Slnečná sústava je skutočne veľké miesto a cestovanie zo sveta do sveta s tradičnými chemickými raketami trvá večne. Jedna technika vyvinutá v 60. rokoch 20. storočia by však mohla poskytnúť spôsob, ako dramaticky skrátiť naše cestovné časy: jadrové rakety.
Vypustenie rakety poháňanej rádioaktívnym materiálom samozrejme má aj svoje riziká. Mali by sme sa o to pokúsiť?
Povedzme, že ste chceli navštíviť Mars pomocou chemickej rakety. Vystreľte zo Zeme a choďte na nízku obežnú dráhu Zeme. Potom v správny okamih odpálite svoju raketu a pozdvihnete svoju obežnú dráhu od Slnka. Nová eliptická trajektória, ktorú sledujete, sa po ôsmich mesiacoch letu pretína s Marsom.
Toto je známe ako Hohmannov prevod a je to najúčinnejší spôsob, ako vieme cestovať vo vesmíre, s použitím najmenšieho množstva paliva a najväčšieho množstva užitočného zaťaženia. Problémom je, samozrejme, čas. Počas celej cesty budú astronauti konzumovať jedlo, vodu, vzduch a budú vystavení dlhodobému žiareniu hlbokého vesmíru. Potom návratová misia zdvojnásobí potrebu zdrojov a zdvojnásobí radiačnú záťaž.
Musíme ísť rýchlejšie.
Ukazuje sa, že NASA už takmer 50 rokov premýšľa o tom, čo bude nasledovať po chemických raketách.
Jadrové tepelné rakety. Určite zrýchľujú cestu, ale nie sú bez vlastných rizík, a preto ste ich nevideli. Ale možno je tu ich čas.
V roku 1961 NASA a Komisia pre atómovú energiu spolupracovali na myšlienke jadrového tepelného pohonu alebo NTP. To bol priekopník Werner von Braun, ktorý dúfal, že ľudské misie budú lietať na Mars v osemdesiatych rokoch na krídlach jadrových rakiet.
To sa nestalo. Vykonali však niekoľko úspešných skúšok jadrového tepelného pohonu a preukázali, že to funguje.
Kým chemická raketa pracuje tak, že zapáli nejakú horľavú chemikáliu a potom vytlačí výfukové plyny z trysky. Vďaka dobrému starému Newtonovmu tretiemu zákonu viete, že pre každú akciu existuje rovnaká a opačná reakcia, raketa dostane ťah z opačného smeru z vylúčených plynov.
Jadrová raketa funguje podobným spôsobom. Lopta uránového paliva veľkosti mramoru prechádza procesom štiepenia a uvoľňuje obrovské množstvo tepla. To zahreje vodík na takmer 2 500 ° C, ktorý je potom vytlačený zo zadnej časti rakety vysokou rýchlosťou. Veľmi vysoká rýchlosť, ktorá dáva rakete dvojnásobok až trojnásobok účinnosti pohonu chemickej rakety.
Pamätáte si na 8 mesiacov, ktoré som spomínal pre chemickú raketu? Jadrová termálna raketa by mohla skrátiť čas prepravy na polovicu, možno dokonca na 100 denných výletov na Mars. Čo znamená, že astronauti spotrebujú menej zdrojov a nižšie radiačné zaťaženie.
A je tu ďalšia veľká výhoda. Ťah jadrovej rakety by mohol umožniť misiám ísť, keď nie sú Zem a Mars dokonale zarovnané. Práve teraz, ak vám chýba okno, musíte počkať ďalšie 2 roky, ale jadrová raketa by vám mohla dať ťah na riešenie meškaní letu.
Prvé skúšky jadrových rakiet sa začali v roku 1955 projektom Rover vo vedeckom laboratóriu v Los Alamos. Kľúčovým vývojom bolo miniaturizácia reaktorov natoľko, aby ich bolo možné umiestniť na raketu. Počas niekoľkých nasledujúcich rokov inžinieri postavili a testovali viac ako tucet reaktorov rôznych veľkostí a výkonov.
S úspechom projektu Rover sa NASA zamerala na ľudské misie na Mars, ktoré by nasledovali pristátie Apolla na Mesiaci. Vzhľadom na vzdialenosť a čas letu sa rozhodli, že jadrové rakety budú kľúčom k tomu, aby sa misie stali schopnejšími.
Jadrové rakety samozrejme nie sú bez svojich rizík. Reaktor na palube by bol malým zdrojom žiarenia pre posádku astronautov na palube, čo by vyvážilo skrátenie času letu. Hlboký priestor sám osebe predstavuje obrovské nebezpečenstvo žiarenia, pričom konštantná galaktická kozmická radiácia poškodzuje DNA astronautov.
Koncom 60. rokov NASA založila program jadrového motora pre aplikáciu raketových vozidiel (NERVA), ktorý vyvíjal technológie, ktoré by sa stali jadrovými raketami, ktoré by ľudí priviedli na Mars.
Testovali väčšie a silnejšie jadrové rakety v nevadskej púšti a odvetrávali vysokovýkonný plynný vodík priamo do atmosféry. Zákony o životnom prostredí boli vtedy oveľa menej prísne.
Prvý NERVA NRX bol nakoniec testovaný takmer dve hodiny s 28 minútami na plný výkon. A druhý motor bol naštartovaný 28 krát a bežal 115 minút.
Nakoniec otestovali najvýkonnejší jadrový reaktor, aký bol kedy postavený, reaktor Phoebus-2A, ktorý je schopný generovať 4 000 megawattov energie. Vytláčanie počas 12 minút.
Aj keď rôzne komponenty neboli nikdy zostavené do rakety pripravenej na let, inžinieri boli spokojní, že jadrová raketa uspokojí potreby letu na Mars.
Potom sa však USA rozhodli, že už nechce ísť na Mars. Namiesto toho chceli raketoplán.
Program bol zastavený v roku 1973 a odvtedy nikto testoval jadrové rakety.
Ale nedávny pokrok v technológii urobil jadrový tepelný pohon atraktívnejším. Už v 60. rokoch bol jediný zdroj paliva, ktorý mohli použiť, vysoko obohatený urán. Teraz si však inžinieri myslia, že sa dokážu dostať pomocou nízko obohateného uránu.
S tým by bolo bezpečnejšie pracovať a umožnilo by sa tým viac testov raketovým zariadeniam. Bolo by tiež ľahšie zachytiť rádioaktívne častice vo výfukových plynoch a správne ich zneškodniť. To by znížilo celkové náklady na prácu s technológiou.
22. mája 2019 americký kongres schválil financovanie vývoja rakiet na jadrový termálny pohon 125 miliónov dolárov. Aj keď tento program nehrá žiadnu úlohu pri návrate Artemis 2024 NASA na Mesiac, cituje - „vyzýva NASA, aby vypracovala viacročný plán, ktorý umožní demonštráciu nukleárneho tepelného pohonu vrátane časovej osi spojenej s vesmírnou demonštráciou. a opis budúcich misií, pohonných a energetických systémov umožňovaných touto schopnosťou. “
Jadrové štiepenie je jedným zo spôsobov, ako využiť silu atómu. Vyžaduje si, samozrejme, obohatený urán a vytvára toxický rádioaktívny odpad. A čo fúzia? Tam, kde sa atómy vodíka vtlačia do hélia, uvoľňujú energiu?
Slnko vypracovalo fúziu vďaka svojej obrovskej hmote a teplote jadra, ale trvalo udržateľná, energeticky pozitívna fúzia bola u nás nepolapiteľnými ľuďmi.
Obrovské experimenty, ako je ITER v Európe, dúfajú, že v najbližšej dekáde podporia energiu jadrovej syntézy. Potom si viete predstaviť, že fúzne reaktory sa miniaturizujú do tej miery, že môžu plniť rovnakú úlohu ako štiepny reaktor v jadrovej rakete. Ale aj keď nemôžete získať fúzne reaktory do tej miery, že sú čisté energetické pozitívne, stále dokážu zabezpečiť obrovské zrýchlenie pre množstvo hmoty.
A možno nemusíme čakať desaťročia. Výskumná skupina v Princeton Plasma Physics Laboratory pracuje na koncepte s názvom Direct Fusion Drive, ktorý by mohol byť pripravený skôr.
Je založený na fúznom reaktore Princeton Field-Reversed Configuration, ktorý v roku 2002 vyvinul Samuel Cohen. Horúca plazma hélia-3 a deutéria je obsiahnutá v magnetickom obale. Hélium-3 je na Zemi vzácne a je cenné, pretože fúzne reakcie s ním nevytvoria rovnaké množstvo nebezpečného žiarenia alebo jadrového odpadu ako iné fúzne alebo štiepne reaktory.
Rovnako ako u štiepnej rakety, aj fúzna raketa zahreje pohonnú látku na vysoké teploty a potom ju vystrelí z chrbta, čím vytvorí ťah.
Funguje tak, že zoradí veľa lineárnych magnetov, ktoré obsahujú a odstredujú veľmi horúcu plazmu. Antény okolo plazmy sú naladené na špecifickú frekvenciu iónov a vytvárajú v plazme prúd. Ich energia sa načerpá až do bodu, keď sa atómy spoja a uvoľnia nové častice. Tieto častice putujú cez zadržiavacie pole, až kým nie sú zachytené čiarami magnetického poľa a akcelerujú zo zadnej časti rakety.
Teoreticky by fúzna raketa bola schopná poskytnúť 2,5 až 5 Newtonov ťahu na megawatt so špecifickým impulzom 10 000 sekúnd - pamätajte 850 z štiepnych rakiet a 450 z chemických rakiet. Vyrábala by sa tiež elektrická energia potrebná pre vesmírnu loď ďaleko od Slnka, kde solárne panely nie sú veľmi efektívne.
Direct Fusion Drive by bol schopný niesť 10 tonovú misiu do Saturn za 2 roky, alebo 1-tonovú kozmickú loď zo Zeme na Pluto asi za 4 roky. Nové horizonty potrebovali takmer 10.
Pretože ide o 1 megawattový fúzny reaktor, po príchode by tiež poskytoval energiu pre všetky nástroje kozmickej lode. Oveľa viac ako jadrové batérie, ktoré v súčasnosti nesú vesmírne misie ako Voyager a New Horizons.
Predstavte si, aké medzihviezdne misie môžu byť na stole s touto technológiou.
Satelitné systémy spoločnosti Princeton nie sú jedinou skupinou, ktorá pracuje na podobných systémoch. Applied Fusion Systems požiadali o patent na motor jadrovej fúzie, ktorý by mohol poskytnúť úder kozmickej lodi.
Viem, že uplynulo niekoľko desaťročí, keď NASA vážne otestovala jadrové rakety ako spôsob skrátenia doby letu, ale vyzerá to, že táto technológia je späť. V najbližších niekoľkých rokoch očakávam nový hardvér a nové testy pohonných systémov jadrovej energie. A som neuveriteľne nadšený z možnosti, že nás skutočné fúzne jednotky zavedú do iných svetov. Ako vždy, zostaňte naladení, dám vám vedieť, kedy niekto skutočne letí.
