فضاپیماهای عرق‌کننده: کلید سفرهای فضایی سبزتر!
زباله‌های فضایی ما را احاطه کرده‌اند. آژانس فضایی اروپا تخمین می‌زند که از سال ۱۹۵۷ از بیش از ۶۸۰۰ پرتاب موفق موشک تقریبا ۱۳۰ میلیون قطعه زباله فضایی وجود دارد. منطقه خالی از سکنه اقیانوس آرام جنوبی (SPOUA)، منطقه‌ای در نزدیکی پوینت نمو، گورستان فضاپیما نامیده می‌شود زیرا این فضاپیماها به طور معمول در پایان عمر مفید خود آنجا سقوط می‌کنند. زباله‌های مداری به جو زمین می‌افتند و در مسیر بازگشت به زمین می‌سوزند.
تا همین اواخر، به ویژه با موفقیت‌های متعدد اسپیس ایکس بسیاری از فضاپیماها فقط یک بار استفاده شده‌اند. شاتل فضایی دیسکاوری، با دارا بودن طولانی‌ترین عمر بین فضاپیماهای تاریخ، تنها چند ده بار پرواز کرد تا اینکه در سال ۲۰۱۱ بازنشسته شد.
دانشمندان دپارتمان مهندسی هوافضای دانشگاه تگزاس A&M با همکاری با Canopy Aerospace در حال توسعه و آزمایش یک ماده با چاپ سه‌بعدی هستند که هدف آن قابل استفاده مجدد کردن فضاپیماها و سبزتر کردن سفرهای فضایی است. این کار با کمک هزینه ۱.۷ میلیون دلاری در حال امکان‌پذیرشدن است.
فضاپیماهایی که به زمین بازمی‌گردند در معرض گرمای شدید قرار می‌گیرند. شاتل فضایی ناسا در هنگام بازگشت به جو، دمایی حدود ۲۷۰۰ درجه فارنهایت (مهادل 1483 درجه سانتیگراد) را تجربه می‌کند. فضاپیمای اوریون ناسا دمایی حتی گرم‌تر، نزدیک به ۵۰۰۰ درجه فارنهایت (معادل 2760 سانتیگراد)، را تحمل می‌کند، همان دمایی که آپولو ۱۳ در هنگام بازگشت به جو به آن رسید. در هنگام بازگشت به جو فراصوت، دماهای حتی بالاتر نیز ممکن است.
به طور سنتی، فضاپیماها برای جلوگیری از دمای بسیار بالا به سپرهای حرارتی یا کاشی‌های سرامیکی متکی هستند. استارشیپ اسپیس ایکس یک سپر حرارتی پیشرفته دارد که از تقریباً ۱۸۰۰۰ کاشی شش ضلعی تشکیل شده است.
راه حلی که شرکت‌ها به دنبال اثبات آن هستند، یک روش خنک‌کننده است که به عنوان یک مانع حرارتی عمل می‌کند. کارشناسان در حال آزمایش خنک‌سازی تعرقی برای فضاپیما هستند. این روش یک لایه گاز در امتداد سطح فضاپیماست که آن را خنک می‌کند و مانعی بین فضاپیما و دمای بسیار بالا ایجاد می‌کند.
دکتر حسن سعد ایفتی، استادیار مهندسی هوافضا در دانشگاه تگزاس A&M، به نیوزویک می‌گوید: «هوای اطراف موشک‌ها هنگام ورود مجدد به جو زمین بسیار داغ می‌شود و اغلب از 10000 درجه سانتیگراد فراتر می‌رود. این امر به سپرهای حرارتی برای محافظت از موشک در برابر گرمای بیش از حد نیاز دارد که کاملاً قابل استفاده مجدد نیستند. پس از اتمام ماموریت، این سپرها باید تعویض یا نوسازی شوند که سفر فضایی را به صورت نجومی گران می‌کند.»
فناوری جدید «عرق کردن» یا تبخیر گاز خنک‌کننده توسط موشک، یک لایه گازی ایجاد می‌کند که به عنوان سپر حرارتی عمل می‌کند. پس از اتمام ماموریت، مخازن گاز خنک‌کننده را می‌توان برای ماموریت بعدی سوخت‌گیری کرد. این امر باعث می‌شود موشک قابلیت استفاده مجدد بیشتری داشته باشد و شاید روزی، درست مانند هواپیمایی‌هایی که امروزه پرواز می‌کنیم، یک موشک کامل و به سرعت قابل استفاده مجدد داشته باشیم.
دکتر ایفتی توضیح داد که این اثر حرارتی شبیه به نحوه عملکرد کاپشن پفی است. «به همین دلیل است که کاپشن‌های پفی بسیار موثر هستند. این کاپشن‌ها هوا را در داخل خود به دام می‌اندازند، بنابراین عایق هوا شما را گرم نگه می‌دارد، نه قسمت جامد کاپشن.»
فرضیه این است که وقتی یک وسیله نقلیه از مانع گازی به جای سپر حرارتی یکبار مصرف استفاده می‌کند، زمان پرواز بین ماموریت‌ها می‌تواند از سال‌ها یا ماه‌ها به روزها یا ساعت‌ها کاهش یابد، بیشتر شبیه به زمان بازگشت یک جت مسافربری معمولی.
به گفته کارشناسان مانع گازی مفهوم جدیدی نیست. اگرچه این ایده سال‌هاست که وجود دارد، اما محدودیت‌های موجود در علم مواد، قدرت محاسباتی و توانایی‌های آزمایش زمینی، پیاده‌سازی آن را چالش‌برانگیز کرده است.
توسعه‌ی تجهیزات آزمایشی توسط ویلیام متیوز، دانشجوی سال چهارم دکترا در دانشگاه تگزاس ای‌اند‌ام، رهبری می‌شود. متیوز می‌گوید: «ما باید ببینیم که سطح ماده در سرعت‌های مافوق صوت، زمانی که جریان خنک‌کننده وارد می‌شود، نسبت به حالت پایه که هیچ خنک‌کننده‌ای وجود ندارد، خنک‌تر است یا نه. بسته به اینکه گاز چقدر خوب در ماده نفوذ می‌کند، نتایج بالقوه‌ی زیادی برای این فناوری وجود دارد و این آزمایش‌ها باید به ما کمک کنند تا تصمیم بگیریم که می‌خواهیم به کدام سمت برویم.»
آزمایش اولیه‌ی تونل باد در آزمایشگاه ملی آئروترموشیمی و مافوق صوت ایستگاه آزمایش مهندسی تگزاس ای‌اند‌ام انجام خواهد شد. نتایج این آزمایش مشخص خواهد کرد که آیا یک ماموریت آزمایشی در مقیاس کامل، قبل از هرگونه کاربرد تجاری، ارزش سرمایه‌گذاری دارد یا خیر.
ایفتی می‌گوید: «من در مورد این فناوری خوش‌بین هستم. اگر همه چیز خوب پیش برود، می‌توانیم تا پایان عمرمان فضاپیماهای عرق‌کرده را در آسمان ببینیم.»
