Päikesesüsteem on tõesti suur koht ja traditsiooniliste keemiarakettidega maailmast maailmale reisimine võtab igavesti. Kuid üks 1960ndatel välja töötatud tehnika võib pakkuda võimalust meie reisiaega järsult lühendada: tuumaraketid.
Muidugi on radioaktiivsetest materjalidest raketi laskmisel ka omad riskid. Kas me peaksime seda proovima?
Ütleme nii, et soovisite Marsi külastada keemilise raketi abil. Te plahvataksite Maalt ja läheksite madalale Maa orbiidile. Siis tulistasid õigel hetkel oma raketi, tõstes oma orbiidi Päikesest. Uus elliptiline trajektoor, mis te järgite, ristub Marsiga pärast kaheksa kuud kestnud lendu.
Seda nimetatakse Hohmanni ülekandeks ja see on kõige tõhusam viis, kuidas me teame, kuidas kosmoses reisida, kasutades kõige vähem raketikütust ja kõige suuremat kasulikku koormust. Muidugi on probleem selleks kuluv aeg. Kogu reisi vältel tarbivad astronaudid toitu, vett, õhku ja puutuvad kokku sügava kosmose pikaajalise kiirgusega. Siis kahekordistab tagasisõit ressursside vajaduse ja kahekordistab kiirguskoormust.
Peame minema kiiremini.
Selgub, et NASA on juba pea 50 aastat mõelnud sellele, mis saab pärast keemilisi rakette järgmisena.
Tuumaenergia raketid. Nad kiirendavad kindlasti teekonda, kuid pole ilma oma riskideta, mistõttu pole te neid näinud. Aga võib-olla on nende aeg siin.
1961. aastal töötasid NASA ja aatomienergia komisjon koos tuuma termilise tõukejõu ehk NTP idee kallal. Selle teerajajaks oli Werner von Braun, kes lootis, et inimmissioonid lendavad 1980. aastatel Marsile tuumarakettide tiibadel.
Noh, seda ei juhtunud. Kuid nad tegid mõned tuumaterminali edukad katsed ja näitasid, et see töötab.
Kuigi keemiline rakett töötab, süüdatakse mingisugune tuleohtlik kemikaal ja sunnib heitgaasid düüsi välja viima. Tänu vana hea Newtoni kolmandale seadusele teate, et iga toimingu korral on võrdne ja vastupidine reaktsioon, saab rakett väljaheidetud gaasidest vastassuunas tõukejõu.
Tuumarakett töötab sarnaselt. Marmorisuuruses pallis uraanikütus toimub lõhustumise käigus, eraldades tohutult soojust. See soojendab vesinikku peaaegu 2500 ° C-ni, mis seejärel lastakse suure kiirusega raketi tagant välja. Väga väga suur kiirus, mis annab raketile keemilise raketi tõukejõu efektiivsuse kaks kuni kolm korda.
Kas mäletate 8 kuud, mida mainisin keemilise raketi jaoks? Tuumaterminiline rakett võib vähendada transiidi aja pooleks, võib-olla isegi 100-päevasteks marssideks Marsile. Mis tähendab, et astronaudid tarbivad vähem ressursse ja väiksemat kiirguskoormust.
Ja seal on veel üks suur eelis. Tuumaraketi tõukejõud võib võimaldada missioonidel käia, kui Maa ja Mars pole ideaalselt joondatud. Praegu, kui teil jääb aknast puudu, peate veel 2 aastat ootama, kuid tuumarakett võib anda teile tõuke lennu hilinemistega toimetulemiseks.
Esimesed tuumarakettide katsed algasid 1955. aastal projekti Roveriga Los Alamose teaduslaboris. Peamine areng oli reaktorite miniaturiseerimine piisavalt, et neid saaks raketi külge panna. Järgneva paari aasta jooksul ehitasid ja testisid insenerid enam kui tosinat erineva suuruse ja väljundvõimsusega reaktorit.
Project Roveri õnnestumisega seadis NASA oma eesmärgid inimmissioonidele Marsile, mis järgiksid Apollo maandumisi Kuul. Kauguse ja lennuaja tõttu otsustasid nad, et tuumaraketid oleksid missioonide võimekama muutmise võti.
Tuumaraketid pole muidugi ilma nende riskideta. Pardal olev reaktor oleks pardal oleva astronaudi meeskonna jaoks väike kiirgusallikas, selle kaaluks üles lühendatud lennuaeg. Sügav kosmos ise on tohutu kiirgusoht, pidev galaktiline kosmiline kiirgus kahjustab astronaudi DNA-d.
NASA lõi 1960ndate lõpus raketisõidukite rakenduste programmi tuumamootori ehk NERVA, arendades tehnoloogiaid, mis muutuksid tuumarakettideks, mis viiksid inimesed Marsile.
Nad katsetasid Nevada kõrbes suuremaid võimsamaid tuumarakette, viies suure kiirusega vesinikgaasi otse atmosfääri. Keskkonnaseadused olid toona palju vähem ranged.
Esimest NERVA NRX testiti lõpuks peaaegu kahe tunni jooksul 28 minutiga täisvõimsusel. Ja teine mootor käivitati 28 korda ja see töötas 115 minutit.
Lõpuks katsetasid nad kõigi aegade kõige võimsamat tuumareaktorit, Phoebus-2A reaktorit, mis on võimeline genereerima 4000 megavatti võimsust. Tõmbab 12 minutit.
Ehkki erinevaid komponente ei olnud tegelikult kunagi lennuvalmis raketiks kokku pandud, olid insenerid veendunud, et tuumarakett vastab Marsile suunduva lennu vajadustele.
Kuid siis otsustas USA, et ei soovi enam Marsile minna. Nad tahtsid selle asemel kosmosesüstikut.
Programm suleti 1973. aastal ja pärast seda ei katsetanud keegi tuumarakette.
Kuid hiljutised tehnoloogilised edusammud on muutnud tuumasoojusjõu muutmise atraktiivsemaks. 1960. aastatel oli ainus kütuseallikas, mida nad kasutada võisid, rikastatud uraan. Kuid nüüd arvavad insenerid, et saavad hakkama vähe rikastatud uraaniga.
Sellega oleks turvalisem töötada ja see võimaldaks testida rohkem raketirajatisi. Samuti oleks lihtsam heitgaasis olevaid radioaktiivseid osakesi tabada ja neid õigesti käidelda. See vähendaks tehnoloogiaga töötamise üldkulusid.
22. mail 2019 kiitis USA kongress heaks 125 miljoni dollari suuruse rahastuse tuumaenergiaga rakettide väljatöötamiseks. Ehkki sellel programmil ei ole mingit rolli NASA Artemis 2024 Kuule naasmisel, kutsub see - tsitaat - üles NASA-t üles töötama välja mitmeaastase kava, mis võimaldab tuumaenergia termilise tõukejõu demonstratsiooni koos kosmosealase demonstratsiooniga seotud ajajoonega ja selle võimalusega võimalike tulevaste missioonide ning tõukejõu ja energiasüsteemide kirjeldus. ”
Tuuma lõhustumine on üks viis aatomi jõu rakendamiseks. Muidugi nõuab see rikastatud uraani ja tekitab toksilisi radioaktiivseid jäätmeid. Aga termotuumasüntees? Kust vesiniku aatomid pigistatakse heeliumiks, vabastades energiat?
Päike on termotuumasünteesi läbi teinud tänu oma tohutule massi- ja sisemistemperatuuridele, kuid jätkusuutlik, energia-positiivne termotuumasüntees on meile inimestele raskesti mõistetav.
Suured katsed, nagu ITER, loodavad Euroopas termotuumasünteesi säilitada umbes järgmise kümnendi jooksul. Pärast seda võite ette kujutada termotuumasünteesi reaktorite minimeerumist nii kaugele, et need võivad täita sama rolli kui tuumaraketis esinev lõhustumisreaktor. Kuid isegi kui te ei saa termotuumasünteesi reaktoreid nii kaugele, et nende netoenergia on positiivne, võivad need siiski massi jaoks tohutut kiirendust pakkuda.
Ja võib-olla ei pea me aastakümneid ootama. Princetoni plasmafüüsika laboris töötav uurimisrühm töötab välja kontseptsiooni nimega Direct Fusion Drive, mis võiks nende arvates olla valmis palju varem.
See põhineb Princetoni väljapööratud konfiguratsiooniga termotuumareaktoril, mille töötas välja 2002. aastal Samuel Cohen. Kuum heelium-3 ja deuteeriumi plasma on magnetsoonis. Heelium-3 on Maal haruldane ja väärtuslik, kuna termotuumasünteesi reaktsioonid ei tekita sama palju ohtlikke kiirgus- ega tuumajäätmeid kui muud termotuumasünteesi või lõhustumisreaktorid.
Nagu lõhustumisrakett, kuumutab termotuumarakett raketikütuse kõrge temperatuurini ja puhub seejärel selja välja, tekitades tõukejõu.
See toimib vooderdades hunniku lineaarseid magneteid, mis sisaldavad ja pöörlevad väga kuuma plasmaga. Plasma ümber olevad antennid häälestatakse ioonide konkreetsele sagedusele ja tekitavad plasmas voolu. Nende energia pumbatakse kuni punktini, et aatomid sulanduvad, vabastades uued osakesed. Need osakesed tiirlevad läbi tõkestamisvälja, kuni nad on magnetvälja joontega hõivatud ja kiirendavad raketi tagaosa.
Teoreetiliselt suudaks termotuumasünteesi rakett anda 2,5–5 njuutoni tõukejõudu megavati kohta spetsiifilise impulsiga 10 000 sekundit - pidage meeles 850 lõhkemisrakettidest ja 450 keemilistest rakettidest. See tooks ka Päikesest kaugel asuvale kosmoselaevale vajalikku elektrit, kus päikesepaneelid pole eriti tõhusad.
Otsene termotuumaseade suudaks 10-tonnise missiooni Saturnisse viia vaid 2 aastaga või 1-tonnise kosmoselaeva Maalt Pluutoga umbes 4 aasta pärast. New Horizons vajas peaaegu 10.
Kuna see on ka 1-megavatine termotuumareaktor, annaks see energiat ka kõigi kosmoselaeva instrumentide saabumisel. Palju rohkem kui tuumapatareid, mida praegu veavad sellised kosmosemissioonid nagu Voyager ja New Horizons.
Kujutage ette, missugused tähtedevahelised missioonid võivad selle tehnoloogiaga laual olla.
Ja Princeton Satellite Systems pole ainus rühm, kes töötab selliste süsteemidega. Rakenduslikud termotuumasünteesi süsteemid on taotlenud patenti termotuumasünteesi mootorile, mis võiks anda kosmoselaevadele tõukejõu.
Ma tean, et on möödunud aastakümneid, mil NASA katsetas tõsiselt tuumarakette kui viisi lennuaegade lühendamiseks, kuid tundub, et tehnoloogia on tagasi. Järgmise paari aasta jooksul loodan näha uut riistvara ja uusi tuumaenergiasüsteemide katseid. Ja ma olen uskumatult elevil võimalusest, et termotuumasünteesi tõukejõud viivad meid teistesse maailmadesse. Nagu alati, olge kursis, annan teile teada, millal keegi tegelikult lendab.
