Novo obdobje raziskovanja vesolja za fuzijskimi raketnimi motorji

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

NASA in Elon Musk sanjata o Marsu, misije v globoki vesolj s posadko pa bodo kmalu postale resničnost. Verjetno boste presenečeni, a sodobne rakete letijo nekoliko hitreje kot rakete iz preteklosti.

Hitre vesoljske ladje so bolj priročne iz različnih razlogov, najboljši način za pospeševanje pa so rakete na jedrski pogon. Imajo številne prednosti pred običajnimi raketami na gorivo ali sodobnimi električnimi raketami na sončno energijo, vendar so ZDA v zadnjih 40 letih izstrelile le osem raket na jedrski pogon.

Vendar se je v zadnjem letu spremenila zakonodaja glede jedrskega vesoljskega potovanja in dela na naslednji generaciji raket so se že začela.

Zakaj je potrebna hitrost?

Na prvi stopnji katerega koli poleta v vesolje je potrebna nosilna raketa - ladjo popelje v orbito. Ti veliki motorji delujejo na gorljiva goriva – in običajno so mišljeni, ko gre za izstrelitev raket. Kmalu ne gredo nikamor – prav tako sila gravitacije.

Ko pa ladja vstopi v vesolje, postanejo stvari bolj zanimive. Da bi premagala gravitacijo Zemlje in šla v globok vesolje, ladja potrebuje dodaten pospešek. Tu nastopijo jedrski sistemi. Če bodo astronavti želeli raziskati nekaj onkraj Lune ali še bolj Marsa, bodo morali pohiteti. Kozmos je ogromen in razdalje so precej velike.

Obstajata dva razloga, zakaj so hitre rakete bolj primerne za vesoljska potovanja na dolge razdalje: varnost in čas.

Na poti na Mars se astronavti soočajo z zelo visokimi ravnmi sevanja, ki so polne resnih zdravstvenih težav, vključno z rakom in neplodnostjo. Zaščita pred sevanjem lahko pomaga, vendar je izjemno težka in daljša kot je misija, močnejša bo potrebna zaščita. Zato je najboljši način za zmanjšanje doze sevanja preprosto hitrejše priti do cilja.

Toda varnost posadke ni edina prednost. Bolj oddaljene lete načrtujemo, prej potrebujemo podatke iz misij brez posadke. Voyager 2 je potreboval 12 let, da je dosegel Neptun - in ko je letel mimo, je posnel nekaj neverjetnih slik. Če bi imel Voyager močnejši motor, bi se te fotografije in podatki pri astronomih pojavili veliko prej.

Hitrost je torej prednost. Toda zakaj so jedrski sistemi hitrejši?

Današnji sistemi

Ko je premagala silo gravitacije, mora ladja upoštevati tri pomembne vidike.

Potisk- kakšen pospešek bo prejela ladja.

Učinkovitost teže- kolikšen potisk lahko proizvede sistem za dano količino goriva.

Specifična poraba energije- koliko energije odda določena količina goriva.

Danes so najpogostejši kemični motorji konvencionalne rakete na gorivo in električne rakete na sončno energijo.

Kemični pogonski sistemi zagotavljajo veliko potiska, vendar niso posebej učinkoviti, raketno gorivo pa ni zelo energetsko intenzivno. Raketa Saturn 5, ki je astronavte odpeljala na Luno, je ob vzletu oddala 35 milijonov njutonov sile in nosila 950.000 galon (4.318.787 litrov) goriva. Največ je šlo za speljevanje rakete v orbito, zato so omejitve očitne: kamor koli greš, potrebuješ veliko težkega goriva.

Električni pogonski sistemi ustvarjajo potisk z uporabo električne energije iz sončnih kolektorjev. Najpogostejši način za dosego tega je uporaba električnega polja za pospeševanje ionov, na primer v Hallovem indukcijskem potisniku. Te naprave se uporabljajo za napajanje satelitov, njihova težna učinkovitost pa je petkrat večja kot pri kemičnih sistemih. Toda hkrati dajejo veliko manj potiska - približno 3 newtone. To je dovolj le za pospešitev avtomobila od 0 do 100 kilometrov na uro v približno dveh urah in pol. Sonce je v bistvu vir energije brez dna, a bolj ko se ladja oddaljuje od njega, manj je uporabna.

Eden od razlogov, zakaj so jedrske rakete še posebej obetavne, je njihova neverjetna energetska intenzivnost. Uranovo gorivo, ki se uporablja v jedrskih reaktorjih, ima 4 milijone krat več energije kot hidrazin, tipično kemično raketno gorivo. In veliko lažje je spraviti nekaj urana v vesolje kot na stotine tisoč litrov goriva.

Kaj pa oprijem in učinkovitost teže?

Dve jedrski možnosti

Za vesoljska potovanja so inženirji razvili dve glavni vrsti jedrskih sistemov.

Prvi je termonuklearni motor. Ti sistemi so zelo zmogljivi in zelo učinkoviti. Za segrevanje plina (kot je vodik) uporabljajo majhen jedrski fisijski reaktor - kot tisti na jedrskih podmornicah. Ta plin se nato pospeši skozi raketno šobo, da zagotovi potisk. Nasini inženirji so izračunali, da bo potovanje na Mars s termonuklearnim motorjem 20-25 % hitrejše od rakete s kemičnim motorjem.

Fuzijski motorji so več kot dvakrat učinkovitejši od kemičnih. To pomeni, da zagotavljajo dvakrat večji potisk za enako količino goriva – do 100.000 Newtonov potiska. To je dovolj, da avto pospeši do hitrosti 100 kilometrov na uro v približno četrt sekunde.

Drugi sistem je jedrski električni raketni motor (NEPE). Nobena od teh še ni bila ustvarjena, ideja pa je uporaba močnega fisijskega reaktorja za proizvodnjo električne energije, ki bo nato poganjala električni pogonski sistem, kot je Hallov motor. To bi bilo zelo učinkovito – približno trikrat bolj učinkovito kot fuzijski motor. Ker je moč jedrskega reaktorja ogromna, lahko hkrati deluje več ločenih elektromotorjev in potisk se bo izkazal za trden.

Jedrski raketni motorji so morda najboljša izbira za misije na izjemno dolge razdalje: ne potrebujejo sončne energije, so zelo učinkoviti in zagotavljajo relativno visok potisk. A kljub vsej obetavni naravi ima jedrski pogonski sistem še vedno veliko tehničnih težav, ki jih bo treba rešiti pred začetkom obratovanja.

Zakaj še vedno ni raket na jedrski pogon?

Termonuklearne motorje preučujejo že od šestdesetih let prejšnjega stoletja, vendar še niso poleteli v vesolje.

V skladu z listino iz sedemdesetih let prejšnjega stoletja je bil vsak jedrski vesoljski projekt obravnavan ločeno in ni mogel iti dlje brez odobritve številnih vladnih agencij in samega predsednika. Skupaj s pomanjkanjem sredstev za raziskave jedrskih raketnih sistemov je to oviralo nadaljnji razvoj jedrskih reaktorjev za uporabo v vesolju.

Toda vse se je spremenilo avgusta 2019, ko je Trumpova administracija izdala predsedniški memorandum. Čeprav vztraja pri največji varnosti jedrskih izstrelitev, nova direktiva še vedno dovoljuje jedrske misije z majhnimi količinami radioaktivnega materiala brez zapletene odobritve med agencijami. Zadostuje potrditev sponzorske agencije, kot je NASA, da je misija v skladu z varnostnimi priporočili. Velike jedrske misije potekajo po enakih postopkih kot prej.

Skupaj s to revizijo pravil je NASA prejela 100 milijonov dolarjev iz proračuna za leto 2019 za razvoj termonuklearnih motorjev. Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte razvija tudi termonuklearni vesoljski motor za operacije nacionalne varnosti izven Zemljine orbite.

Po 60 letih stagnacije je možno, da bo jedrska raketa v vesolje odletela v desetletju. Ta neverjetni dosežek bo uvedel novo obdobje raziskovanja vesolja. Človek bo odšel na Mars, znanstveni poskusi pa bodo pripeljali do novih odkritij v celotnem sončnem sistemu in širše.