استارشیپ اسپیس‌ ایکس چگونه روی سیاره سرخ فرود خواهد آمد؟

اسپیس‌ ایکس، شرکت هوافضای بنیان‌گذاری‌شده به‌دست ایلان ماسک، از مدت‌ها پیش به‌صورت سرسختانه در حال کار روی پروژه‌ای به‌شدت جاه‌طلبانه بوده است. این شرکت قصد دارد انسان را به‌صورت دائمی روی سیاره‌ی مریخ سکونت دهد. به‌منظور کمک به تحقق این رویا، اسپیس‌ایکس سامانه‌ی پرتاب کاملا چندبارمصرفی به‌نام Starship توسعه می‌دهد که ماسک خود هر از گاهی اخبار پیشرفت آن را در صفحه‌ی توییترش منتشر می‌کند.

براساس آخرین توضیحات ماسک، استارشیپ به‌عنوان فضاپیمایی با ارتفاع نزدیک به ۵۵ متر به تصویر کشیده شده است که سوار بر راکتی تقریبا ۶۷ متری به‌نام Super Heavy به مدار زمین پرتاب خواهد شد. این فضاپیما به‌نحوی طراحی شده است که در مدار نزدیک زمین مجددا قادر به سوخت‌گیری باشد تا در زمانی نامعلوم به‌همراه ۱۰۰ مسافر و بیش از ۱۰۰ تن محموله به‌سوی مریخ حرکت کند.

اما موفقیت یا شکست این سامانه‌ی پرتاب – و همچنین برنامه‌ی ماسک برای پشتیبانی از نژاد انسان – احتمالا از استمرار دو تغییر عمده و اخیر در طراحی استارشیپ نشات خواهد گرفت که ماسک آن‌ها را با عنوان اصلاحاتی «بنیادین» و «به‌طرز خوشایندی غیرمنتظره» توصیف کرده است.

تغییر نخست شامل ساخت فضاپیما از آلیاژ فولاد ضدزنگ به‌جای کامپوزیت فیبرکربن است. اما غافلگیرکننده‌ترین تغییر، به‌نقل از کارشناسان صنعت هوافضا، نحوه‌ی تلاش استارشیپ برای محافظ از خود دربرابر گرمای سوزان ایجادشده در اتمسفر مریخ و زمین خواهد بود.

به‌گفته‌ی ماسک، فضاپیمای اسپیس‌ایکس به‌جای اتکا به هزاران قطعه کاشی سرامیکی سنگین برای حفاظت دربرابر گرما همچون شاتل فضایی، سوخت راکت را ازطریق منافذی بسیار کوچک بیرون خواهد داد تا دمای خود را پایین بیاورد. از لحاظ تئوری، قرار دادن مایع بین پوسته‌ی فولادی استارشیپ و پلاسمای داغ و سوزان تولیدشده در حین پیشروی درون گازهای اتمسفر، از نابودی فضاپیما جلوگیری خواهد کرد.

ورود، نزول و فرود در مقیاس بزرگ، فرایندی است که ناسا را از دهه‌ها پیش به چالش کشیده است. ما برای حل این مسئله که چگونه می‌توانیم چنین کاری را در مریخ انجام دهیم، زمان بسیار زیادی صرف و به‌سختی در موردش فکر کرده‌ایم.ما قبلا کاوشگر هزار کیلوگرمی کریاسیتی (کنجکاوی) را روی مریخ فرود آورده‌ایم که بزرگ‌ترین وسیله‌ای محسوب می‌شود که تاکنون روی سطح این سیاره قرار داده‌ایم.

رفتن از فرود مریخی یک ربات هم‌اندازه‌ی خودرو به فضاپیمایی با اندازه‌ی یک ساختمان که مملو از افراد است، چندین مرتبه– تقریبا ۱۰۰ برابر – دشوارتر از فرود کریاسیتی خواهد بود؛ فرودی که به‌گفته‌ی انگلند، یکی از سخت‌ترین کارهایی محسوب می‌شود که تا به حال در ناسا به انجام رسیده است. انگلند گفت:

این کار برای ما یا اسپیس‌ایکس آسان نخواهد بود.

ماسک بر این باور است که تا سال ۲۰۵۰ می‌تواند یک شهر مستقل و خوداتکا روی سیاره‌ی سرخ بسازد. او می‌خواهد بلیت‌های تک‌نفره به مریخ به ارزانی بهای یک خانه روی زمین و برای سفرهای بازگشت، مجانی باشند. مدیرعامل اسپیس‌ایکس با به‌کارگیری سامانه‌ی پرتاب استارشیپ – سوپر هوی، درصدد دستیابی به این هدف است. به‌گفته‌ی او، پایین آوردن هزینه‌ها و ساخت سریع‌تر سامانه، علت روی آوردن به آلیاژ فولاد ضدزنگ محسوب می‌شود.

ماسک در ماه دسامبر گفت استارشیپ به نقره‌ی مایع شباهت خواهد داشت. وی در ادامه افزود که این فضاپیما پوششی آینه‌ای خواهد داشت تا به بازتابش گرما و خنک‌سازی بدنه کمک کند.

علاوه‌بر این، ماسک گفت که استحکام فولاد هنگام لمس مایعات به‌شدت سرد، از جمله متان و اکسیژن برودتی که استارشیپ احتمالا از آن‌ها برای پیشروی در فضا استفاده خواهد کرد، تا ۵۰ درصد افزایش می‌یابد. بااین‌حال، مشکل فولاد این است که ماده‌ای متراکم و سنگین محسوب می‌شود. دست‌کم، یک نسخه‌ی اولیه از موشک اطلس شرکت جنرال داینامیکس که از فولاد ساخته شد، به‌علت سنگینی از روی سکوی پرتاب سقوط کرد و از بین رفت.

بااین‌حال، ماسک اشاره کرده است که استفاده‌ی اسپیس‌ایکس از فولاد بسیار متفاوت است و آن‌ها نسخه‌ی بازطراحی‌شده‌ی استارشیپ را قدرتمندتر، بادوام‌تر و سبک‌تر خواهند ساخت. او درنهایت گفت که تغییر مواد، عملکرد فضاپیما را نسبت به طراحی قدیمی بهبود خواهد داد. ماسک در ماه ژانویه در توییتر نوشت:

من مطمئن هستم که یک فضاپیمای ساخته‌شده با فولاد ضدزنگ به‌دلیل استحکام به وزن دربرابر گرما و کاهش نیاز به سپر حرارتی، از آلومنیوم پیشرفته یا فیبر کربن سبک‌تر خواهد بود.

اما فولاد هرچقدر مقاوم باشد، شکست‌ناپذیر نیست، به‌خصوص وقتی پوسته‌ی فضاپیمایی را تشکیل ‌دهد که با سرعت درون گازهای اتمسفر حرکت می‌کند.

تصویری هنری از فضاپیمای در دست ساخت استارشیپ و راکت سوپر هوی اسپیس‌ایکس

استارشیپ می‌تواند با سرعت تقریبا ۳۰ هزار کیلومتر بر ساعت به جو مریخ و زمین وارد شود. به‌گفته‌ی ماسک، در چنین سرعتی، بخش‌هایی از قسمت زیرین فضاپیما نظیر دماغه ممکن است در معرض دمایی نزدیک به ۱۴۸۲ درجه‌ی سلسیوس قرار بگیرند. این مقدار گرما برای نابودی آلیاژ فولادی که اسپیس‌ایکس درصدد استفاده از آن برای پوسته‌ی بیرونی استارشیپ است، کافی خواهد بود.

آلیاژ 310S ماده‌ای است که اغلب با عنوان فلز مقاوم دربرابر گرما شناخته می‌شود؛ زیرا مقدار بسیار زیادی کروم و نیکل درون آن مخلوط شده است. این فلز همچون فولاد به‌کاررفته در تابه و کتری آشپزخانه نیست؛ اما فولاد 310S در دمای نزدیک به ۱۰۹۳ درجه شروع به واکنش با اکسیژن و خوردگی می‌کند و در دمای تقریبا ۱۳۱۵ درجه نیز ذوب می‌شود.

ماسک در ادامه توضیح داد که استارشیپ در عوض، سوخت راکت را از حفره‌های بسیار کوچکی در پوسته‌ی فولادی‌اش تعریق یا تخلیه خواهد کرد و این لایه‌ی مایع، گرمای سوزان ایجادشده در اثر ورود به اتمسفر را دفع خواهد کرد. ماسک گفت:

در جهت موافق باد، آنچه می‌خواهم انجام دهم، در اختیار داشتن نخستین سپر حرارتی احیاکننده است. یک پوسته‌ی ضدزنگ دولایه، همچون یک ساندویچ از فولاد ضدزنگ.شما بین لایه‌ی ساندویچ، سوخت یا آب به جریان می‌اندازید و سپس سوراخ‌های کوچک در خارج خواهید داشت – حفره‌هایی بسیار ریز – و در اصل آب را تخلیه می‌کنید یا می‌توانید سوخت را ازطریق سوراخ‌های بسیار ریز خارج کنید. شما آن منافذ را نخواهید دید، مگر آنکه نزدیکشان شوید.

ماسک در ادامه افزود که سپر حرارتی با تقویت بدنه‌ی فولادی استارشیپ، انجام دو وظیفه را برعهده خواهد گرفت.

کارشناسان در گفت‌وگو با خبرگزاری بیزینس اینسایدر گفتند ماسک درست می‌گوید که هیچ فضاپیمایی تابه‌حال با استفاده از چنین عایقی به مدار پرتاب نشده و به زمین بازنگشته است؛ اما مفهوم سپر حرارتی تعرقی یا نشت‌کننده جدید نیست و از گذشته تاکنون چالش مهندسی فوق‌العاده‌ پیچیده‌ای بوده است.

به‌گفته‌ی ماسک، سامانه‌ی پرتاب استارشیپ پوششی آینه‌ای و بازتاب‌دهنده خواهد داشت

خنک‌سازی تعرقی یا فعال از میلیون‌ها سال پیش تاکنون در قالب پوست پستانداران وجود داشته است. به‌عنوان مثال، وقتی دمای بدن انسان بیش از حد افزایش می‌یابد، منافذ بسیار کوچک میکروسکوپی روی پوست، عرق را خارج می‌کنند. این مایع سپس تبخیر می‌شود تا گرمای بدن را دفع و درجه‌ی حرارت آن را تنظیم کند.

در رابطه با تعریق فضاپیما، ناسا پیش از فرود آوردن فضانوردان روی ماه، استفاده از این سامانه‌ی خنک‌کننده‌ی الهام‌گرفته از طبیعت را آغاز کرد. انگلند در این‌باره گفت:

ایده‌ی خنک‌سازی تعرقی جدید نیست و از دهه‌ها پیش وجود داشته است.

ناسا در سال ۱۹۶۵ اختراعی را ثبت کرد که به استفاده‌ی فضانوردان از ادرار برای کاهش دمای سپر حرارتی قرارگرفته در قسمت زیرین کپسول فضایی اشاره داشت. این سازمان فضایی تا سال ۲۰۰۶، برای پژوهش روی یک سپر حرارتی بادشدنی و خنک‌شدنی با تعرق که بتواند به فرود فضاپیما روی مریخ کمک کند، دست‌کم ۷۰ هزار دلار خرج کرد.

اما به نقل از اسناد تاریخی نیروی هوایی ایالات متحده، این پروژه به‌دلیل بودجه‌ی محدود و مشکلات طراحی که گریبانگیر روند توسعه شده بود، بعدا در دهه‌ی ۱۹۷۰ لغو شد. مهندسان در عوض به عایق‌های حرارتی ساده‌تر «فرساینده» روی آوردند که با سوختن در حین ورود مجدد به جو از رسیدن گرمای شدید به وسیله جلوگیری می‌کردند.

اطلاعات مربوط‌به مشکلات موجود در عایق‌های حرارتی تعرقی مرتبط با امور دفاعی غالبا طبقه‌بندی‌شده و محرمانه هستند. اما جورج هربرت، یک مهندس هوافضا که کاربردهای نظامی وسایل پرتاب فضایی را مورد پژوهش قرار داده است، با ارسال یک ایمیل به بیزینس اینسایدر گفت که «مسائل گزارش‌شده و شناخته‌شده شامل حفره‌های مسدود‌شده‌ی تعرق هستند.»

به عبارت دیگر، مشکلی که معمولا نوجوانان به آن مبتلا می‌شوند، یعنی منافذ بسته‌شده‌ی پوست، در حفره‌های تعرق فضاپیما نیز بروز پیدا می‌کند.

چندین کارشناس به بیزینس اینسایدر گفتند که نسبت به بروز مشکل انسداد در طراحی سپر حرارتی استارشیپ نگران هستند. انگلند گفت:

می‌توانید تصور کنید که مسدود کردن چنین چیزی (منافذ میکروسکوپی) چندان سخت نخواهد بود.

دواین دی، کارشناسی که به بررسی علل وقوع فاجعه‌ی شاتل فضایی کلمبیا کمک کرد، سناریوی معمول و ناخوشایندی را تصور می‌کند که استارشیپ در هر سکوی پرتابی روی زمین با آن مواجه خواهد شد. او در ایمیلی که برای بیزینس اینسایدر ارسال کرد، نوشت:

چه می‌شود اگر پرنده‌ای روی راکت شما فضله بریزد و موجب انسداد برخی از حفره‌ها شود و سپس وقتی آن وسیله در حال بازگشت به زمین است، عملکرد آن حفره‌ها مختل و آن قسمت دچار گرمایش بیش از حد ‌شود.

به‌گفته‌ی انگلند، وی مشکلات مربوط‌به انسداد سامانه‌های خنک‌کنندگی را در آزمایش‌های انجام‌شده درون تونل‌های باد فراصوت ناسا شاهد بوده است.

در جریان چنین آزمایش‌هایی، مدل‌های کوچک‌شده از وسایل نقلیه‌ی فضایی درون این تونل‌ها – که می‌توانند هوا را با سرعت هزاران کیلومتر بر ساعت به حرکت درآورند - قرار داده می‌شوند تا نحوه‌ی عملکرد آن‌ها مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد. برخی از این آزمایش‌ها شامل عایق‌های حرارتی بودند که مواد مایع را ازطریق مجراهایی درست زیر پوسته‌ی مدل پمپاژ می‌کردند تا دمای آن را پایین بیاورند؛ اما تمام این مدل‌ها در آزمایش دوام نیاوردند.

انگلند گفت:

من نمونه‌هایی را دیده‌ام که در آن‌ها مجرا مسدود می‌شد و این مسئله به‌سرعت آتش‌سوزی سرتاسری را به‌دنبال داشت. مدل در تونل باد فراصوت نابود خواهد شد. مدل تقریبا تبخیر می‌شود؛ زیرا آنجا انرژی بسیار زیاد و گرمای فراوانی وجود دارد.

به‌گفته‌ی ماسک، استفاده از متان به‌عنوان خنک‌کننده می‌تواند بهتر از آب باشد. او ماه گذشته در توییتر نوشت:

تبخیر سریع آب برخلاف آنچه انتظار می‌رود، می‌تواند منجر به انجماد سریع و انسداد مجراهای خنک‌کنندگی شود.

بااین‌حال، انگلند بروز این چالش‌ها را با گزینه‌ی متان نیز محتمل می‌داند. اتم‌های کربن در سوخت هیدروکربن (نظیر متان) وقتی در معرض حرارت بسیار بالا قرار گیرند، می‌توانند به یکدیگر بچسبند و به ماده‌ی سخت و جامد تبدیل شوند. چنین بقایایی سپس می‌توانند ساختارهای ظریف نظیر حفره‌ها را مسدود کنند. انگلند گفت:

من بسیار نگران این مسئله خواهم بود.

وی در ادامه افزود که نگرانی بزرگ دیگر، ناخالصی در سوخت‌ها خواهد بود که این مسئله نیز می‌تواند منجر به انسداد منافذ شود. به‌گفته‌ی انگلند، یک روش احتمالی برای رفع این مشکلات، می‌تواند صرفا افزودن منافذ بیشتر از حد لازم باشد تا در صورتی که درصد کوچکی از این سوراخ‌ها یا مجراهای انتقال‌دهنده‌ی خنک‌کنندگی به آن حفره‌ها مسدود شوند، از گرمایش کل فضاپیما جلوگیری شود.

علاوه‌بر مشکلاتی نظیر افتادن فضله‌ی پرندگان و انسداد منافذ، باید گردوغبار و بادهای مریخی را نیز درنظر گرفت. گرد و خاک سطح سیاره‌ی سرخ ممکن است به منافذ موجود در استارشیپ که سوخت از آن‌ها بیرون می‌ریزد، نفوذ کند. در آن صورت، پیدا کردن و رفع این انسدادها در مریخ می‌تواند به امر دشواری تبدیل شود. انگلند در این‌باره گفت:

به‌طور کلی بازرسی و صدور تاییدیه برای سامانه‌ی فعال بزرگ‌مقیاسی همچون استارشیپ، به‌خصوص در مریخ می‌تواند موجب نگرانی باشد؛ زیرا شما در این سیاره به یک ساختار سرویس‌دهنده‌ی بزرگ یا برج‌های بلند برای بالا رفتن و بازرسی فضاپیما دسترسی نخواهید داشت. من گمان می‌کنم که احتمال استفاده از پهپادها وجود داشته باشد. شاید این همان راه‌حلی است که ماسک به آن می‌اندیشد.

اگر آن‌ها برای تعیین و تأیید آنچه می‌خواهند انجام دهند، تلاش نکرده باشند، متحمل ریسک بزرگی خواهند شد. اما در غیر این‌صورت، این مفهوم می‌تواند یک پیروزی واقعی برای طراحی جدیدشان باشد.

به باور انگلند، اگر خنک‌سازی تعرقی جواب ندهد، استارشیپ لزوما به پایان خط نخواهد رسید. او گفت:

ممکن است ماسک دریابد که این شیوه برای تأیید یا آزمایش، توجیه‌ناپذیر یا به‌شدت گران‌قیمت است. او در حرفه‌اش واقعا خوب بوده است.

اسپیس‌ایکس نیز هم‌زمان با تلاش مهندسان برای تبدیل استارشیپ به فضاپیمایی واقعی، اصلاحات و تغییرات پیوسته را انتظار دارد. یک نماینده‌ی این شرکت با ارسال ایمیل به بیزینس‌اینسایدر گفت:

ما در رویکرد طراحی از همان آزمون و خطای سریعی استفاده می‌کنیم که موفقیت فالکون ۱، فالکون ۹، فالکون هوی و برنامه‌های دراگون را در پی داشت.

بااین‌حال، اسپیس‌ایکس از انجام هرگونه مقایسه‌ای بین استارشیپ و کاوشگر کریاسیتی ناسا خودداری کرد. این شرکت گفت:

کریاسیتی در حال کنار زدن محدودیت‌های فناوری مریخی دهه‌ی ۱۹۷۰ [ورود، نزول و فرود] از جمله یک ساختار خاص EDL مبتنی بر چتر نجات بود.ما رویکرد کاملا متفاوتی را درپیش می‌گیریم؛ از آنچه با فالکون ۹ انجام داده‌ایم، استفاده می‌کنیم و فرصت کافی برای اثبات آن روی زمین پیش از پرواز به مریخ در اختیار داریم.

با وجود موانع بلندی که ظاهرا برای پرتاب و فرود استارشیپ روی مریخ بر سر راه اسپیس‌ایکس وجود دارند، هیچ کدام از کارشناسانی که با بیزینس‌اینسایدر گفت‌وگو کردند، سامانه‌ی اسپیس‌ایکس را غیرممکن ندانستند. انگلند گفت:

آن‌ها افراد بسیاری را شگفت‌زده کرده‌اند؛ کارکنان باهوش بسیاری را در اختیار دارند که برایشان کار می‌کنند و به‌نظر می‌رسد ایلان خود به این برنامه واقعا متعهد و وفادار است. شاید چیزهایی وجود داشته باشند که نیازمند آن‌ها باشیم. من گمان می‌کنم که این‌گونه خواهد بود.