روشی جدید برای تولید انرژی در فضا با استفاده از آب

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی تکنولوژیست اصلی و سابق ناسا امیدوار به پرتاب ماهواره‌ای به فضا هستند که در آن از آب به عنوان منبع سوخت استفاده شده باشد. اعضای این تیم از دانشگاه کورنل هستند و توسط میسون پک (Mason Peck) هدایت می‌شوند، آنها قصد دارند تا دستگاه خود را به عنوان نخستین کیوب‌ست (Cubesat) با اندازه‌ی یک جعبه کفش به مدار کره‌ی ماه ارسال کرده و در ادامه نیز بتوانند پتانسیل موجود در آب را برای استفاده به عنوان منبع سوخت در یک فضاپیما به نمایش بگذارند.

 آب در واقع ماده‌ای ایمن و پایدار تلقی می‌شود که حتی در فضا نیز تا حدودی متداول است و کارایی خود را حفظ می‌کند. اما این ماده همچنین می‌تواند همانند رویه‌ای که در کره‌ی زمین وجود دارد، دارای استفاده‌های بسیار مفیدتر و بهتری هم در مسیر یافتن جایگزین‌هایی برای سوخت‌های فسیلی باشد.

 تا زمانی که ما موفق به توسعه‌ی یک سیستم پیشران با سرعت سریع‌تر از سرعت نور یا هر نوع دیگری از سیستم‌های رانشی آینده‌نگرانه نشده‌ایم، به نظر می‌رسد که سفر به فضا به احتمال قوی تا حد زیادی به نوعی از راکت‌های مبتنی بر سوختی متکی خواهد بود که ما امروزه از آن استفاده می‌کنیم. این کار به صورت کلی با خروج سریع گاز از قسمت عقب وسیله‌ی مورد نظر انجام می‌شود و به لطف قوانین فیزیک، این فرایند باعث رانش دستگاه به سمت جلو می‌شود.

چنین سیستم‌های نیروی محرکه‌ای برای ماهواره‌ها، نیاز به این دارند که سبک باشند و همچنین بتوانند مقدار زیادی انرژی را در یک فضای کوچک (چگالی انرژی بالا) با خود حمل کنند تا به این ترتیب به طور مداوم برای سال‌ها یا حتی برای دهه‌های پیاپی و در هنگام گردش فضاپیما در مدار، دارای منبع مطمئن و پرتوانی از انرژی باشند.

 ایمنی هم یکی دیگر از نگرانی‌های اصلی در این مقوله است. فشرده کردن انرژی در یک حجم و جرم کوچک در قالب یک سوخت برای فضاپیما به این معنی است که حتی کوچک‌ترین مسئله هم می‌تواند عواقب فاجعه‌باری را به بار آورد، شاید انفجار اخیر موشک SpaceX مثالی مناسب و نزدیک برای چنین حادثه‌ای باشد. قرار دادن ماهواره در مدار با هر شکلی از سوخت ناپایدار، می‌تواند باعث ایجاد خسارت‌های سخت‌افزاری فاجعه‌بار یا حتی بدتر از آن، باعث ایجاد خسارات جانی شود.

 آب یک راه‌حل مناسب برای این مسئله است، به این دلیل که آب اساسا یک حامل انرژی است تا اینکه یک سوخت به شمار رود. تیم کورنل در حال برنامه ریزی برای استفاده از خود آب به عنوان یک سوخت در فضاپیما نیستند. اما به جای این ایده، آنها قصد دارند تا از الکتریسیته‌ی حاصل از پنل‌های خورشیدی برای تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده کرده و آنها را به عنوان سوخت به کار بگیرند.

 این دو گاز، هنگامی که دوباره با هم ترکیب شده و مشتعل شوند، در ادامه دچار انفجار یا سوختگی خواهند شد و در این روند میزان انرژی گرفته شده در طول فرآیند تقسیم را دوباره آزاد خواهند کرد. احتراق گازها را می‌توان برای رانش ماهواره‌ها به سمت جلو، به دست آوردن سرعت بیشتر و یا تغییر موقعیت آنها در هر مداری از سیاره مورد استفاده قرار داد.

 پنل‌های خورشیدی، دارای قابلیت اطمینان بالا و بدون قطعات متحرک هستند و به طور ایده‌آلی مناسب برای استفاده در حالت جاذبه‌ی صفر و محیط‌های سخت فضای بیرون زمین هستند. این پانل‌ها در حالت فعلی از نور خورشید می‌توانند انرژی تولید کنند و ماهواره را قادر می‌سازند تا به صورت فعالی در ماموریت تعریف شده‌ی خود کار کند. به طور سنتی این انرژی در باتری‌هایی ذخیره می‌شود. اما دانشمندان دانشگاه کورنل قصد دارند تا از آن برای ایجاد منبع سوخت خود از طریق تفکیک آب در فضا استفاده کنند.

الکترولیز خارق‌العاده
روند پیشنهادی که به عنوان الکترولیز شناخته شده است، شامل راه‌اندازی جریانی از میان نمونه‌ی آبی است که معمولا حاوی برخی الکترولیت‌های محلول است. این سیستم، آب را به اکسیژن و هیدروژنی تفکیک می‌کند که به طور جداگانه در دو الکترود رهاسازی می‌شوند.

 بر روی زمین شرایط به گونه‌ای است که گرانش موجود روی سیاره می‌تواند در ادامه برای جدا کردن گازهای یاد شده مورد استفاده قرار گرفته و در نتیجه امکان ذخیره‌سازی و استفاده از آنها فراهم شود. اما در جریان گرانش صفر در فضا، ماهواره به هر ترتیب باید از نیروهای گریز از مرکز ناشی از چرخش برای جدا کردن گازهای محلول استفاده کند.

 فرایند الکترولیز پیش از این نیز در فضا و قبل از توسعه‌ی تجهیزات پیشرفته‌ی مرتبط با اکسیژن، برای ماموریت‌های فضایی سرنشین‌دار و بدون نیاز به مخازن فشار بالای ذخیره‌سازی اکسیژن، مورد استفاده قرار گرفته است و به عنوان مثالی از کاربرد این فرایندها می‌توان به ایستگاه فضایی بین‌المللی اشاره کرد. اما نکته‌ی جالب این است که ما به جای ارسال آب به فضا به صورت بارهای سنگین بر روی موشک‌ها، شاید روزی بتوانیم که آب موجود در ماه یا سیارک‌ها را برای این فرایند استفاده کنیم.

 اگر روش جدید پرداخته شده در این گزارش که از هر دو گاز هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت ماهواره‌ای استفاده می‌کند با موفقیت آزمایش‌های نهایی را پشت سر بگذارد، در واقع به منزله‌ی این خواهد بود که ما یک منبع بسیار غنی از انرژی و سوخت را در فضا به دست آورده‌ایم که منتظر بهره‌برداری ما از آن است! به عبارتی می‌توان گفت که روش فوق می‌تواند باعث شکل دادن به چگونگی تامین توان در حداقل برخی از فضاپیماهای آینده باشد.
از ماهواره‌ تا اتومبیل
 
 همانند اغلب موارد، توسعه‌های ایجاد شده در صنعت فضایی باعث پیدایش طرح‌ها و ایده‌های مفهومی بالقوه برای غلبه بر مشکلات قابل ملاحظه‌ای خواهد شد که اکنون در زمینه‌ی انرژی بر روی سیاره‌ی زمین با آنها درگیر هستیم. ذخیره‌ی الکتریسیته واقعا دشوار است و هر قدر که ما پشتیبان‌های منابع تجدیدپذیر خود را افزایش دهیم، به همان اندازه نیز باید میزان عرضه و تقاضا را کنترل کنیم.

 نیروگاههای بادی و خورشیدی در واقع اشکال ناکارآمدی از انرژی‌های تجدیدپذیر هستند، نه به خاطر اینکه فناوری آنها دارای مشکل باشد؛ بلکه به این دلیل که ما بیشتر اوقات برای انرژی تولید شده در آنها واقعا برنامه و کارکرد درستی نداریم. شبکه‌های پشتیبان الکتریسیته همواره در ساعت‌های مصرف بالا و مصرف پایین در حال تلاش برای بهبود اوضاع هستند.

 پاسخ به این پرسش نیز مانند راهکاری است که برای نیروی محرکه در فضا ارائه شده است. راهکار ما می‌تواند به صورت استفاده از برق مازاد برای تفکیک آب به هیدروژن و اکسیژن باشد. این فراورده‌ها انبارشدنی و قابل حمل و نقل در قالب سوخت هیدروژن هستند.

 زمانی که انرژی مورد نیاز است، می‌توان آن را با ترکیب اکسیژن موجود در هوا وارد یک واکنش انرژی‌زا کرد. این فرایند همچنین می‌تواند در یک پیل سوختی برای تولید مجدد برق انجام شود. همچنین می‌توان با سوزاندن سوخت هیدروژنی در یک موتور احتراق یا یک مشعل گاز هیدروژن از انرژی آن بهره برد.

 کارخانه‌ای که به صورت یک استارتاپ با نام Riversimple راه‌اندازی شده و کمپانی‌های تویوتا و فولکس واگن هم که از تولیدکنندگان بزرگ خودرو به شمار می‌روند، در حال حاضر خودروهای پیل سوختی هیدروژنی تولید می‌کنند. بنابراین اگر هیدروژن از یک نیروگاه خورشیدی همانند روشی که در ماهواره‌ی کورنل به کار برده شده، به دست آید، در آن صورت می‌توان امیدوار بود که این فناوری مرتبط با صنعت فضا زودتر از آنچه که تصورش را می‌کنیم وارد صنایع زمینی هم شده و روی بخشی از زندگی روزمره‌ی ما تاثیرگذار باشد.

 در پایان باید اشاره کنیم که چارلز دانیل (Charles W. Dunnill) مدرس ارشد در زمینه‌ی انرژی از دانشگاه سوانسی و رابرت فیلیپس (Robert Phillips) دانشجوی دکترا در زمینه‌ی ذخیره‌ی انرژی‌های تجدیدپذیر از دانشگاه سوانسی کسانی بودند که بخش‌هایی از گزارش فوق از گفته‌هایشان جمع‌آوری شده است.