Nova era istraživanja svemira iza fuzijskih raketnih motora

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

NASA i Elon Musk sanjaju o Marsu, a misije u duboki svemir s ljudskom posadom uskoro će postati stvarnost. Vjerojatno ćete se iznenaditi, ali moderne rakete lete malo brže od raketa iz prošlosti.

Brzi svemirski brodovi prikladniji su iz raznih razloga, a najbolji način za ubrzanje je raketa na nuklearni pogon. Imaju mnoge prednosti u odnosu na konvencionalne rakete na gorivo ili moderne električne rakete na solarni pogon, ali u posljednjih 40 godina Sjedinjene Države su lansirale samo osam raketa na nuklearni pogon.

Međutim, u protekloj godini promijenili su se zakoni o nuklearnom svemirskom putovanju, a radovi na sljedećoj generaciji raketa već su počeli.

Zašto je potrebna brzina?

U prvoj fazi svakog leta u svemir potrebna je lansirna raketa - ona odvodi brod u orbitu. Ovi veliki motori rade na zapaljiva goriva – a obično se na njih misli kada je u pitanju lansiranje raketa. Ne idu nikamo uskoro - kao i sila gravitacije.

Ali kada brod uđe u svemir, stvari postaju zanimljivije. Da bi prevladao gravitaciju Zemlje i otišao u duboki svemir, brodu je potrebno dodatno ubrzanje. Ovdje na scenu stupaju nuklearni sustavi. Ako astronauti žele istražiti nešto izvan Mjeseca ili još više Marsa, morat će požuriti. Kosmos je ogroman, a udaljenosti su prilično velike.

Dva su razloga zašto su brze rakete prikladnije za svemirska putovanja na velike udaljenosti: sigurnost i vrijeme.

Na putu do Marsa, astronauti se suočavaju s vrlo visokom razinom zračenja, prepunom ozbiljnih zdravstvenih problema, uključujući rak i neplodnost. Zaštita od zračenja može pomoći, ali je izuzetno teška i što je misija duža, bit će potrebna snažnija zaštita. Stoga je najbolji način za smanjenje doze zračenja jednostavno brže doći do odredišta.

Ali sigurnost posade nije jedina prednost. Što planiramo udaljenije letove, prije su nam potrebni podaci iz bespilotnih misija. Voyageru 2 trebalo je 12 godina da stigne do Neptuna - i dok je proletio, napravio je nekoliko nevjerojatnih slika. Da je Voyager imao snažniji motor, ove bi se fotografije i podaci pojavili kod astronoma mnogo ranije.

Dakle, brzina je prednost. Ali zašto su nuklearni sustavi brži?

Današnji sustavi

Nakon što je prevladao silu gravitacije, brod mora razmotriti tri važna aspekta.

Povjerenje- kakvo će ubrzanje dobiti brod.

Učinkovitost težine- koliki potisak sustav može proizvesti za danu količinu goriva.

Specifična potrošnja energije- koliko energije daje određena količina goriva.

Danas su najčešći kemijski motori konvencionalne rakete na gorivo i električne rakete na solarni pogon.

Kemijski pogonski sustavi pružaju veliki potisak, ali nisu osobito učinkoviti, a raketno gorivo nije jako energetski intenzivno. Raketa Saturn 5 koja je nosila astronaute na Mjesec isporučila je 35 milijuna njutona sile prilikom polijetanja i nosila 950.000 galona (4.318.787 litara) goriva. Većina je utrošena na dovođenje rakete u orbitu, pa su ograničenja očita: kamo god idete, treba vam puno teškog goriva.

Električni pogonski sustavi stvaraju potisak koristeći električnu energiju iz solarnih panela. Najčešći način da se to postigne je korištenje električnog polja za ubrzanje iona, na primjer, kao u Hallovom indukcijskom potisniku. Ti se uređaji koriste za napajanje satelita, a njihova težinska učinkovitost je pet puta veća od učinkovitosti kemijskih sustava. Ali u isto vrijeme daju mnogo manje potiska - oko 3 njutna. To je dovoljno samo za ubrzanje automobila od 0 do 100 kilometara na sat za oko dva i pol sata. Sunce je u biti izvor energije bez dna, ali što se brod dalje udaljava od njega, to je manje korisno.

Jedan od razloga zašto su nuklearne rakete posebno obećavajuće je njihov nevjerojatan energetski intenzitet. Uranovo gorivo koje se koristi u nuklearnim reaktorima ima energetski sadržaj 4 milijuna puta veći od hidrazina, tipičnog kemijskog raketnog goriva. I puno je lakše unijeti malo urana u svemir nego stotine tisuća galona goriva.

Što je s vučom i učinkovitošću težine?

Dvije nuklearne opcije

Za svemirska putovanja, inženjeri su razvili dvije glavne vrste nuklearnih sustava.

Prvi je termonuklearni motor. Ovi su sustavi vrlo moćni i vrlo učinkoviti. Koriste mali nuklearni fisijski reaktor - poput onih na nuklearnim podmornicama - za zagrijavanje plina (poput vodika). Ovaj plin se zatim ubrzava kroz raketnu mlaznicu kako bi se osigurao potisak. NASA-ini inženjeri izračunali su da će putovanje na Mars pomoću termonuklearnog motora biti 20-25% brže od rakete s kemijskim motorom.

Fuzijski motori su više nego dvostruko učinkovitiji od kemijskih. To znači da isporučuju dvostruko veći potisak za istu količinu goriva - do 100.000 Newtona potiska. To je dovoljno da automobil ubrza do brzine od 100 kilometara na sat za otprilike četvrt sekunde.

Drugi sustav je nuklearni električni raketni motor (NEPE). Ništa od toga još nije stvoreno, ali ideja je koristiti moćni fisijski reaktor za proizvodnju električne energije, koja će zatim pokretati električni pogonski sustav poput Hallovog motora. To bi bilo vrlo učinkovito – oko tri puta učinkovitije od fuzijskog motora. Budući da je snaga nuklearnog reaktora ogromna, nekoliko odvojenih elektromotora može raditi istovremeno, a potisak će se pokazati čvrstim.

Nuklearni raketni motori su možda najbolji izbor za misije iznimno velikog dometa: ne zahtijevaju sunčevu energiju, vrlo su učinkoviti i pružaju relativno visok potisak. No, uz svu svoju obećavajuću prirodu, nuklearni pogonski sustav još uvijek ima puno tehničkih problema koje će se morati riješiti prije puštanja u rad.

Zašto još uvijek nema projektila na nuklearni pogon?

Termonuklearni motori se proučavaju od 1960-ih, ali još nisu odletjeli u svemir.

Prema povelji iz 1970-ih, svaki nuklearni svemirski projekt razmatran je zasebno i nije mogao ići dalje bez odobrenja niza vladinih agencija i samog predsjednika. Zajedno s nedostatkom sredstava za istraživanje nuklearnih raketnih sustava, to je kočilo daljnji razvoj nuklearnih reaktora za korištenje u svemiru.

No, sve se promijenilo u kolovozu 2019. kada je Trumpova administracija izdala predsjednički memorandum. Iako inzistira na maksimalnoj sigurnosti nuklearnih lansiranja, nova direktiva i dalje dopušta nuklearne misije s malim količinama radioaktivnog materijala bez kompliciranog odobrenja među agencijama. Dovoljna je potvrda agencije sponzora kao što je NASA da je misija u skladu sa sigurnosnim preporukama. Velike nuklearne misije prolaze kroz iste postupke kao i prije.

Uz ovu reviziju pravila, NASA je iz proračuna za 2019. dobila 100 milijuna dolara za razvoj termonuklearnih motora. Agencija za obrambene napredne istraživačke projekte također razvija termonuklearni svemirski motor za operacije nacionalne sigurnosti izvan Zemljine orbite.

Nakon 60 godina stagnacije, moguće je da će nuklearna raketa otići u svemir u roku od desetljeća. Ovo nevjerojatno postignuće uvesti će novu eru istraživanja svemira. Čovjek će otići na Mars, a znanstveni eksperimenti dovest će do novih otkrića diljem Sunčevog sustava i šire.