Egy amerikai professzor elmagyarázza, hogy a nukleáris rakétamotorok miért hatékonyabbak, mint a kémiai. Ezért ők azok, akik segítenek felfedezni a Marsot és mindent, ami azon túl van. De nem gondolkodik azon a kérdésen, vajon lesz-e elegendő pénz a NASA-nak ilyen motorok fejlesztésére, ha a Pentagon is részt vesz ezekben, és először kapják meg.
A NASA és Elon Musk a Marsról álmodozik, és a személyzettel ellátott mélyre ható missziók hamarosan valósággá válnak. Valószínűleg meg fog lepődni, de a modern rakéták valamivel gyorsabban repülnek, mint a múlt rakétái.
A gyors űrhajók sokféle okból kényelmesebbek, és a gyorsítás legjobb módja a nukleáris meghajtású rakéták. Sok előnyeik vannak a hagyományos tüzelőanyaggal működő rakéták vagy a modern napelemes elektromos rakétákkal szemben, ám az elmúlt 40 évben az Egyesült Államok mindössze nyolc nukleáris hajtású rakétát dobott el.
Az elmúlt évben azonban megváltoztak a nukleáris űrutazásra vonatkozó törvények, és már megkezdődött a rakéták következő generációja.
Miért van szükség sebességre?
Az űrbe történő repülés első szakaszában indító járműre van szükség - ez a hajót pályára veszi. Ezek a nagy motorok éghető tüzelőanyaggal működnek - és általában, amikor rakétákat indítanak, ezeket értik. A közeljövőben nem fognak sehova menni, sem a gravitációs erő.
De amikor a hajó belép az űrbe, a dolgok érdekesebbé válnak. A Föld gravitációjának legyőzéséhez és a mély űrbe jutáshoz a hajóra további gyorsulásra van szükség. A nukleáris rendszerek itt kerülnek játékba. Ha az űrhajósok valamit fel akarnak fedezni a Holdon, vagy annál is inkább a Marson, sietniük kell. A kozmosz hatalmas, és a távolságok meglehetősen nagyok.
Promóciós videó:
Két oka van annak, hogy a gyorsrakéták jobban alkalmasak a távolsági űrutazásra: biztonság és idő.
A Mars felé vezető úton az űrhajósok nagyon magas sugárzási szinttel szembesülnek, súlyos egészségügyi problémákkal küzdenek, ideértve a rákot és a terméketlenséget. A sugárvédelem segíthet, de ez rendkívül nehéz, és minél hosszabb a küldetés, annál erősebb árnyékolásra lesz szükség. Ezért a sugárzási dózis csökkentésének legjobb módja az, ha egyszerűen gyorsabban jut el az úticéljába.
De a személyzet biztonsága nem az egyetlen előnye. Minél távolabbi járatokat tervezünk, annál hamarabb szükségesek adatok a pilóta nélküli küldetésekről. A Voyager 2 12 évbe telt, hogy elérjük a Neptunust - és miközben elrepült, elképesztő képeket készített. Ha a Voyager erősebb motorral rendelkezne, akkor ezek a fényképek és adatok sokkal korábban megjelentek volna a csillagászokban.
Tehát a sebesség előnye. De miért gyorsabbak a nukleáris rendszerek?
A mai rendszerek
Miután legyőzte a gravitációs erőt, a hajónak három fontos szempontot kell figyelembe vennie.
Manapság a legelterjedtebbek a vegyi motorok, azaz a hagyományos üzemanyaggal működő rakéták és a napenergiával működő villamos rakéták.
A kémiai meghajtórendszerek nagy nyomást gyakorolnak, de nem különösebben hatékonyak, és a rakétaüzem nem túl energiaigényes. Az űrhajósokat a Holdra szállító Saturn 5 rakéta 35 millió newton erőt adott felszálláskor, és 950 000 galont (4 318 787 liter) üzemanyagot szállított. Ennek nagy része a rakéta pályára állításába került, tehát a korlátozások egyértelműek: bárhová is megy, sok nehéz üzemanyagra van szüksége.
Az elektromos meghajtó rendszerek napelemekből származó villamos energiát generálnak tolóerőt. Ennek leggyakoribb módja egy elektromos mező használata az ionok gyorsítására, például Hall indukciós tolómérőben. Ezeket az eszközöket műholdak táplálására használják, tömeghatékonyságuk ötszöröse a kémiai rendszerek teljesítményének. De ugyanakkor sokkal kevesebb tolóerőt bocsátanak ki - körülbelül 3 newton. Ez elegendő ahhoz, hogy az autót óránként 0 és 100 kilométer közötti sebességre gyorsítsák körülbelül két és fél óra alatt. A nap lényegében fenéktelen energiaforrás, de minél távolabb van a hajó, annál kevésbé hasznos.
Az egyik oka annak, hogy a nukleáris rakéták különösen ígéretesek, hihetetlen energiaintenzitásuk. A nukleáris reaktorokban használt urán tüzelőanyag energiaintenzitása 4 millió-szorosa a hidrazinénak, amely egy tipikus kémiai rakétaüzemanyag. És sokkal könnyebb uránt szállítani az űrbe, mint több százezer gallon üzemanyag.
Mi a helyzet a vontatóval és a súlyhatékonysággal?
Két nukleáris lehetőség
Az űrutazáshoz a mérnökök két fő típusú nukleáris rendszert fejlesztettek ki.
Az első egy hőmag-motor. Ezek a rendszerek nagyon erősek és rendkívül hatékonyak. Gázok (például hidrogén) melegítésére - például a nukleáris tengeralattjárókhoz hasonlóan - kicsi atommaghasadási reaktorokat használnak. Ezt a gázt ezután felgyorsítják a rakéta fúvókán keresztül, hogy tolóerőt biztosítsanak. A NASA mérnökei kiszámították, hogy a termo-nukleáris motorral való Mars-utazás 20-25% -kal gyorsabb lesz, mint egy vegyi motorral ellátott rakéta esetén.
A fúziós motorok kétszer olyan hatékonyak, mint a kémiai motorok. Ez azt jelenti, hogy kétszer annyi tolóerőt szolgáltatnak ugyanannyi üzemanyagmennyiségig - akár 100 000 newton tolóerőig. Ez elég ahhoz, hogy az autó 100 km / h sebességre gyorsuljon körülbelül egy másodperc másodpercen belül.
A második rendszer egy nukleáris elektromos rakétamotor (NEP). Még egyiket sem hozták létre, de az ötlet az, hogy egy erőteljes hasadási reaktort használjon villamosenergia előállítására, amely azután olyan villamos meghajtórendszert hajt, mint egy Hall motor. Ez nagyon hatékony - körülbelül háromszor hatékonyabb, mint a fúziós motor. Mivel egy atomreaktor hatalmas teljesítménye több különálló villamos motor működhet egyszerre, és a tolóerő szilárd lesz.
Nukleáris rakétamotorok talán a legjobb választás a rendkívül nagy hatótávolságú küldetésekhez: nem igényelnek napenergiát, nagyon hatékonyak és viszonylag nagy tolóerőt biztosítanak. Az atomenergia-meghajtó rendszernek azonban minden ígéretes természete szempontjából sok technikai probléma merül fel, amelyeket még üzembe helyezés előtt meg kell oldani.
Miért még mindig nincsenek nukleáris hajtóművek?
A fúziós motorokat az 1960-as évek óta tanulmányozták, ám ezek még nem repültek az űrbe.
Az 1970-es évek alapokmánya szerint minden nukleáris űrprojekt külön-külön megvizsgálásra került, és több kormányzati ügynökség és maga az elnök jóváhagyása nélkül nem haladhatott tovább. A nukleáris rakétarendszerek kutatásának finanszírozásának hiányával párhuzamosan ez megakadályozta az űrben felhasználható nukleáris reaktorok továbbfejlesztését.
De mindez 2019 augusztusában megváltozott, amikor a Trump Trump kormánya elnöki memorandumot adott ki. Miközben ragaszkodik a nukleáris indítás maximális biztonságához, az új irányelv továbbra is lehetővé teszi alacsony radioaktív anyagmennyiségű nukleáris missziókat bonyolult ügynökségek közötti jóváhagyás nélkül. Elegendő egy támogató ügynökség, például a NASA megerősítése, hogy a misszió megfelel a biztonsági ajánlásoknak. A nagy nukleáris küldetések ugyanazon eljárásokon mennek keresztül, mint korábban.
A szabályok ezen felülvizsgálásával együtt a NASA 100 millió dollárt kapott a 2019-es költségvetésből a termikus nukleáris motorok fejlesztésére. A Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége a Föld körüli pályán túli nemzetbiztonsági mûveletek számára termonukleáris ûrmotorokat is fejleszt.
60 éves stagnálás után lehetséges, hogy egy nukleáris rakéta egy évtized alatt eljut az űrbe. Ez a hihetetlen eredmény bevezetheti az űrkutatás új korszakát. Az ember a Marsba megy, és a tudományos kísérletek új felfedezésekhez vezetnek a Naprendszerben és azon túl.
Iain Boyd a repülési és űrmérnöki tanár a Boulder-i Colorado Egyetemen
