Układ Słoneczny to naprawdę duże miejsce i podróżowanie ze świata do świata za pomocą tradycyjnych rakiet chemicznych zajmuje wieczność. Ale jedna technika, opracowana w latach 60. XX wieku, może zapewnić sposób na znaczne skrócenie czasu podróży: rakiety nuklearne.
Oczywiście wystrzelenie rakiety napędzanej materiałem radioaktywnym wiąże się również z pewnym ryzykiem. Czy powinniśmy spróbować?
Powiedzmy, że chciałeś odwiedzić Marsa za pomocą rakiety chemicznej. Odleciałbyś z Ziemi i zszedł na niską orbitę Ziemi. W odpowiednim momencie wystrzeliłbyś rakietę, podnosząc orbitę od Słońca. Nowa trajektoria eliptyczna, którą podążasz, przecina się z Marsem po ośmiu miesiącach lotu.
Jest to znane jako transfer Hohmanna i jest to najbardziej efektywny sposób, w jaki wiemy, jak podróżować w kosmosie, wykorzystując najmniejszą ilość paliwa i największą ładowność. Problemem jest oczywiście czas potrzebny. W trakcie podróży astronauci będą spożywać żywność, wodę, powietrze i będą narażeni na długotrwałe promieniowanie kosmosu. Następnie misja powrotna podwaja zapotrzebowanie na zasoby i podwaja ładunek promieniowania.
Musimy iść szybciej.
Okazuje się, że NASA od prawie 50 lat myśli o tym, co będzie dalej po rakietach chemicznych.
Jądrowe rakiety termiczne. Zdecydowanie przyspieszają podróż, ale nie są pozbawieni własnego ryzyka, dlatego ich nie widziałeś. Ale może ich czas już tu jest.
W 1961 r. NASA i Komisja Energii Atomowej wspólnie pracowały nad ideą jądrowego napędu termicznego lub NTP. Zapoczątkował to Werner von Braun, który miał nadzieję, że ludzkie misje polecą na Marsa w latach 80. na skrzydłach rakiet nuklearnych.
Tak się nie stało. Ale wykonali kilka udanych testów jądrowego napędu termicznego i wykazali, że to działa.
Podczas gdy rakieta chemiczna działa, zapalając jakąś łatwopalną substancję chemiczną, a następnie wypychając gazy spalinowe z dyszy. Dzięki staremu dobremu trzeciemu prawu Newtona wiesz, że dla każdej akcji zachodzi równa i przeciwna reakcja, rakieta otrzymuje ciąg w przeciwnym kierunku od wydalonych gazów.
Rakieta nuklearna działa w podobny sposób. Marmurowa kula paliwa uranu ulega procesowi rozszczepienia, uwalniając ogromną ilość ciepła. Ogrzewa to wodór do prawie 2500 ° C, który jest następnie wypychany z tyłu rakiety z dużą prędkością. Bardzo, bardzo duża prędkość, dająca rakiecie dwa do trzech razy większą wydajność rakiety chemicznej.
Pamiętasz 8 miesięcy, o których wspominałem dla rakiety chemicznej? Jądrowa rakieta termiczna może skrócić czas tranzytu o połowę, a może nawet 100 jednodniowych podróży na Marsa. Co oznacza mniej zasobów zużywanych przez astronautów i niższe obciążenie promieniowaniem.
I jest jeszcze jedna wielka korzyść. Pocisk rakiety nuklearnej może pozwolić na rozpoczęcie misji, gdy Ziemia i Mars nie są idealnie ustawione. W tej chwili, jeśli przegapisz okno, musisz poczekać kolejne 2 lata, ale rakieta nuklearna może dać ci siłę, by poradzić sobie z opóźnieniami lotów.
Pierwsze testy rakiet nuklearnych rozpoczęto w 1955 r. Od Project Rover w Los Alamos Scientific Laboratory. Kluczowym osiągnięciem było zminiaturyzowanie reaktorów na tyle, aby móc umieścić je na rakiecie. W ciągu następnych kilku lat inżynierowie zbudowali i przetestowali kilkanaście reaktorów o różnych rozmiarach i mocy wyjściowej.
Po sukcesie Project Rover NASA skupiła się na misjach ludzkich na Marsie, które miały podążać za lądownikami Apollo na Księżycu. Z powodu odległości i czasu lotu postanowili, że rakiety nuklearne będą kluczem do zwiększenia zdolności misji.
Oczywiście rakiety nuklearne nie są pozbawione ryzyka. Reaktor na pokładzie byłby niewielkim źródłem promieniowania dla załogi astronautów na pokładzie, równoważyłby to skrócony czas lotu. Sama głęboka przestrzeń stanowi ogromne zagrożenie promieniowaniem, a stałe galaktyczne promieniowanie kosmiczne uszkadza DNA astronautów.
Pod koniec lat 60. ubiegłego wieku NASA uruchomiła program Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application lub NERVA, opracowując technologie, które stałyby się rakietami nuklearnymi, które miałyby zabrać ludzi na Marsa.
Testowali większe, mocniejsze rakiety nuklearne na pustyni Nevada, wypuszczając gazowy wodór o dużej prędkości wprost do atmosfery. Prawa ochrony środowiska były wówczas znacznie mniej surowe.
Pierwsza NERVA NRX została ostatecznie przetestowana przez prawie dwie godziny, przy 28 minutach przy pełnej mocy. Drugi silnik uruchomiono 28 razy i pracował przez 115 minut.
Do końca przetestowali najpotężniejszy reaktor jądrowy, jaki kiedykolwiek zbudowano, reaktor Phoebus-2A, zdolny do wytworzenia 4000 megawatów mocy. Pchanie przez 12 minut.
Chociaż różne komponenty nigdy nie zostały zmontowane w gotową do lotu rakietę, inżynierowie byli zadowoleni, że rakieta nuklearna zaspokoi potrzeby lotu na Marsa.
Ale potem USA zdecydowały, że nie będą już chciały jechać na Marsa. Zamiast tego chcieli promu kosmicznego.
Program został zamknięty w 1973 roku i od tego czasu nikt nie testował rakiet jądrowych.
Jednak ostatnie postępy technologiczne sprawiły, że jądrowy napęd cieplny stał się bardziej atrakcyjny. W latach 60. jedynym źródłem paliwa, z którego mogli korzystać, był wysoko wzbogacony uran. Ale teraz inżynierowie myślą, że mogą sobie poradzić z niską zawartością uranu.
Byłoby to bezpieczniejsze w pracy i pozwoliłoby na uruchomienie większej liczby obiektów rakietowych. Byłoby również łatwiej wychwytywać cząstki radioaktywne w spalinach i odpowiednio je usuwać. Obniżyłoby to ogólne koszty pracy z technologią.
22 maja 2019 r. Kongres USA zatwierdził 125 milionów dolarów na rozwój rakiet z napędem termicznym. Chociaż ten program nie odgrywa żadnej roli w powrocie NASA Artemis 2024 na Księżyc, to - cytat - „wzywa NASA do opracowania wieloletniego planu, który umożliwi demonstrację napędu jądrowego, w tym oś czasu związaną z demonstracją kosmiczną oraz opis przyszłych misji oraz systemów napędowych i energetycznych umożliwianych przez tę funkcję. ”
Rozszczepienie jądrowe jest jednym ze sposobów na wykorzystanie mocy atomu. Oczywiście wymaga wzbogaconego uranu i generuje toksyczne odpady radioaktywne. Co z fuzją? Gdzie atomy wodoru są wtłaczane w hel, uwalniając energię?
Słońce rozwinęło się dzięki ogromnej masie i temperaturze rdzenia, ale zrównoważone, dodatnie energetycznie połączenie jest nieuchwytne przez nas, mizernych ludzi.
Ogromne eksperymenty, takie jak ITER w Europie, mają nadzieję utrzymać energię syntezy jądrowej w ciągu najbliższej dekady. Następnie możesz sobie wyobrazić miniaturyzację reaktorów termojądrowych do tego stopnia, że mogą one pełnić tę samą rolę co reaktor rozszczepienia w rakiecie nuklearnej. Ale nawet jeśli nie da się uzyskać reaktorów termojądrowych do tego stopnia, że mają dodatnią energię netto, nadal mogą zapewnić ogromne przyspieszenie dla masy.
A może nie musimy czekać dziesięciolecia. Grupa badawcza w Princeton Plasma Physics Laboratory pracuje nad koncepcją o nazwie Direct Fusion Drive, która według nich może być gotowa znacznie wcześniej.
Opiera się na reaktorze termojądrowym Princeton z odwróconą konfiguracją, opracowanym w 2002 r. Przez Samuela Cohena. Gorąca plazma helu-3 i deuteru znajduje się w pojemniku magnetycznym. Hel-3 jest rzadki na Ziemi i cenny, ponieważ reakcje fuzji z nim nie generują takiej samej ilości niebezpiecznego promieniowania lub odpadów nuklearnych, jak inne reaktory syntezy jądrowej lub rozszczepienia.
Podobnie jak w przypadku rakiety rozszczepialnej, rakieta termojądrowa podgrzewa paliwo do wysokich temperatur, a następnie wysadza go w plecy, wytwarzając ciąg.
Działa poprzez ustawienie szeregu magnesów liniowych, które zawierają i obracają bardzo gorącą plazmę. Anteny wokół plazmy są dostrojone do określonej częstotliwości jonów i wytwarzają prąd w plazmie. Ich energia jest pompowana do tego stopnia, że atomy łączą się, uwalniając nowe cząsteczki. Cząstki te wędrują przez pole powstrzymujące, dopóki nie zostaną uchwycone przez linie pola magnetycznego i nie zostaną przyspieszone z tyłu rakiety.
Teoretycznie rakieta termojądrowa byłaby w stanie zapewnić od 2,5 do 5 niutonów ciągu na megawat z impulsem właściwym wynoszącym 10 000 sekund - pamiętaj 850 z rakiet rozszczepialnych i 450 z rakiet chemicznych. Byłoby to również wytwarzanie energii elektrycznej potrzebnej statkowi kosmicznemu daleko od Słońca, gdzie panele słoneczne nie są bardzo wydajne.
Bezpośredni napęd syntezy jądrowej byłby w stanie przeprowadzić 10-tonową misję na Saturna w zaledwie 2 lata lub 1-tonowy statek kosmiczny z Ziemi na Plutona za około 4 lata. Nowe Horyzonty potrzebowały prawie 10.
Ponieważ jest to również reaktor termojądrowy o mocy 1 megawata, zapewniłby on również zasilanie wszystkim instrumentom statku kosmicznego, gdy tylko nadejdzie. Znacznie więcej niż baterie nuklearne obecnie prowadzone przez misje kosmiczne, takie jak Voyager i New Horizons.
Wyobraź sobie, jakie rodzaje misji międzygwiezdnych mogą być dostępne również przy tej technologii.
Princeton Satellite Systems nie jest jedyną grupą pracującą na takich systemach. Applied Fusion Systems złożyły wniosek o patent na silnik syntezy jądrowej, który mógłby zapewnić ciąg statku kosmicznego.
Wiem, że minęły dziesięciolecia, odkąd NASA poważnie przetestowało rakiety jądrowe jako sposób na skrócenie czasu lotu, ale wygląda na to, że technologia powróciła. W ciągu najbliższych kilku lat spodziewam się nowego sprzętu i nowych testów jądrowych systemów napędu cieplnego. I jestem niesamowicie podekscytowany możliwością prowadzenia napędów termojądrowych w inne światy. Jak zawsze, bądźcie czujni, dam wam znać, kiedy ktoś naprawdę lata.
