Amerykański profesor wyjaśnia, dlaczego silniki rakietowe są bardziej wydajne niż chemiczne. Dlatego to oni pomogą zbadać Marsa i wszystko poza nim. Ale nie myśli o tym, czy NASA będzie miała dość pieniędzy na opracowanie takich silników, jeśli Pentagon również się w nie angażuje i dostaje pierwszy.
NASA i Elon Musk marzą o Marsie, a załogowe misje kosmiczne wkrótce staną się rzeczywistością. Prawdopodobnie będziesz zaskoczony, ale współczesne rakiety lecą trochę szybciej niż rakiety z przeszłości.
Szybkie statki kosmiczne są wygodniejsze z różnych powodów, a najlepszym sposobem na przyspieszenie są rakiety o napędzie atomowym. Mają wiele zalet w stosunku do konwencjonalnych rakiet napędzanych paliwem lub nowoczesnych rakiet elektrycznych zasilanych energią słoneczną, ale w ciągu ostatnich 40 lat Stany Zjednoczone wystrzeliły tylko osiem rakiet o napędzie atomowym.
Jednak w minionym roku zmieniły się przepisy dotyczące nuklearnych podróży kosmicznych i prace nad kolejną generacją rakiet już się rozpoczęły.
Dlaczego potrzebna jest prędkość?
Na pierwszym etapie lotu w kosmos potrzebny jest rakieta nośna, która zabiera statek na orbitę. Te duże silniki napędzane są paliwem palnym - i zwykle mają na myśli, jeśli chodzi o wystrzeliwanie rakiet. W najbliższym czasie nigdzie się nie wybierają - ani siła grawitacji.
Ale kiedy statek wchodzi w kosmos, sprawy stają się bardziej interesujące. Aby pokonać grawitację Ziemi i wejść w przestrzeń kosmiczną, statek potrzebuje dodatkowego przyspieszenia. Tutaj do gry wchodzą systemy jądrowe. Jeśli astronauci chcą zbadać coś poza Księżycem, a nawet Marsem, muszą się spieszyć. Kosmos jest ogromny, a odległości dość duże.
Film promocyjny:
Są dwa powody, dla których szybkie rakiety lepiej nadają się do dalekich podróży kosmicznych: bezpieczeństwo i czas.
W drodze na Marsa astronauci są narażeni na bardzo wysokie poziomy promieniowania, obarczone poważnymi problemami zdrowotnymi, w tym rakiem i bezpłodnością. Osłona radiacyjna może pomóc, ale jest niezwykle ciężka i im dłuższa misja, tym mocniejsze osłony będą potrzebne. Dlatego najlepszym sposobem na zmniejszenie dawki promieniowania jest po prostu szybsze dotarcie do celu.
Ale bezpieczeństwo załogi to nie jedyna korzyść. Im bardziej odległe loty planujemy, tym szybciej potrzebujemy danych z misji bezzałogowych. Podróż do Neptuna zajęła Voyager 2 12 lat - a przelatując, wykonał niesamowite zdjęcia. Gdyby Voyager miał mocniejszy silnik, te zdjęcia i dane pojawiłyby się u astronomów znacznie wcześniej.
Więc prędkość jest zaletą. Ale dlaczego systemy jądrowe są szybsze?
Dzisiejsze systemy
Pokonawszy siłę grawitacji, statek musi wziąć pod uwagę trzy ważne aspekty.
Obecnie najpowszechniejsze są silniki chemiczne - czyli konwencjonalne rakiety napędzane paliwem i rakiety elektryczne zasilane energią słoneczną.
Chemiczne układy napędowe zapewniają duży ciąg, ale nie są szczególnie wydajne, a paliwo rakietowe nie jest bardzo energochłonne. Rakieta Saturn 5, która przenosi astronautów na Księżyc, dostarczyła podczas startu 35 milionów niutonów siły i przewoziła 950 000 galonów (4318787 litrów) paliwa. Większość czasu poświęcono na umieszczenie rakiety na orbicie, więc ograniczenia są oczywiste: gdziekolwiek się wybierasz, potrzebujesz dużo ciężkiego paliwa.
Elektryczne układy napędowe wytwarzają ciąg przy użyciu energii elektrycznej z paneli słonecznych. Najczęstszym sposobem osiągnięcia tego jest użycie pola elektrycznego do przyspieszenia jonów, na przykład w pędniku indukcyjnym Halla. Urządzenia te są używane do zasilania satelitów, a ich wydajność wagowa jest pięciokrotnie większa niż systemów chemicznych. Ale jednocześnie dają znacznie mniejszy ciąg - około 3 niutonów. To wystarczy tylko, aby przyspieszyć samochód od 0 do 100 kilometrów na godzinę w około dwie i pół godziny. Słońce jest zasadniczo bezdennym źródłem energii, ale im dalej statek się od niego oddala, tym jest mniej użyteczne.
Jednym z powodów, dla których rakiety jądrowe są szczególnie obiecujące, jest ich niesamowita energochłonność. Paliwo uranowe używane w reaktorach jądrowych ma energochłonność 4 miliony razy większą niż hydrazyna, typowe chemiczne paliwo rakietowe. O wiele łatwiej jest zabrać trochę uranu w kosmos niż setki tysięcy galonów paliwa.
A co z przyczepnością i wydajnością wagową?
Dwie opcje nuklearne
Na potrzeby podróży kosmicznych inżynierowie opracowali dwa główne typy systemów jądrowych.
Pierwsza to silnik termojądrowy. Systemy te są bardzo wydajne i wydajne. Używają małego reaktora rozszczepienia jądrowego - takiego jak te na atomowych łodziach podwodnych - do ogrzewania gazu (np. Wodoru). Gaz ten jest następnie przyspieszany przez dyszę rakiety, aby zapewnić ciąg. Inżynierowie NASA obliczyli, że podróż na Marsa przy użyciu silnika termojądrowego będzie o 20-25% szybsza niż rakieta z silnikiem chemicznym.
Silniki fuzyjne są ponad dwukrotnie bardziej wydajne niż silniki chemiczne. Oznacza to, że zapewniają dwa razy większy ciąg przy tej samej ilości paliwa - do 100 000 niutonów ciągu. To wystarczy, aby przyspieszyć samochód do 100 kilometrów na godzinę w około ćwierć sekundy.
Drugi system to jądrowy elektryczny silnik rakietowy (NEP). Żaden z nich nie został jeszcze stworzony, ale chodzi o to, aby użyć potężnego reaktora rozszczepialnego do wytwarzania energii elektrycznej, która będzie następnie zasilać elektryczny układ napędowy, taki jak silnik Halla. Byłoby to bardzo skuteczne - około trzy razy wydajniejsze niż silnik fuzyjny. Ponieważ moc reaktora jądrowego jest ogromna, kilka oddzielnych silników elektrycznych może pracować w tym samym czasie, a ciąg okaże się stały.
Rakietowe silniki jądrowe są prawdopodobnie najlepszym wyborem do misji na bardzo dalekie odległości: nie wymagają energii słonecznej, są bardzo wydajne i zapewniają stosunkowo duży ciąg. Jednak pomimo całej swojej obiecującej natury, system napędowy energii jądrowej nadal ma wiele problemów technicznych, które będą musiały zostać rozwiązane przed uruchomieniem.
Dlaczego nadal nie ma rakiet o napędzie atomowym?
Silniki fuzyjne badano od lat 60. XX wieku, ale jeszcze nie poleciały w kosmos.
Zgodnie z statutem z lat 70. każdy nuklearny projekt kosmiczny był rozpatrywany osobno i nie mógł pójść dalej bez zgody szeregu agencji rządowych i samego prezydenta. W połączeniu z brakiem funduszy na badania nad jądrowymi systemami rakietowymi uniemożliwiło to dalszy rozwój reaktorów jądrowych do wykorzystania w kosmosie.
Ale wszystko się zmieniło w sierpniu 2019 roku, kiedy administracja Trumpa wydała memorandum prezydenckie. Nalegając na maksymalne bezpieczeństwo startów jądrowych, nowa dyrektywa nadal zezwala na misje jądrowe z niewielkimi ilościami materiałów promieniotwórczych bez skomplikowanej zgody między agencjami. Potwierdzenie przez agencję sponsorującą, taką jak NASA, że misja jest zgodna z zaleceniami bezpieczeństwa, jest wystarczające. Duże misje jądrowe przechodzą te same procedury co poprzednio.
Wraz z tą rewizją zasad NASA otrzymała 100 milionów dolarów z budżetu na 2019 rok na rozwój silników termojądrowych. Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie opracowuje również termojądrowy silnik kosmiczny do operacji bezpieczeństwa narodowego poza orbitą Ziemi.
Po 60 latach stagnacji jest możliwe, że rakieta jądrowa poleci w kosmos w ciągu dekady. To niesamowite osiągnięcie zapoczątkuje nową erę eksploracji kosmosu. Człowiek poleci na Marsa, a eksperymenty naukowe doprowadzą do nowych odkryć w całym Układzie Słonecznym i poza nim.
Iain Boyd jest profesorem inżynierii kosmicznej na University of Colorado w Boulder