Nova era istraživanja svemira iza fuzionih raketnih motora

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

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

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

Međutim, u protekloj godini promijenili su se zakoni koji se tiču nuklearnog putovanja u svemir, a radovi na sljedećoj generaciji raketa već su počeli.

Zašto je potrebna brzina?

U prvoj fazi bilo kojeg 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 nikuda uskoro - kao i sila gravitacije.

Ali kada brod uđe u svemir, stvari postaju zanimljivije. Da bi savladao gravitaciju Zemlje i otišao u duboki svemir, brodu je potrebno dodatno ubrzanje. Tu na scenu stupaju nuklearni sistemi. 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 pogodnije za svemirska putovanja na velike udaljenosti: sigurnost i vrijeme.

Na putu do Marsa, astronauti se suočavaju sa veoma visokim nivoom radijacije, 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 da se smanji doza zračenja jednostavno brže doći do odredišta.

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

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

Današnji sistemi

Nakon što je savladao silu gravitacije, brod mora uzeti u obzir tri važna aspekta.

Potisak- kakvo će ubrzanje brod dobiti.

Efikasnost težine- koliki potisak sistem može proizvesti za datu količinu goriva.

Specifična potrošnja energije- koliko energije daje određena količina goriva.

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

Hemijski pogonski sistemi daju veliki potisak, ali nisu posebno efikasni, a raketno gorivo nije energetski intenzivno. Raketa Saturn 5 koja je nosila astronaute na Mjesec isporučila je 35 miliona njutna sile pri poletanju i nosila 950.000 galona (4.318.787 litara) goriva. Najviše je uloženo u izvođenje rakete u orbitu, tako da su ograničenja očigledna: gde god da krenete, potrebno vam je mnogo teškog goriva.

Električni pogonski sistemi 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. Ovi uređaji se koriste za napajanje satelita, a njihova efikasnost težine je pet puta veća od hemijskih sistema. Ali u isto vrijeme daju mnogo manji potisak - oko 3 njutna. Ovo je dovoljno samo da automobil ubrza od 0 do 100 kilometara na sat za oko dva i po sata. Sunce je u suštini 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 nevjerovatan energetski intenzitet. Uranijsko gorivo koje se koristi u nuklearnim reaktorima ima energetski sadržaj 4 miliona puta veći od hidrazina, tipičnog hemijskog raketnog goriva. I mnogo je lakše unijeti malo uranijuma u svemir nego stotine hiljada galona goriva.

Šta je sa vučom i efikasnošću težine?

Dvije nuklearne opcije

Za svemirska putovanja, inženjeri su razvili dva glavna tipa nuklearnih sistema.

Prvi je termonuklearni motor. Ovi sistemi su veoma moćni i veoma efikasni. Oni koriste mali nuklearni fisijski reaktor - poput onih na nuklearnim podmornicama - za zagrijavanje plina (poput vodika). Ovaj gas se zatim ubrzava kroz raketnu mlaznicu da bi se obezbedio potisak. NASA-ini inženjeri su izračunali da će putovanje na Mars pomoću termonuklearnog motora biti 20-25% brže od rakete sa hemijskim motorom.

Fuzijski motori su više nego dvostruko efikasniji od hemijskih. To znači da isporučuju dvostruko veći potisak za istu količinu goriva - do 100.000 Njutna potiska. Ovo je dovoljno da automobil ubrza do brzine od 100 kilometara na sat za oko četvrt sekunde.

Drugi sistem je nuklearni električni raketni motor (NEPE). Ništa od toga još nije stvoreno, ali ideja je da se koristi moćni fisijski reaktor za generiranje električne energije, koja će zatim pokretati električni pogonski sistem poput Holovog motora. To bi bilo veoma efikasno - oko tri puta efikasnije od fuzionog 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 izuzetno velikog dometa: ne zahtijevaju sunčevu energiju, vrlo su efikasni i pružaju relativno visok potisak. Ali uz svu svoju obećavajuću prirodu, nuklearni pogonski sistem još uvijek ima puno tehničkih problema koje će se morati riješiti prije nego što bude pušten u rad.

Zašto još uvijek nema projektila na nuklearni pogon?

Termonuklearni motori se proučavaju od 1960-ih, ali još nisu poletjeli 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 sa nedostatkom sredstava za istraživanje nuklearnih raketnih sistema, ovo je ometalo dalji razvoj nuklearnih reaktora za upotrebu u svemiru.

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

Uz ovu reviziju pravila, NASA je iz budžeta za 2019. dobila 100 miliona dolara za razvoj termonuklearnih motora. Agencija za napredna istraživanja u oblasti odbrane takođe razvija termonuklearni svemirski motor za operacije nacionalne bezbednosti izvan Zemljine orbite.

Nakon 60 godina stagnacije, moguće je da će nuklearna raketa otići u svemir u roku od jedne decenije. Ovo neverovatno dostignuće će uvesti novu eru istraživanja svemira. Čovek će otići na Mars, a naučni eksperimenti će dovesti do novih otkrića širom Sunčevog sistema i šire.