על משבר האנרגיה, ניצול משאבי הירח ותכנית נאס”א
מאת: יורם בוטניק, עורך מקצועי של עיתון “אקליםטון”
תנו לי קצה חוט של “אנרגיה” ואני מתייצב. האודיטוריום של המכון היה אכן עמוס בסטודנטים, חברי סגל, ורבים מאנשי התעשיה האווירית בעבר ובהווה. ד”ר משה בר-לב משדר פשטות הליכות ישראלית ואפילו 'פלמ”ח-ניקיות' שכבר לא רואים כמעט במקומותינו. הוא מקפיד להדגיש כי מה שיציג בהקשר של משבר האנרגיה איננה כלל “עמדת נאס”א” או של גופי ממשל עלומים אחרים, אלא מבוסס על התרשמות אישית ממקורות גלויים. השורה התחתונה: ארה”ב וסין כבר החלו במירוץ מחודש ('שקט') לירח לנוכח האפשרות הטכנולוגית לכרות שם איזוטופ הליום המתאים להיתוך גרעיני לא רדיואקטיבי, שיהווה מקור אנרגיה חלופי לדלקים הפוסיליים על כדור הארץ. תודו שמה שהוא מציג מרתק – גם אם הוא טועה (ויש אף הטוענים מזיק), ומי אנו שנחמיץ זאת.
ובכן, תוך שני עשורים, אסטרונאוטים של נאס”א יבצעו שוב משימות על פני הירח ויסללו את הדרך לטיסות למאדים והלאה, אומר בר-לב בפתח המצגת המרתקת שלו, בה כלל תמונות ואיורים מרהיבים מאתר סוכנות החלל האמריקנית. התכנית תהיה מבוססת בחלקה הגדול על טכנולוגיות ורכיבים שפותחו ונוסו במהלך תכניות אפולו ומעבורת החלל, ואיפשרו תכנית זולה, אמינה, גמישה ובטוחה.
מדוע לתכנן מערכות חלל חדשות: מעבורת החלל תוכננה רק למשימות במסלולי ארץ נמוכים. צי המעבורות ימשיך לשרת את תחנת החלל עד שנת 2010 ויפסיק את פעולותיו לקראת מועד זה.
המעבורת, הכוללת חללית ואמצעי התנעה, היא מערכת מורכב מאד, דורשת תחזוקה רבה, ואמינותה ובטיחותה לשיגורם מאיישים בעייתית. עם זאת חלק גדול ממרכיבי מערכת ההנעה הוכחו ועשויים לשמש כמרכיבים למערכת שיגור בטוחה יותר.
נאס”א מתכננת לחזור לירח לקראת שנת 2018, להקים שם בסיסי קבע ולהמשך במסעות רובוטיים ומאוישים ברחבי מערכת השמש.
כדי לבצע משימות אלו יש לתכנן חלליות ומערכות שיגור שונות ממעבורת החלל, מסביר בר-לב. נאס”א החל בתכנון החללית החדשה (המבוססת על תכנית אפולו ודומה לחלליות סויוז הרוסית.
רכב הצוות (Crew Exploration Vehicle) מתוכנן אף לבצע את משימות מעבורת החלל במסלולים נמוכים. C.E.V אינו מיועד לנחיתה אווירודינמית ויונחת באמצעות מצנחים. מערכת השיגור החדשה תהיה מבוססת ברובה על מרכיבי המעבורת ותכלול משגר כבד לשיגור מטענים לא מאוישים, ומשגר נפרד המיועד לשיגור מאויש.
מערכות מאוישות המיועדות לטיסה מעבר למסלול כדור הארץ יתבססו על שיגור נפרד של האסטרונאוטים ושל אמצעי ההנעה, והתחברותם בהמשך במסלול הטיסה.
התכנית תואמת את כל תכניות החלל המאוישות של ארה”ב, מציין בר-לב, עם יתרונות מהותיים בהשוואה לתכנית אפולו:
• הכפלת גודל הצוות לירח.
• פי ארבע שעות צוות על הירח לכל נחיתה.
• נחיתה על כל נקודה בירח, חזרה לכ”א בכל עת.
• מאפשרת נוכחות אנושית קבועה במסגרת ההכנות למאדים ומעבר.
• שימוש במשאבי הירח, בטיחות ואמינות רבה יותר.
• לפחות שתי טיסות לירח בשנה.
• משגר המאפשר שיגור 125 טטון למשימות ירחיות ובהמשך למאדים ומעבר.
• בטיחות הצוות בשיגור גבוהה יותר ממעבורת החלל הנוכחית, סיכוי כשל סטטיסטי: 1 ל-2000 למשגר הצוות, ו-1 ל-220 למעבורת החלל.
• מערכת אמריקנית לשירות ותחזוקת תחנת החלל הבינלאומית.
• מעבר הדרגתי של כוח העבודה של מעבורת החלל.
מה הקשר לתכניות החלל של סין ולמשברי האנרגיה?
עד כאן טיסות חלל. אבל, אומר בר-לב, הסינים מתכננים להקיף את הירח כבר בשנת 2007 ולהנחית שם אדם לקראת 2017. סין מפתחת חלליות 'שנזו X' ומשגר למשקל של עד 25 טון. תכניתם כוללת הצבת טלסקופ אסטרונומי ובדיקת אפשרות כריית הליום 3.
מה מיוחד בהליום 3?
• ניתן לפתח בטכנולוגיות קיימות כור להיתוך גרעיני של הליום 3 (שהוא איזוטופ של הליום) ודיאוטוריום, תוך שימוש בשדות אלקטרוסטאטיים במקום שדות מגנטיים (במקום ביקוע גרעיני).
• כור היתוך לריאקציות של הליום 3 הוא בטוח אינהרנטית גם בסצנריו כשל חמור ביותר (אין כמעט פליטת נויטרונים). אין סיכון לפגיעה באזרחים או חשיפה לקרינה, אין חשש לנזק רדיואקטיבי ואין כמעט פסולת גרעינית. אין גזי פליטה מהריאקציה ואין השפעה על איכות הסביבה.
• בעל יעילות גבוהה 70%. היתוך הליום 3 מאפשר פוטנציאלית קבלת אנרגיה חשמלית ישירה.
• על פני כדור הארץ, קיימת כמות מאד מוגבלת שלו (10 ק”ג). קיום הליום 3 על פני הירח הוכח מדוגמיות שהוחזרו לכ”א. על פני הירח קיימים לפחות מיליון טון שלו.
• 25 טון הליום 3 יספקו את התצרוכת השנתית של ארה”ב, וכמות האנרגיה שלו על פני הירח גדולה לפחות פי עשר ממשאבי פחם, נפט וגז טבעי על כדור הארץ.
יעדי תכנית החזרה לירח
נאס”א מתכננת תכנית קבועה של נחיתות ומשימות על פני הירח החל משנת 2018 על ידי הנחתת ארבעה אסטרונאוטים לשהות התחלתית של שבעה ימים. התכנית מבוססת על שימוש במרכיבי וטכנולוגיות אפולו ומעבורת החלל. האסטרונאוטים ינחתו בכל נקודה על פני הירח, יקימו בסיסים, ובהמשך העברת צוותים ומטען לשהות ארוכה של עד חצי שנה על פני הירח.
הקוטב הדרומי הוא מועמד לבסיס קבוע בשל קיום מים קפואים מתחת לפני השטח ותאורה קבועה של אור השמש, שעשויה לספק את האנרגיה הדרושה.
אחת הסיבות המוצהרות לחזרה זו היא האפשרות להפגין יכולת קיום עצמאי של אסטרונאוטים שם תוך שימוש המשאבים המקמיים להפקת מים, דלק ומוצרים אחרים הנדרשים לקיום חיים ולמסעות בין כוכביים. הטיסה למאדים למשל תארך 500 יום.
כאשר יבוצעו לפחות שתי משימות בשנה, יגבר הצורך בבסיס קבוע. עם הזמן הצוותות ישהו משכי זמן ארוכים יותר וילמדו להשתמש במשאבי הירח, כאשר נחתות הירח ימשיכו במסעות חד כיווניים לאספקת ציוד. בהמשך, סבב החלפת צוותים יתבצע כל חצי שנה. בסיס ירח במרחק של שלושה ימי טיסה מהארץ יאפשר תרגול של שימוש במשאבים מקומיים לפני הטיסה הארוכה למאדים. משגר המטען הכבד ותאי האסטרונאוטים, תאי השירות ומערכת ההנעה ינוסו ויצברו ניסיון לקראת הטיסה למאדים והשימוש במשאביו…
התכנית: שלב אחר שלב
המשימה מתחילה על ידי שיגור מודול הירח ושלב היציאה לירח על ידי המשגר הכבד המונע ע”י צמד מאיצי הדלק המוצק וחמישה מנועי דלק נוזלי של המעבורת.
לאחר שמודול הירח ושלב היציאה הוצבו במסלול סביב כ”א, ישוגרו האסטרונאוטים על גבי משגר המרכב מהמאיץ המוצק של המעבורת כשלב ראשון ומנוע הדלק הנוזלי של המעבורת כשלב שני.
רכב הצוות (ה-(CEV יתחבר למודול הירח ושלב היציאה במסלול ארץ נמוך. לאחר מכן, רכב הצוות ומודול הירח ישוגרו על ידי שלב היציאה למסלול מעבר לכדור הארץ אל הירח. רכב הצוות יאפשר הטסה של שישה אסטרונאוטים. בשלב ראשון ישוגרו אסט' ומטען אל ומתחנת החלל הבינלאומית. גירסה לא מאוישת של רכב צוות תשמש להעבר מטענים אל תחנת החלל.
פירוט השלבים העוקבים יהיה כדלהלן:
1. המראת המשגר הכבד הנושא את מודול הירח ואת שלב היציאה למסלול סביב כ”א.
2. לאחר מספר ימים משוגרים האסטרונאוטים על ידי משגר אחר עם רכב הצוות.
3. רכב הצוות מתחבר למודול הירח ושלב היציאה במסלול כ”א, שלב היציאה מופעל למסלול יציאה לירח.
4. עם סיום תפקידו, שלב היציאה מתנתק ורכב הצוות ומודול הירח ממשיכים בדרכם לירח.
5. עם כניסתם למסלול סביב הירח האסטר' עוברים מרכב הצוות אל מודול הירח, מתנתקים ממנו (הוא נשאר במסלול סביב הירח), ונוחתים על פני הירח.
6. לאחר שבעה ימים על פני הירח האסטר' משוגרים למסלול על ידי השלב העליון של מודול הירח.
7. לאחר כניסה למסלול ירחי מתחברים האסטר' לתא הצוות ש'חיכה' להם, מנתקים את שלב מודול הירח ומפעילים את מנוע תא השירות למסלול אל כ”א.
8. עם סיום תפקידו מתנתק תא השירות מתא האסטר' ומבצע תמרון כניסה לאטמוספירה.
9. מגן חום אבלטיבי מגן על התא בחדירה לאטמוספירה, המצנחים נפרשים לקראת הנחיתה.
ניצול משאבי הירח
לפי חישובים על כמות הנדיפים בשלושת המטרים הראשונים של עפר הירח (Regolith) יש שם בין השאר גם כמיליון טון של הליום 3.
השימושים האפשריים לנדיפי הירח הם:
מים, דלק רקטי, פחמימות, חמצן – H2
אנרגיית היתוך גרעיני – He 3
בקרת אטמוספרה, קריאוגניקה – He 4
תמיכת חיים, חמצן – מים
מזון, בקרת אטמוספרה, ריאגנטים – N2
מזון, פחמימות, דלק – CO, CO2, CH4
חמצן, ייצור מתכות, טפלון – F2
חמצן וייצור מתכות, ראוגנטים – CL2
כריית מתכות, חומצה גפריתנית, חומרי נפץ, חומרי בנייה – SO2
בוקסה
נקודות לאגראנג' בהן יש איזון בין כוח המשיכה של כדור הארץ והירח (ושל גופים בחלל בכלל) ישמשו בסיסים לוגיסטיים 'קבועים' במסעות החלל.
נספח א: אפשרי טכנולוגית, בעייתי מעשית
מדענים מעריכים שיש כמיליון טון הליום 3 על פני הירח, וזה עשוי להספיק לצריכת אנרגיה בהיתוך לא רדיואקטיבי על פני כדור הארץ לאלפי שנים. 25 טון, המשקל שיכול לשאת רכב חלל בטיסה אחת, עשויים להספיק לצורכי האנרגיה של ארה”ב במשך שנה. אגב, מחירו כיום, מהפקה על כדור הארץ, הוא כ-4 מיליארד דולר לטונה (בשווי ערך אנרגטי לדלק פוסילי).
חלקיקי הליום 3 הנפלטים מן השמש מגיעים בעזרת הרוח הסולארית לפני הירח, והתומכים בשימוש בו כדלק העתיד טוענים שהוא עדיף למטרה זו על פני הדלקים הגרעיניים בני הדור הראשון דויתוריום והטריטיום, שהם איזוטופים של מימן, המשמשים בכורי הכוח הגרעיני כיום, אולם המחקר על הפקתו וניצולו לייצור חשמל הוא בראשית הדרך.
מתקן או תא להיתוך גרעיני במעבדה במכון המחקר לנושא בוויסקונסין, ארה”ב, הוא בגודל של כדורסל, אומר מומחה, ובו מבצעים ריכוז אלקטרוסטטי של יונים לתוך ליבה צפופה בעזרת רשת ספריקאלית. לאחר פיתוח, ניתן יהיה לבנות מערכות היתוך אלקטרוסטטי אינרטי מוכל (Inertial Electrostatic Confinement Fusion) להפקת נויטרונים ופרוטנים לייצור אנרגיה וגם לשימושים רפואיים.
אבל, כאמור, בגדול הבעיה היא בשיקול הכלכלי של פרויקט כזה. כדי להפיק למשל 70 טון של גז הליום 3, יש לכרות ולהתיך מיליון טון עפרות ירח לטמפ' של 800 מעלות צלסיוס כדי לשחרר את הגז.
נספח ב': יש אלטרנטיבות טובות יותר
היתוך גרעיני מבוקר מריאקציות דויטוריום-טריטיום מתסכל את הפיסיקאים כבר 50 שנה, מגיב פרופ' יעקב קרני ממכון ויצמן אותו ראיינתי לפני כמה חודשים בנושאי אנרגיה חליפית. עשרות מיליארדי דולרים כבר הושקעו בכך, עם תוצאות מעטות. כבר 35 שנים איש לא חזר לירח כי העסק יקר מדי, ואנו רחוקים מאד מהיכולת להפיק שם נדיפים, ובמיוחד הליום, וכך גם לגבי ריאקטור להיתוכו, כי גם ההוצאות הנלוות יהיו ענקיות.
נחמד לראות את החזון לכיבוש החלל וניצולו להפקת אנרגיה זולה, אולם חשוב לדעת כי הדבר לא יפתור את בעיות האנרגיה הדחופות שלנו ב-40-50 שנים הקרובות. העובדה היא כי יש בידינו אלטרנטיבות 'ארציות' בקנה מידה גדול יותר, קצרות יותר בזמן ובעלויות נמוכות – למשל אנרגיה סולרית (בטווח 5-10 שנים) או ביקוע גרעיני של תוריום (תוך 20-30 שנה). שאלת המפתח, אומר קרני, היא הקצאת משאבים הגיונית, ולא רק כזו המציתה את הדמיון.
