Nowa era eksploracji kosmosu za silnikami rakietowymi na fuzję

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

NASA i Elon Musk marzą o Marsie, a załogowe misje kosmiczne wkrótce staną się rzeczywistością. Prawdopodobnie będziesz zaskoczony, ale nowoczesne rakiety latają trochę szybciej niż rakiety z przeszłości.

Szybkie statki kosmiczne są wygodniejsze z wielu powodów, a najlepszym sposobem na przyspieszenie są rakiety napędzane energią jądrową. Mają wiele zalet w porównaniu z rakietami napędzanymi konwencjonalnymi paliwami lub nowoczesnymi rakietami elektrycznymi na energię słoneczną, ale w ciągu ostatnich 40 lat Stany Zjednoczone wystrzeliły tylko osiem rakiet napędzanych energią jądrową.

Jednak w ubiegłym roku zmieniły się przepisy dotyczące podróży w kosmos nuklearny, a prace nad następną generacją rakiet już się rozpoczęły.

Dlaczego potrzebna jest prędkość?

Na pierwszym etapie każdego lotu w kosmos potrzebny jest pojazd nośny - zabiera statek na orbitę. Te duże silniki napędzane są paliwami palnymi - i zwykle, jeśli chodzi o wystrzeliwanie rakiet, są one przeznaczone. W najbliższym czasie nigdzie się nie wybierają - podobnie jak siła grawitacji.

Ale kiedy statek wchodzi w kosmos, robi się ciekawiej. Aby pokonać grawitację Ziemi i udać się w głęboką przestrzeń, statek potrzebuje dodatkowego przyspieszenia. W tym miejscu do gry wchodzą systemy jądrowe. Jeśli astronauci chcą zbadać coś poza Księżycem, a nawet Marsem, będą musieli się pospieszyć. Kosmos jest ogromny, a odległości spore.

Istnieją dwa powody, dla których szybkie rakiety lepiej nadają się do dalekich podróży kosmicznych: bezpieczeństwo i czas.

W drodze na Marsa astronauci stają w obliczu bardzo wysokiego poziomu promieniowania, obarczonego poważnymi problemami zdrowotnymi, w tym rakiem i bezpłodnością. Osłona przed promieniowaniem może pomóc, ale jest niezwykle ciężka i im dłuższa misja, tym mocniejsza osłona będzie potrzebna. Dlatego najlepszym sposobem na zmniejszenie dawki promieniowania jest po prostu szybsze dotarcie do celu.

Ale bezpieczeństwo załogi nie jest jedyną korzyścią. Im bardziej odległe loty planujemy, tym szybciej będziemy potrzebować danych z misji bezzałogowych. Dotarcie do Neptuna zajęło Voyagerowi 2 12 lat - a gdy przelatywał, zrobił kilka niesamowitych zdjęć. Gdyby Voyager miał mocniejszy silnik, te zdjęcia i dane pojawiłyby się u astronomów znacznie wcześniej.

Więc szybkość jest zaletą. Ale dlaczego systemy jądrowe są szybsze?

Dzisiejsze systemy

Po pokonaniu siły grawitacji statek musi wziąć pod uwagę trzy ważne aspekty.

Pchnięcie- jakie przyspieszenie otrzyma statek.

Wydajność wagowa- ile ciągu system może wytworzyć dla danej ilości paliwa.

Specyficzne zużycie energii- ile energii oddaje dana ilość paliwa.

Obecnie najpowszechniejszymi silnikami chemicznymi są rakiety na paliwo konwencjonalne i rakiety elektryczne na energię słoneczną.

Chemiczne systemy napędowe zapewniają duży ciąg, ale nie są szczególnie wydajne, a paliwo rakietowe nie jest bardzo energochłonne. Rakieta Saturn 5, która zabrała astronautów na Księżyc, dostarczyła podczas startu 35 milionów niutonów i przeniosła 950 000 galonów (4 318 787 litrów) paliwa. Większość z nich poszła na wprowadzenie rakiety na orbitę, więc ograniczenia są oczywiste: gdziekolwiek się nie polecisz, potrzebujesz dużo ciężkiego paliwa.

Elektryczne systemy napędowe generują ciąg przy użyciu energii elektrycznej z paneli słonecznych. Najczęstszym sposobem na osiągnięcie tego jest użycie pola elektrycznego do przyspieszania jonów, na przykład, jak w indukcyjnym silniku Halla. Urządzenia te służą do zasilania satelitów, a ich wydajność wagowa jest pięciokrotnie większa niż w przypadku systemów chemicznych. Ale jednocześnie dają znacznie mniej ciągu - około 3 niutonów. To wystarczy, aby samochód rozpędzić się od 0 do 100 kilometrów na godzinę w około dwie i pół godziny. Słońce jest zasadniczo bezdennym źródłem energii, ale im dalej statek się od niego oddala, tym mniej jest użyteczny.

Jednym z powodów, dla których pociski nuklearne są szczególnie obiecujące, jest ich niesamowita energochłonność. Paliwo uranowe stosowane w reaktorach jądrowych ma 4 miliony razy więcej energii niż hydrazyna, typowe chemiczne paliwo rakietowe. I dużo łatwiej jest wynieść w kosmos trochę uranu niż setki tysięcy galonów paliwa.

A co z przyczepnością i wydajnością wagową?

Dwie opcje nuklearne

Do podróży kosmicznych inżynierowie opracowali dwa główne typy systemów jądrowych.

Pierwszy to silnik termojądrowy. Systemy te są bardzo wydajne i bardzo wydajne. Używają małego reaktora rozszczepienia jądrowego - takiego jak te na atomowych okrętach podwodnych - do podgrzania gazu (takiego jak wodór). Gaz ten jest następnie przyspieszany przez dyszę rakiety, aby zapewnić ciąg. Inżynierowie NASA obliczyli, że podróż na Marsa przy użyciu silnika termojądrowego będzie o 20-25% szybsza niż rakieta z silnikiem chemicznym.

Silniki Fusion są ponad dwa razy wydajniejsze od silników chemicznych. Oznacza to, że przy tej samej ilości paliwa dostarczają dwa razy większy ciąg - do 100 000 niutonów ciągu. To wystarczy, aby rozpędzić samochód do prędkości 100 kilometrów na godzinę w około kwadrans.

Drugim systemem jest jądrowy silnik rakietowy (NEPE). Żadna z nich nie została jeszcze stworzona, ale pomysł polega na wykorzystaniu potężnego reaktora rozszczepienia do generowania elektryczności, która następnie będzie zasilać elektryczny system napędowy, taki jak silnik Halla. Byłoby to bardzo efektywne – około trzy razy wydajniejsze niż silnik fuzyjny. Ponieważ moc reaktora jądrowego jest ogromna, kilka oddzielnych silników elektrycznych może pracować w tym samym czasie, a ciąg okaże się solidny.

Silniki rakietowe są prawdopodobnie najlepszym wyborem do misji na ekstremalnie dalekie odległości: nie wymagają energii słonecznej, są bardzo wydajne i zapewniają stosunkowo wysoki ciąg. Jednak pomimo całej swojej obiecującej natury, jądrowy system napędowy wciąż ma wiele problemów technicznych, które będą musiały zostać rozwiązane przed uruchomieniem.

Dlaczego wciąż nie ma rakiet o napędzie atomowym?

Silniki termojądrowe były badane od lat 60., ale jeszcze nie latały w kosmos.

Zgodnie z statutem z lat 70. każdy projekt kosmiczny nuklearny był rozpatrywany osobno i nie mógł iść dalej bez zgody szeregu agencji rządowych i samego prezydenta. W połączeniu z brakiem funduszy na badania nad systemami rakiet jądrowych utrudniło to dalszy rozwój reaktorów jądrowych do użytku w kosmosie.

Wszystko zmieniło się jednak w sierpniu 2019 r., kiedy administracja Trumpa wydała memorandum prezydenckie. Nalegając na maksymalne bezpieczeństwo wystrzeliwania broni jądrowej, nowa dyrektywa nadal zezwala na misje jądrowe z niewielkimi ilościami materiałów promieniotwórczych bez skomplikowanej zgody międzyagencyjnej. Wystarczy potwierdzenie przez agencję sponsorującą, taką jak NASA, że misja jest zgodna z zaleceniami dotyczącymi bezpieczeństwa. Duże misje nuklearne przechodzą te same procedury, co wcześniej.

Wraz z tą zmianą zasad NASA otrzymała 100 milionów dolarów z budżetu na 2019 rok na rozwój silników termojądrowych. Agencja Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych opracowuje również termojądrowy silnik kosmiczny do operacji bezpieczeństwa narodowego poza orbitą Ziemi.

Po 60 latach stagnacji rakieta jądrowa może polecieć w kosmos w ciągu dekady. To niesamowite osiągnięcie zapoczątkuje nową erę eksploracji kosmosu. Człowiek poleci na Marsa, a eksperymenty naukowe doprowadzą do nowych odkryć w całym Układzie Słonecznym i poza nim.