Sončni sistem je resnično velik kraj, ki potuje od sveta do sveta s tradicionalnimi kemičnimi raketami. Toda ena tehnika, razvita v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, lahko omogoči dramatično skrajšanje naših potovalnih časov: jedrske rakete.
Seveda ima tudi izstrelitev rakete, ki jo poganja radioaktivni material, tudi svoja tveganja. Naj poskusimo?
Recimo, da ste želeli obiskati Mars s kemično raketo. Odpihnil bi se z Zemlje in prešel v nizko zemeljsko orbito. Nato v pravem trenutku izstreli svojo raketo in dvigne orbito s Sonca. Nova eliptična pot, ki jo po osmih mesecih leta sekate z Marsom, seka z Marsom.
To se imenuje Hohmannov prenos, in to je najučinkovitejši način, kako znamo potovati v vesolju, pri čemer uporabimo najmanjšo količino pogonskega sredstva in največjo količino koristne obremenitve. Težava je seveda čas, ki je potreben. Ves čas vožnje bodo astronavti uživali hrano, vodo, zrak in bili izpostavljeni dolgoročnemu sevanju globokega vesolja. Nato povratna misija podvoji potrebo po virih in podvoji obsevanje sevanja.
Hitro moramo iti.
Izkazalo se je, da NASA že skoraj 50 let razmišlja o tem, kaj sledi po kemičnih raketah.
Jedrske toplotne rakete. Potovanje zagotovo pospešijo, vendar niso brez lastnih tveganj, zato jih še niste videli. Morda pa je njihov čas tukaj.
Leta 1961 sta NASA in Komisija za atomsko energijo sodelovali pri ideji jedrskega toplotnega pogona ali NTP. To je začel pionir Werner von Braun, ki je upal, da bodo človeške misije v osemdesetih letih letele na Mars, na krilih jedrskih raket.
No, to se ni zgodilo. Vendar so opravili nekaj uspešnih preizkusov jedrskega toplotnega pogona in pokazali, da deluje.
Medtem ko kemična raketa deluje tako, da vžge neke vnetljive kemikalije in nato izpušne pline iztisne šobo. Zahvaljujoč tretjemu dobrem Newtonovemu zakonu, veste, za vsako dejanje je enaka in nasprotna reakcija, raketa dobi potisne v nasprotni smeri iz izpušnih plinov.
Jedrska raketa deluje na podoben način. Postopek cepljenja uranovega goriva v obliki marmorja je podvržen cepljenju in sprošča ogromno toplote. Ta segreva vodik do skoraj 2.500 C, ki ga nato izstreli zadnji del rakete. Zelo zelo velika hitrost, kar daje raketi dva- do trikratni pogonski izkoristek kemične rakete.
Se spomnite 8 mesecev, ki sem jih omenil za kemično raketo? Jedrska toplotna raketa bi lahko prehodni čas skrajšala za polovico, morda celo 100 dnevno potovanje na Mars. Kar pomeni manj virov, ki jih porabijo astronavti, in manjšo sevalno obremenitev.
In tu je še ena velika korist. Potisk jedrske rakete bi lahko omogočil, da se misije odpravljajo, ko Zemlja in Mars nista popolnoma usklajena. Če boste zamudili okno, morate počakati še dve leti, vendar vam bo jedrska raketa dala spodbudo za reševanje zamud letenja.
Prvi testi jedrskih raket so se začeli leta 1955 s projektom Rover v znanstvenem laboratoriju v Los Alamosu. Ključni razvoj je bila miniaturizacija reaktorjev dovolj, da smo jih lahko postavili na raketo. V naslednjih nekaj letih so inženirji zgradili in preizkusili več kot ducat reaktorjev različnih velikosti in izhodne moči.
Nasa je z uspehom Project Roverja usmerila svoje misije na človeške misije na Mars, ki bi sledile pristajalcem Apolona na Luni. Zaradi oddaljenosti in časa letenja so se odločili, da bodo jedrske rakete ključnega pomena za izboljšanje zmogljivosti misij.
Seveda jedrske rakete niso brez tveganj. Reaktor na krovu bi bil majhen vir sevanja za astronavtsko posadko na krovu, to bi odtehtalo zmanjšan čas letenja. Sama globoka vesolja predstavlja ogromno nevarnost sevanja, s konstantnim galaktičnim kozmičnim sevanjem, ki poškoduje DNK astronavta.
V poznih šestdesetih letih je NASA ustanovila program Nuclear Engine for Rcket Vehicle Application, oziroma NERVA, in razvila tehnologije, ki bi postale jedrske rakete, ki bi ljudi odpeljale na Mars.
V puščavi Nevada so preizkusili večje in močnejše jedrske rakete, ki so izpuščali vodik velike hitrosti naravnost v ozračje. Okoljski zakoni so bili takrat veliko manj strogi.
Prvi NERVA NRX je bil na koncu preizkušen skoraj dve uri, z 28 minutami s polno močjo. In drugi motor je bil zagnan 28-krat in je obratoval 115 minut.
Do konca so preizkusili najzmogljivejši jedrski reaktor, ki je bil kdajkoli zgrajen, reaktor Phoebus-2A, ki je sposoben proizvesti 4000 megavatov moči. Potiskanje 12 minut.
Čeprav različne komponente dejansko niso bile nikoli sestavljene v raketo, pripravljeno za letenje, so bili inženirji prepričani, da bo jedrska raketa zadovoljila potrebe leta do Marsa.
Toda takrat so se ZDA odločile, da ne želijo več na Mars. Namesto tega so želeli vesoljski šatl.
Program so ustavili leta 1973 in od takrat nihče ni testiral jedrskih raket.
Toda nedavni napredek tehnologije je jedrski toplotni pogon naredil bolj privlačnega. Še v šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bil edini vir goriva, ki so ga lahko uporabljali, visoko obogaten uran. Toda zdaj inženirji mislijo, da se jih lahko reši z nizko obogatenim uranom.
To bi bilo varneje delati in bi omogočilo več raketnih zmogljivosti za izvajanje testov. Prav tako bi bilo lažje zajeti radioaktivne delce v izpušnih plinih in jih pravilno odložiti. To bi zmanjšalo splošne stroške dela s tehnologijo.
Ameriški kongres je 22. maja 2019 odobril 125 milijonov dolarjev financiranja za razvoj raket jedrskega termičnega pogona. Čeprav ta program nima nobene vloge pri Nasini vrnitvi Artemis 2024 na Luno, pa - citiram -, „poziva NASA, naj razvije večletni načrt, ki bo omogočil demonstracijo jedrskega toplotnega pogona, vključno s časovnico, povezano s demonstracijo v vesolju. in opis prihodnjih misij ter sistemov za pogon in pogon, ki jih omogoča ta sposobnost. "
Jedrska cepitev je eden od načinov, kako izkoristiti moč atoma. Seveda potrebuje obogaten uran in ustvarja strupene radioaktivne odpadke. Kaj pa fuzija? Kje se atomi vodika stisnejo v helij in sproščajo energijo?
Sonce je nastalo zlitje, zahvaljujoč svoji ogromni masi in osnovni temperaturi, toda trajnostno, energijsko pozitivno zlivanje nas je izluščilo, uboge ljudi.
Ogromni poskusi, kot je ITER v Evropi, upajo, da bodo ohranili fuzijsko energijo v naslednjem desetletju. Po tem si lahko predstavljate, da se fuzijski reaktorji miniaturnizirajo do te mere, da lahko v jedrski raketi igrajo enako vlogo kot fisijski reaktor. Toda tudi če ne morete dobiti fuzijskih reaktorjev do te mere, da so neto energijsko pozitivni, lahko še vedno poskrbijo za ogromno pospeševanje za količino mase.
In morda nam ni treba čakati desetletja. Raziskovalna skupina v laboratoriju za fiziko plazme Princeton deluje na konceptu, imenovanem Direct Fusion Drive, za katerega menijo, da bi bil lahko pripravljen veliko prej.
Temelji na talnem fuzijskem reaktorju Princeton Field-Reversed Configuration, ki ga je leta 2002 razvil Samuel Cohen. Vroča plazma helija-3 in devterija se nahaja v magnetni posodi. Helij-3 je na Zemlji redek in dragocen, ker fuzijske reakcije z njim ne bodo ustvarile enake količine nevarnih sevanj ali jedrskih odpadkov kot drugi fuzijski ali fisijski reaktorji.
Tako kot pri cepljeni raketi tudi fuzijska raketa segreva pogonsko gorivo do visokih temperatur, nato pa jo razstreli po hrbtu in ustvari potisk.
Deluje tako, da obloži kup linearnih magnetov, ki vsebujejo in vrtijo zelo vročo plazmo. Antene okoli plazme so nastavljene na določeno frekvenco ionov in ustvarjajo tok v plazmi. Njihova energija se črpa do te mere, da se atomi zlijejo in sproščajo nove delce. Ti delci se sprehajajo po zadrževalnem polju, dokler jih ne zajamejo linije magnetnega polja in se pospešijo izza zadnjega dela rakete.
Teoretično bi fuzijska raketa sposobna zagotavljati 2,5 do 5 Newtonov potiska na megavat, s specifičnim impulzom 10 000 sekund - spomnite se 850 iz raketnih delitev in 450 iz kemičnih raket. Prav tako bi proizvajali elektriko, ki jo potrebuje vesoljsko plovilo daleč od Sonca, kjer sončne plošče niso zelo učinkovite.
Pogon z neposrednim fuzijam bi bil lahko v samo 2 letih izveden 10-tonsko misijo do Saturna ali 1-tonsko vesoljsko plovilo od Zemlje do Plutona v približno 4 letih. Nova obzorja so potrebovala skoraj 10.
Ker je tudi 1 megavatni fuzijski reaktor, bo ob prihodu zagotovil tudi moč vseh instrumentov vesoljskih plovil. Veliko več kot jedrske baterije, ki jih trenutno prenašajo globoke vesoljske misije, kot sta Voyager in New Horizons.
Predstavljajte si, kakšne vrste medzvezdnih misij so lahko na mizi tudi s to tehnologijo.
Satelitski sistemi Princeton pa niso edina skupina, ki deluje na takšnih sistemih. Applied Fusion Systems so zaprosili za patent za jedrski fuzijski motor, ki bi lahko zagotavljal potisk vesoljskim plovilom.
Vem, da je minilo že desetletja, odkar je NASA resno preizkusila jedrske rakete kot način za skrajšanje let letenja, vendar je videti, da se je tehnologija vrnila. V naslednjih letih pričakujem novo strojno opremo in nove preskuse sistemov jedrskega termičnega pogona. In neverjetno sem navdušen nad možnostjo, da nas dejanski fusion pogoni odpeljejo v druge svetove. Kot vedno spremljajte, sporočil vas bom, kdaj kdo dejansko leti.
