی دارند که اشاره می کند که احتمال اینکه آنجا آستانه کمینه ای از قرار گرفتن در معرض تابش برای بروز مرگ و میر ناشی از سرطان وجود داشته باشد ، ممکن است. این دانشمندان دلیل آوردند که بدن انسان ممکن است تعداد کمی از سلولهایی که در اثر قرار گرفتن در معرض سطح تابش پایین آسیب دیده باشند را ترمیم کند. بهر حال ناسا، این راه را برای کاسینی بکار نگرفت، اما راه حل محتاطانه تری را که فرض می کند حتی پایین ترین دز نیز می تواند اثری داشته باشد را مورد استفاده قرار داد.
در صورت وقوع اتفاقی بسیار بعید که ورود دوباره غیر عمد کاسینی به زمین، مقداری از دی اکسید پلوتونیوم می تواند به داخل اتمسفر آزاد شود. ذرات ریز دی اکسید پلوتونیوم که بطور بالقوه برای مردم پرخطر است برای مدت زیادی در بالا(در جو ) باقی خواهد ماند. این عمل در ذرات منجر به پخش شدن در سراسر جهان بطور خیلی اندک می شود و در نهایت راهشان را به سطح می سازند،بیشتر به اقیانوسها. نظر به اینکه ماده کاملا نامحلول است ، اولین باری که به سطح برسد بیشترش دردام اقیانوسها یا خاکها می افتد و در غالب خطر سلامتی ، خودنمایی نخواهد کرد.بدینسان، بیشتر ماده منتشر شده توسط مردم تنفس نخواهد شد.مقدار کمی از ماده منتشر شده که توسط مردم تنفس می شود، درکل جهان پخش خواهد شد. از آنجایی که مقدار تنفس شده خیلی کم است، دز تشعشعی که یک نفر انتظار میرود دریافت کند کلاً در طول ۵۰ سال کمتر از یک میلیرم است. این دز کم تشعشع هنگامی که با دز ۱۵۰۰۰ میلیرم یک فرد معمولی که از تشعشع پس زمینه دریافت خواهد کرد (در طول همان دوره ۵۰ ساله) ، غیر قابل تشخیص است.


جمع بندی
آر تی جی ها ، فضاپیما را قادر می سازد تا در فواصل قابل توجهی از خورشید یا در مناطق دیگری که سیستمهای انرژی خورشیدی میسر نیستند، کار کنند. آنها برای برونداد انرژی، اعتبار و دوام نسبت به هر منبع انرژی دیگری برای عملیات به منظومه های خورشیدی بیرونی ای بی همتا باقی می مانند و خیلی امن هستند.

باتشکر از «رضا بهادری» ،مترجم مقاله فوق، که این مقاله را در اختیار ما قرار دادند (مدیر سایت)
ایمیل مترجم: reza-bahadori@engineer.com