ترکیب احتراق و شکافت هسته ای برای ایجاد موشک های با سوخت ترکیبی (اتمی-شیمیایی)

این پست کلا در مورد موشک ها و سازوکار تولید انرژی پیشران موشک ها است. دو نوع سوخت برای موشک ها امروزه استفاده می شود: سوخت مایع و سوخت جامد. سوخت مایع می تواند الکل باشد. (در موشک بالستیک) ضمنا باتوجه به سوختن سریع نمی توان به اکسیژن جو اعتماد کرد. بلکه باید اکسیژن را به صورت خالص و زیاد در محفظه ای وارد کرد و حین سوختن سوخت موشک آن را به محفظه احتراق وارد کرد. در این صورت سوختن با سرعت فوق العاده بالا و همچنین بهتر صورت می گیرد.(وگرنه خیلی از ماده سوختنی بدون سوختن کامل از موشک بیرون می رود و بازده موشک پایین می آید. مثل زمانیکه از اتومبیل گاز CO به بیرون می رود. در حالیکه می تواند تمام گاز خروجی CO2 باشد. اگر بتوان کاری کرد که اتومبیل این طور باشد بازده بیشتر و مصرف سوخت کمتر می شود. و می توان بر سرعت اتومبیل افزود.) 

سوخت مایع و اکسیژن هرکدام محفظه ای جداگانه دارند و در زمان احتراق هر دو به محفظه احتراق وارد می شوند و نیروی پیشران تولید می شود.

و اما سوخت جامد؛ همه با باروت و نحوه سوختن آن آشنایی داریم. سوخت جامد هم ترکیبی از مواد متنوع (پتاسیم نیترات یا آمونیوم پرکلرات و ...) است که با سرعت زیاد و غیر قابل کنترل می سوزد. بنابراین از سوخت جامد در موشک هایی استفاده می کنند که نیاز به کنترل مثل خاموش کردن آتش موشک ندارند. در مرحله اول یعنی در راکت های کمکی برای فرستادن شاتل به فضا از سوخت جامد استفاده می شود و در مرحله دوم یعنی موشک اصلی از سوخت مایع استفاده می کنند.

حالا برویم سراغ بحث اصلی این پست. معنای سوخت ترکیبی اتمی-شیمیایی چیست؟ 

یادم است زمانی روی تابلو در مدرسه جمله ای از انیشتین را زده بودند: زندگی مثل دوچرخه سواری می ماند، اگر حرکت نکنی می افتی.

حالا در این جمله ما کاری به زندگی و نصیحت و درس اخلاقی نداریم. بلکه این پدیده که سرعت دوچرخه باعث پدیده ای بسیار مهم یعنی تعادل دوچرخه است توجهم را  جلب کرد.

ماده سوختنی با اکسیژن ترکیب می شود و موجب تولید گرما و نور می شود. گرما که در اینجا معادل انرژی جنبشی است موجب پرتاب به بیرون مواد گازی سوخته می شود و همین موجب نیروی دفعی برای حرکت موشک یعنی می شود.

چه تفاوتی میان حرکت موشک در فضا با حرکت موشک در جو زمین وجود دارد؟ در جو، حرکت موشک مواجه با دو نیرو است: اول نیروی مقابل موشک(اصطکاک با هوا) و دوم نیروی عکس المعل گازهای خروجی از عقب موشک که تکیه گاه برای حرکت به جلو(مولکول های هوا. زمانی که موشک با ایجاد نیروی کنش موجب تولید نیروی واکنش مولکول های هوا می شود.) محسوب می شود. اگر موشک مدتی در جو زمین حرکت کند بدون در نظر گرفتن اثر جاذبه، از سرعتش کاسته می شود اما در فضا از سرعت موشک کاسته نمی شود.

در فضای خلا، هیچ کدام از دو نیروی بالا نیست. یعنی اینکه در خلا نه نیروی اصطکاک هست و نه نیروی عکس المعل که تکیه گاه برای فشار گازهای موشک به عقب محسوب می شود. خالی و بدون ذرات بودن فضا مزیت بزرگی است. چراکه موجب نبود اصطکاک می شود که یک امتیاز است. اما نبود تکیه گاه برای ایجاد نیروی عکس المعل یک مسئله است. 

اجازه بدهید با یک مثال مطلب را پیش ببرم؛ وقتی سوار قایق پارویی هستیم، با عقب راندن آب بوسیله پارو قایق بر روی آب سر می خورد و به جلو می رود. اما در خلا آب وجود ندارد. هواپیما هم با ایجاد نیرو و فشار دادن هوا، حرکت می کند. اما در فضا هوا هم نیست.

 تنها تکیه گاه در خلا برای موشک فضایی، گازهای خروجی موشک  هستند. پس باید بازده موشک را با افزودن انرژی اتمی در کنار سوخت شیمیایی بالا برد که از همان گازهای کم عقب موشک بعنوان تکیه گاه استفاده کرد. این درصورتی رخ خواهد داد که نیروی باسرعت در زمان کم به گازها وارد شود. 

سوخت اتمی موجب تولید حرارت بسیار بالا و در نتیجه جنبش بسیار بالا است. جنبش بسیار بالا و سرعت بالای برخورد مولکول ها با هم... پس اگر بتوان از انرژی اتمی در ساختار موشک ها به گونه ای بهره گرفت بسیار خوب است.

■ اجازه می خواهم تا در مورد تعادل در سرعت بیشتر بحث کنیم. در مثال دوچرخه، سرعت داشتن دوچرخه موجب صفر شدن زمان سقوط  دوچرخه می شود. فرض کنید که دکمه ی توقف زمان را در دست داریم. دوچرخه را ثابت نگه می داریم و با فشار دادن دکمه توقف زمان! زمان را نگاه می داریم. دوچرخه بدون کمک هیچ تکیه گاه خود صاف ایستاده است. این پدیده در زمانی که دوچرخه در حال حرکت (یا سرعت) است هم رخ می دهد. پس ما زمان سقوط دوچرخه را با سرعت دادن به آن متوقف یا صفر می کنیم.

اگر در زمان کم بتوان نیرو بر نیرو سوار کرد، موجب ایجاد یک دیوار جرمی می شود. موشک ها فعلا تنها از سوخت های شیمیایی استفاده می شود.

مزیت ها:

تولید انرژی اتمی نیاز به اکسیژن و ماده اکسنده ندارد. 

میزان انرژی تولید شده حاصل از شکافت اتمی بسیار بیشتر از انرژی سوختی شیمیایی است.

 سنگینی موشک با افزودن انرژی اتمی کاسته می شود.

با اضافه شدن نیروی اتمی، نگرانی بابت تامین سوخت وجود نخواهد داشت.

---------------------------------------------------

برای توضیح بیشتر مطلب یک صحنه تصویری را تصور کنید که گازها در حال خروج از موشک اند. حال فیلم را استوپ می کنیم، چی می بینیم؟ در پایین یا عقب موشک حجمی از گازها را می بینیم. ما از همین گازها به مثابه تکیه گاه(تکیه گاه مثل آب در مثال قایق و هوا در مثال هواپیما) استفاده می کنیم. چگونه؟ در همین حال که سرعت فیلم یک هزارم است، با افزودن ماده ای که انرژی جنبشی خیلی زیادتر تولید میکند(نیروی هسته ای) موجب ایجاد فشار زیاد به گازهای فشرده در عقب موشک می شود. گرچه آن گازها جرم قابل توجه ندارند، اما چون انفجار اتمی در زمان خیلی اندک صورت می گیرد مثل این است که از آن گازها به عنوان تکیه گاه یا دیوار ثابت استفاده می شود. اگر بصورت متناوب این فرایند تکرار شود، سرعت موشک بسیار بالاتر می رود.(تقریبا سازوکاری مثل دیوار صوتی دارد که جت با سرعت بسیار بالا موجب فشردگی مولکول های هوا و ایجاد صدای انفجار می شود. ما از فرایند برعکس فرایند بالا در موشک های اتمی-شیمیایی استفاده می کنیم. یعنی دیوار صوتی را در عقب موشک با ایجاد فشار ناگهانی تولید می کنیم و مثل یک دیوار یا تکیه گاه برای پیش راندن موشک از آن استفاده می کنیم. هزاران دیوار گازی که متناوبا تولید می شوند.)

* توضیح بیشتر در مورد عناصر سنگین رادیو اکتیو: در بحث های سابق ذکر شد که ماده هرچه چگال تر شود مرده تر و هرچه سبک تر شود زنده تر است. عناصر سنگین هم دارای چگالیت بالا هستند. پس مرده محسوب می شوند. این عناصر مرده در بدن موجودات زنده به ندرت ظاهر می شوند. یعنی عنصر چگال مرده برای ایجاد حیات و شرکت در ساختار موجودات زنده به ندرت  دخالت دارد. پس حالا که در بدن موجودات زنده شرکت ندارند چه استفاده ای دارند؟ می توان از آنها استفاده های دیگر کرد. از آنها به عنوان منابع تامین اجزاء اتمی و انرژی استفاده کرد.(همچنانکه از سیارات منظومه شمسی که مرده محسوب می شوند، می توان این استفاده را کرد.) چگالیت زیاد در اجزاء و جرم هسته ای موجب پدیده رادیواکتیویته این عناصر می شود، البته این خصوصیت تنها برای عناصر سنگین قابل انتظار است و عناصر سبک رادیو اکتیویته بین آنها معمول نیست. هسته این عناصر ناپایدار است که آمادگی چندتکه شدن و تبدیل به انرژی را دارند.  پروتون و نوترون ها با شکافت هسته، موجب تولید انرژی زیاد می شوند.( تبدیل ماده به انرژی)

شکافت هسته ای در عناصر سنگین رخ می دهد.

پس عناصر سنگین بخاطر چگالیت بالا، کمتر در ایجاد حیات نقش دارند. اما به عنوان منابع تامین انرژی و تامین اجزاء هسته ای(پروتون، نوترون و ...) و دیگر استفاده ها احتمالا گزینه های مناسبی هستند.

موفق باشید.

-----------------

پی نوشت: شاید نیاز باشد تا علاوه بر این نیروی زیاد و پرسرعت(نیروی حاصل از شکافت اتمی)، مواد گازی یا پودر جامد(که سنگینتر از مولکولهای هوا هستند) هم به عنوان تکیه گاه کمکی استفاده کرد. ضمنا بدنه موشک ها تا حد ممکن باید سنگین نباشند. مثلا تهیه بدنه فولادی برای موشک غیر معقول است. اما بدنه ای از جنس آلومینیوم که البته مثل بدنه هواپیما محکم طراحی شود بسیار خوب است...

لطفا به ادامه مطلب بروید.