سفر به فضا با آهنرباي الکتريکي

نوسان، ضربه و حرکت به سوي ستاره ها
مهندسان هوا-فضا طي دهه هاي متوالي، پرواز به فضا را فقط با موشک هاي پيشرانش شيميايي ممکن مي دانستند ولي اکنون و در ابتداي قرن 12 آنها آنها به آفرينش سيستم هاي نويني مي انديشند تا به آن انسان ها را به فضا ببرند. به همين منظور گونه نويني از فضا پيماها که هيچگونه سوختي مصرف نمي کنند. پيشنهاد شده اند. شايد باور نکنيد ولي اين گونه از فضا پيماها بااستفاده از آهنرباهاي الکتريکي انسان ها را به دورترين نقاط ممکن درفضا هدايت خواهند کرد. حرکت در فضاها بااستفاده از آهنرباي الکتريکي موضوع يک داستان علمي -تخيلي نيست . جادوي مهندسي است دردماهاي بسيار پائين و پس از اولين نانو ثانيه هايي که الکتريسته دريک آهنرباي الکتريکي به جريان مي افتد آهنربا يک رفتار غير عادي از خود نشان داده و شروع به نوسان مي کند ديويد گودين مدير بنامه هاي دفتر انرژي بالا وفيزيک هسته اي در وزارت انرژي ايالات متحده معتقد است اگر اين نوسان دريک راستا ادامه پيدا کند مي تواند انرژي وضربه لازم براي فرستادن يک فضا پيما را فراهم کند اين درالي است که فضا پيماي الکترومغناطيسي سريع تر از فضاپيماهاي معمولي حرکت کرده و مسافت بيشتري را نيز طي خواهد کرد .
وزارت انرژي ايالات متحده در امور تجاري سيستم هاي پيشرانش ناسا هيچ گونه دخالتي ندارد ولي پيوسته درحال کردکردن روي آهنرباهاي الکتريکي ابرسانا وکليدهاي نيمه رساناي فوق پيشرفته است . گودوين به عنوان مدير برنامه هاي دفتر انرژي بالا و فيزيک هسته اي مامور بود تا به طراحي سيستم پيشرانشي بپردازد که هيچگونه سوختي مصرف نکند و اين درست همان هدفي بود که ناسا به آن مي انديشيد. به نظر مي رسيد راه هايي براي استفاده از فناوري پيشرانش الکترومغناطيسي وجود داشته باشد به همين علت دانشمندان وزارت انرژي در حال توسعه آن بودند تا ناسا را در رسيدن به اهدافش ياري کنند. به اين ترتيب نخستين پايه هاي پيشرانش الکترومغناطيس گذارده د. اما چگونه مي توان از نوسان هاي غير عادي آهنرباي الکتريکي به عنوان نيروهاي پيرانش استفاده کرد؟
ايده گودوين اين بود؛ استفاده از نوسان هاي آهنرباي الکتريکي ابر رد شده و ابر رسانا که 400 هزار بار در ثانيه رخ مي دهد و اگر اين نوسان با چنين سرعتي در يک راستا هدايت شود يک سيستم پيشرانش فضايي بسيار کارآمد را خواهد آفريد. در 100 نانوثانيه اول يک صعود الکترومغناطيسي در يک حالت ناپايدار در آهنرباي الکتريکي رخ مي دهد که باعث مي شود آهنربا به سرعت شروع به نوسان کند و بعد از اين صعود، ميدان مغناطيسي به حالت پايدار مي رسد و ديگر هيچ نوساني رخ نمي دهد. گودوين بايد وسيله اي مي ساخت تا به کمک آن نوسان در يک راستا ادامه پيدا کند.

طراحي سولنوئيد
 

سيستم سيم پيچي که به دور يک استوانه (فلزي) براي ايجاد ميدان مغنايسي تابانده مي شود، سولنوئيد نام دارد. سولنوئيد مورد استفاده گودوين، يک سيم مغناطيسي ابر رساناست که اطراف يک استوانه فلزي به قطر 30/5 سانتي متر، بلندي 91/4 سانتي متر و وزن 25 کيلوگرم، پيچيده مي شود. جنس اين سيم از آلياژ نيوبيوم قلع است که چندين لايه از آن به هم بافته شده به شکل کابل در مي آيد. آهنرباي الکتريکي با هليوم مايع به 269/15-درجه سانتيگراد، مافوق سرد مي شود. براي نوسان، به يک بي تفاوتي (از بين بردن تعادل بين بارها) در ميدان مغناطيسي نياز است. گودوين پيشنهاد مي کند براي ايجاد بي تقارني، يک قاب فلزي به ميدان مغناطيسي وارد شود. اين قاب مي تواند از مس يا آلومينيوم يا آهن ساخته شود؛ اما قاب هاي آلومينيومي و مسي رسانايي بهتري دارند بنابراين اثر بيشتري روي ميدان مغنايسي خواهند داشت. پس از ورود به ميدان مغناطيسي، قاب باردار مي شود و با خارج کردن آن، بي تقارني ايجاد خواهد شد. قاب در مسير مخالف و چند ميکروثانيه پيش از شروع نوسان آهنربا، بارهايش را از دست خواهد داد. قسمت مهمي از سيستم، يک کليد نيمه رساناست که مابين منيع تغذيه و آهنرباي الکتريکي قرار مي گيرد. اين کليد، آهنرباي الکتريکي را 400 هزار بار در ثانيه روشن و خاموش مي کند. کليد نيمه رسانا شبيه به يک تراشه کامپيوتري عمل مي کند ولي بزرگ تر از يک تراشه معمولي است. اين بخش در حقيقت يک ريزپردازنده در اندازه توپ هاکي است که وظيفه اش، اين است که انرژي در حالت پايدار را گرفته و به يک نوسان سريع و پرقدرت تبديل کند. اين نوسان در جريان 30 آمپر و اختلاف پتانسيل 9 هزار ولت، 400 هزار بار در ثانيه روشن و خاموش مي کند. کليد نيمه رسانا شبيه به يک تراشه کامپيوتري عمل مي کند ولي بزرگ تر از يک تراشه معمولي است. اين بخش در حقيقت يک ريز پردازنده در اندازه توپ هاکي است که وظيفه اش، اين است که انرژي در حالت پايدار را گرفته و به يک نوسان سريع و پرقدرت تبديل کند. اين نوسان در جريان 30 آمپر و اختلاف پتانسيل 9 هزار ولت، 400 هزار بار در هر ثانيه رخ مي دهد.
اما آهنرباي الکتريکي در حالت ناپايدار خود به خود نوسان مي کند، به کليد نيمه رسانا چه نيازي است؟
پيش از اين اشاره کرديم که در حالت ناپايدار آهنرباي الکتريکي خود به خود 400000 بار در ثانيه نوسان مي کند ولي اين نوسان موقتي بوده و پس از اين که آهنربا به حالت پايدار مي رسد متوقف مي شود. کليد نيمه رسانا در اين وضعيت شروع به عمل کرده و نوسان را در يک راستا ادامه مي دهد.

آن سوي منظومه شمسي
 

سازمان انرژي ابلات متحده، وي برنامه هاي راکتور هسته اي فضايي ناسازگار مي کند. گودوين اعتقاد دارد که اين راکتور مي تواند توان منبع تغذيه سيستم پيشرانش الکترومغناطيسي
را فراهم کن. ظاهرا اين راکتور 300 کيلو واتي در سال 2006 آماده شده و سيستم پيشرانش از تبديل انرژي الکتريکي که در راکتور انجام مي پذيرد بهره خواهد گرفت. گودوين اعتقاد دارد براي سفر به فضاي خارج از منظومه شمسي مسلما به انرژي هسته اي نياز است. حال سوال اين است که راکتور هاي هسته اي چه مقدار انرژي توليد مي کنند؟ يک راکتور با فرايند شکاف هسته اي، انرژي بسار زيادي را توليد مي کند که اين انرژي مي تواند به الکتريسته تبديل شود. با شکافتن اتم هاي اورانيم 235 مقدار زيادي گرما و پرتو گاما توليد مي شود. 450 گرم از اورانيم غني سازي شده برابر 3/8 ميليون ليتر بنزين عمل مي کند. 450 گرم اورانيم که حجمي برابر يک توپ بيسبال دارد و مي تواند يک فضا پيما را براي دوره هاي طولاني در فضا براند. فضاپيماها مسافت هاي طولاني و باور نکردني تري را با پيشران هايالکترومغناطيسي که از انرژي هسته اي بهره مي برند، طي خواهند کرد. پيشران هاي الکترومغناطيسي مي توانند ما را با سرعتي که براي فضاپيماهاي معمولي غير قابل حصول است، به هليوپاوس برسانند.

در يک نگاه
 

پرتاب همه چيز با آهنرباي الکتريکي
 

نياز به اعمال نيروهاي ياد در زمان کم براي پرتاب يک وسيله در کاربردهاي فضايي و نظامي بسيار محسوس است. براي تامين اين نياز در حالت عادي تاکنون از انرژي حاصل از سوختن مواد شيميايي استفاده شده و مي شود. به دليل کمبود منابع، هزينه هاي بالا و آلايندگي زياد واکنش هاي شيميايي، ايده استفاده از نيروي پيشرانش الکترومغناطيسي از سال ها پيش مطرح شده که تاريخچه آن به جنگ چهاني دوم، برممي گردد. در آن زمان، آلمان و ژاپن تا حدودي توانستند اين ايده را، در سلاح هاي خود به کار گيرند؛ ولي استفاده از آن، به پرتاب گرهاي با «کاليبر پايين» محدود بود، که توسط پرتاب گرهاي بسار بزرگ و سنگين پرتاب مي شدند. پس از آن، تحقيقات نظري و علمي روي موضوع پرتاب گرهاي الکترومغناطيسي تا به امروز ادامه يافته است که به دليل برخي مشکلات فني در پياده ساي عملي آنها، کاربردهاي عملي و نظامي اين نوع پرتاب گرها، هنوز پا به عرصه ظهور ننهاده است.
فناوري پرتاب گرهاي الکترومغناطيسي کاربردهاي متفاوتي مي تواند در فناوري هاي هوايي، فضايي و نظامي داشته باشد. با اينکه مشکلات و موانع زيادي در پياده سازي اين فناوري وجود دارد، تلاش هاي پژوهشي فراواني در گوشه و کنار جها در راستاي استفاده عملي از پرتاب گرهاي الکترومغناطيسي انجام شده و مي شود.
مثلا در جنگ جهاني دوم آلمان ها توانستند يک پوکه 15 گرمي را به سرعت 108 متر بر ثانيه برسانند و پس از جنگ، آمريکايي ها يک پرتابه 86 گرمي را به سرعت 200 متري بر ثانه رساندند. همچنين ژاپني ها پرتابه 2 کيلوگرمي را تا سرعت 335 متر بر ثانيه شتاب دادند.
در يک نمونه ديگر، شخصي به نام ماشال، در سال 1977 توانست به سرعت 5/9 کيلومتر بر ثانيه برسد و اين رکورد را شخص ديگري به نام فابلوس، در سال 1986 تکرار کرد. در تنگستني به سرعت برابر 2/5 کيلومتر بر ثانيه رسيد و توانست اهداف دريايي را در فاصله پانصد کيلومتري، مورد اصابت قرار دهد.
منبع: مجله همشهري دانستنيها