A Naprendszer egy igazán nagy hely, és örökkévaló ahhoz, hogy a világ minden tájáról hagyományos kémiai rakétákkal utazzon. Az egyik, az 1960-as években kifejlesztett technika azonban lehetőséget kínálhat utazási időink drasztikus lerövidítésére: a nukleáris rakéták.
Természetesen a radioaktív anyagokkal hajtott rakéta elindítása is saját kockázatával jár. Meg kellene próbálnunk?
Tegyük fel, hogy kémiai rakéta segítségével akart meglátogatni a Marsot. Felrobbantana a Földről, és alacsony földi pályára ment. Akkor a megfelelő pillanatban kiütötte a rakétát, és kiemelné a pályáját a Naptól. A követett új elliptikus pálya keresztezi a Marsot nyolc hónapos repülés után.
Ezt Hohmann-transzfernek hívják, és ez a leghatékonyabb módja annak, hogy megismerjük az űrben történő utazást, a legkevesebb hajtóanyag és a legnagyobb hasznos teher felhasználásával. A probléma természetesen az időbe telik. Az utazás során az űrhajósok élelmet, vizet, levegőt fogyasztanak, és a mély űr hosszú távú sugárzásának vannak kitéve. Ezután a visszatérési küldetés megkétszerezi az erőforrások igényét és a sugárzási terhelést.
Gyorsabban kell mennünk.
Kiderült, hogy a NASA majdnem 50 éve azon gondolkodik, hogy mi következik a vegyi rakéták után.
Nukleáris termikus rakéták. Határozottan felgyorsítják az utazást, de ők nem maradnak a saját kockázataik nélkül, ezért nem láttad őket. De talán itt az idejük.
1961-ben a NASA és az Atomenergia Bizottság együttműködött a nukleáris hőmeghajtás, vagyis az NTP ötletén. Ezt úttörője Werner von Braun volt, aki azt remélte, hogy az 1980-as években az emberi küldetések repülnek a Marsra a nukleáris rakéták szárnyán.
Nos, nem történt meg. De sikeresen elvégezték a nukleáris hőmeghajtás teszteit, és bebizonyították, hogy ez működik.
Míg a vegyi rakéta úgy működik, hogy meggyullad valamilyen gyúlékony vegyi anyagot, majd a kipufogógázokat egy fúvókából kihúzza. A régi jó Newton harmadik törvényének köszönhetően tudod, hogy minden olyan fellépés esetén, amely egyenlő és ellentétes reakciót mutat, a rakéta ellenkező irányba tolóerőt kap a kiürített gázoktól.
Egy nukleáris rakéta hasonlóan működik. Egy márvány méretű gömb urán tüzelőanyagon megy át a hasadási folyamaton, óriási hőt bocsátva ki. Ez a hidrogént felmelegíti majdnem 2500 ° C-ra, majd ezt nagy sebességgel kilökik a rakéta hátuljáról. Nagyon nagyon nagy sebesség, amely a rakéta kémiai-háromszorosára növeli a kémiai rakéta hajtási hatékonyságát.
Emlékszel a 8 hónapra, amelyet megemlítettem egy vegyi rakéta számára? Egy nukleáris termikus rakéta felére csökkentheti a tranzitidőt, akár 100 napos kirándulásokra is. Ez azt jelenti, hogy az űrhajósok kevesebb erőforrást fogyasztanak, és alacsonyabb a sugárzási terhelés.
És van még egy nagy előnye. A nukleáris rakéta tolódása lehetővé teheti a missziók elindítását, ha a Föld és a Mars nem tökéletesen illeszkednek egymáshoz. Most, ha hiányzik az ablaka, további 2 évet kell várnia, de egy nukleáris rakéta megadhatja a repülési késések kezelésének tolóerőjét.
A nukleáris rakéták első tesztelése 1955-ben kezdődött a Project Rover segítségével a Los Alamos Tudományos Laboratóriumban. A legfontosabb fejlemény a reaktorok miniatürizálása volt ahhoz, hogy rakétra tegyék őket. Az elkövetkező néhány évben a mérnökök több mint tucat különböző méretű és teljesítményű reaktorot építettek és teszteltek.
A Project Rover sikerének köszönhetően a NASA a Marson folytatott emberi missziókra irányította az irányokat, amelyek az Apollo leszállóhelyeit követik a Holdon. A távolság és a repülési idő miatt úgy döntöttek, hogy nukleáris rakéták lesznek a kulcsa a missziók képesebbé tételéhez.
A nukleáris rakéták természetesen nem vannak a kockázatuk nélkül. A fedélzeten lévő reaktor kis sugárforrás lenne a fedélzeten lévő űrhajósok legénységének számára, és ezt ellensúlyozná a csökkent repülési idő. Maga a mélytér óriási sugárterhelést jelent, mivel az állandó galaktikus kozmikus sugárzás károsítja az űrhajós DNS-ét.
Az 1960-as évek végén a NASA létrehozta a Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application programot, vagy a NERVA-t, kidolgozva azokat a technológiákat, amelyek nukleáris rakétákká válnának, amelyek az embereket a Marsra vezetik.
Nagyobb, erősebb nukleáris rakétákat kipróbáltak a Nevada sivatagban, a nagy sebességű hidrogéngáz szellőztetésével közvetlenül a légkörbe. A környezetvédelmi törvények akkoriban sokkal kevésbé voltak szigorúak.
Az első NERVA NRX-et végül majdnem két órán keresztül tesztelték, 28 perc alatt teljes energiával. És egy második motort 28 alkalommal indítottak el és 115 percig jártak.
Végül megvizsgálták a valaha épített legerősebb atomreaktor, a Phoebus-2A reaktor, amely 4000 megawatt teljesítményt képes generálni. 12 percig tolódik.
Noha a különféle alkatrészeket soha nem állították össze repülésre kész rakéttá, a mérnökök elégedettek voltak azzal, hogy a nukleáris rakéta kielégíti a Mars felé tartó repülés igényeit.
De akkor az Egyesült Államok úgy döntött, hogy már nem akar Marsra menni. Ehelyett az űrrepülőgépet akarták.
A programot 1973-ban leállították, azóta senki sem tesztelte a nukleáris rakétákat.
A technológia legújabb fejleményei azonban a nukleáris hőmeghajtást vonzóbbá tették. Az 1960-as években az egyetlen üzemanyag-forrás, amelyet felhasználhattak, a magasan dúsított urán. A mérnökök azonban most azt gondolják, hogy megbirkóznak az alacsony dúsítású uránnal.
Ez biztonságosabb lenne a munkával, és lehetővé tenné több rakéta létesítmény számára a tesztek elvégzését. Ezenkívül könnyebb lenne a radioaktív részecskék begyűjtése a kipufogógázban, és a megfelelő hulladékkezelés. Ez csökkentené a technológiával való munka költségeit.
2019. május 22-én az Egyesült Államok Kongresszusa 125 millió dolláros támogatást hagyott jóvá a nukleáris hőmeghajtó rakéták fejlesztésére. Noha ez a program nem játszik szerepet a NASA Artemis 2024 visszatérésében a Holdhoz, idézetben felhívja a NASA-t egy többéves terv kidolgozására, amely lehetővé teszi nukleáris hőmeghajtás demonstrációját, ideértve az űrbemutatóhoz kapcsolódó ütemtervet. és a jövőbeni missziók, meghajtó- és energiarendszerek leírása, amelyeket ez a képesség lehetővé tesz. ”
A atommaghasadás az egyik módja az atom erejének kiaknázására. Természetesen dúsított uránt igényel és mérgező radioaktív hulladékot képez. Mi a helyzet a fúzióval? Ahol a hidrogén atomjai héliumba kerülnek, energiát engedve?
A Nap összeolvadt, hatalmas tömeg- és maghőmérsékletének köszönhetően, de a fenntartható, energia-pozitív fúziót nem sikerült megbirkóznunk az emberekkel.
Az olyan hatalmas kísérletek, mint például az ITER Európában, remélik, hogy a fúziós energiát fenntartják a következő évtizedben. Ezt követően elképzelheti, hogy a fúziós reaktorok miniatürizálódjanak, és ugyanolyan szerepet játszanak, mint a nukleáris rakéta hasadási reaktorai. De még ha nem is sikerül fúziós reaktorokat eljuttatni arra a pontra, hogy nettó energiájuk pozitív, akkor is óriási gyorsulást tudnak biztosítani a tömeg mennyiségére.
És talán nem kell évtizedeket várnunk. A Princeton Plazmafizikai Laboratórium kutatócsoportja a Közvetlen Fúziós Meghajtó elnevezésű koncepción dolgozik, amely szerinte sokkal hamarabb elkészülhet.
Ennek alapja a Samuel Cohen által 2002-ben kifejlesztett Princeton Field-Reversed Configuration fúziós reaktor. A hélium-3 és a deutérium forró plazmáját egy mágneses tartály tartalmazza. A hélium-3 ritka a Földön, és értékes, mivel az azzal történő fúziós reakciók nem generálnak ugyanolyan mennyiségű veszélyes sugárzást vagy nukleáris hulladékot, mint más fúziós vagy hasadási reaktorok.
Mint a hasadó rakéta, a fúziós rakéta is melegíti fel a hajtóanyagot magas hőmérsékleten, majd a hátát felrobbantja, és tolóerőt eredményez.
Úgy működik, hogy egy csomó lineáris mágnest felsorakoztat, amelyek nagyon forró plazmát tartalmaznak és forognak. A plazma körüli antennákat az ionok meghatározott frekvenciájára állítják be, és áramot hoznak létre a plazmában. Energiájukat addig pumpálják, amíg az atomok megolvadnak, új részecskéket szabadítva fel. Ezek a részecskék vándorolnak a konténermezőn mindaddig, amíg a mágneses mező vonalai megragadják őket, és a rakéta hátulján felgyorsulnak.
Elméletileg egy fúziós rakéta képes lenne 2,5–5 newton tolóerőt biztosítani megawattonként, 10 000 másodperces fajlagos impulzussal - ne feledje, hogy 850 hasadási rakétákból és 450 vegyi rakétákból származik. Ez a Naptól távol eső űrhajó számára szükséges villamos energiát is előállítana, ahol a napelemek nem nagyon hatékonyak.
Egy közvetlen fúziós meghajtó mindössze 2 év alatt képes egy 10 tonnás űrutazásra Saturnába, vagy körülbelül 4 év alatt egy tonnás űrhajóval a Földtől Plutonhoz. Az New Horizonsnak majdnem tízre volt szüksége.
Mivel ez egy 1 megawattos fúziós reaktor is, energiát biztosítana az űrhajó összes eszközéhez, amikor megérkezik. Sokkal több, mint a nukleáris akkumulátorok, amelyeket jelenleg olyan mély űri missziók szállítanak, mint a Voyager és a New Horizons.
Képzelje el, hogy milyen csillagközi küldetések lehetnek az asztalon ezzel a technológiával.
És a Princeton Satellite Systems nem az egyetlen csoport, amely ilyen rendszereken dolgozik. Az alkalmazott fúziós rendszerek szabadalom iránti kérelmet nyújtottak be egy olyan fúziós motor számára, amely lendületet adhat az űrhajóknak.
Tudom, hogy évtizedek óta a NASA komolyan tesztelte a nukleáris rakétákat a repülési idő csökkentésének egyik módjaként, de úgy tűnik, hogy a technológia visszatért. Az elkövetkező néhány évben új hardvereket és új nukleáris hőmeghajtó rendszerek tesztelését várom el. Hihetetlenül izgatott vagyok az a lehetőség, hogy a tényleges fúziós meghajtók más világokba vezetnek. Mint mindig, maradj velünk, és értesítem, mikor repül az ember.
