Το Ηλιακό Σύστημα είναι ένα πολύ μεγάλο μέρος και χρειάζεται για πάντα να ταξιδέψουμε από κόσμο σε κόσμο με παραδοσιακούς χημικούς πυραύλους. Αλλά μια τεχνική, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 μπορεί να προσφέρει έναν τρόπο για να μειώσουμε δραματικά τους χρόνους ταξιδιού μας: πυρηνικοί πύραυλοι.
Φυσικά, η εκτόξευση πυραύλου με ραδιενεργό υλικό έχει και τους δικούς της κινδύνους. Πρέπει να το δοκιμάσουμε;
Ας πούμε ότι θέλετε να επισκεφθείτε τον Άρη χρησιμοποιώντας έναν χημικό πύραυλο. Θα εκτοξευόσασταν από τη Γη και θα πήγαινε σε χαμηλή τροχιά της Γης. Στη συνέχεια, τη σωστή στιγμή, θα πυροβολήσετε τον πύραυλο σας, ανεβάζοντας την τροχιά σας από τον Ήλιο. Η νέα ελλειπτική πορεία που ακολουθείτε διασταυρώνεται με τον Άρη μετά από οκτώ μήνες πτήσης.
Αυτό είναι γνωστό ως μεταφορά Hohmann και είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος που γνωρίζουμε πώς να ταξιδεύουμε στο διάστημα, χρησιμοποιώντας τη μικρότερη ποσότητα προωθητικού και το μεγαλύτερο ποσό ωφέλιμου φορτίου. Το πρόβλημα φυσικά, είναι ο χρόνος που χρειάζεται. Καθ 'όλη τη διάρκεια του ταξιδιού, οι αστροναύτες καταναλώνουν τρόφιμα, νερό, αέρα και εκτίθενται στη μακροχρόνια ακτινοβολία του βαθιού διαστήματος. Στη συνέχεια, μια αποστολή επιστροφής διπλασιάζει την ανάγκη για πόρους και διπλασιάζει το φορτίο ακτινοβολίας.
Πρέπει να πάμε πιο γρήγορα.
Αποδεικνύεται ότι η NASA σκεφτόταν τι θα ακολουθήσει μετά από χημικούς πυραύλους για σχεδόν 50 χρόνια.
Πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι. Επιταχύνουν σίγουρα το ταξίδι, αλλά δεν είναι χωρίς τους δικούς τους κινδύνους, γι 'αυτό δεν τους έχετε δει. Αλλά ίσως η ώρα τους είναι εδώ.
Το 1961, η NASA και η Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας συνεργάστηκαν για την ιδέα της πυρηνικής θερμικής πρόωσης ή NTP. Αυτό ήταν πρωτοπόρο από τον Werner von Braun, ο οποίος ήλπιζε ότι οι ανθρώπινες αποστολές θα πετούσαν στον Άρη τη δεκαετία του 1980, με φτερά πυρηνικών πυραύλων.
Λοιπόν αυτό δεν συνέβη. Αλλά πραγματοποίησαν μερικές επιτυχημένες δοκιμές πυρηνικής θερμικής πρόωσης και έδειξαν ότι λειτουργεί.
Ενώ ένας χημικός πύραυλος λειτουργεί αναφλέγοντας κάποιο εύφλεκτο χημικό και στη συνέχεια αναγκάζοντας τα καυσαέρια να βγάλουν ένα ακροφύσιο. Χάρη στον τρίτο νόμο του παλιού Νεύτωνα, γνωρίζετε, για κάθε δράση υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση, ο πύραυλος δέχεται ώθηση προς την αντίθετη κατεύθυνση από τα αποβληθέντα αέρια.
Ένας πυρηνικός πύραυλος λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο. Μια μαρμάρινη σφαίρα καυσίμου ουρανίου υποβάλλεται σε διαδικασία σχάσης, απελευθερώνοντας τεράστια θερμότητα. Αυτό θερμαίνει ένα υδρογόνο στους περίπου 2.500 C, το οποίο στη συνέχεια αποβάλλεται από το πίσω μέρος του πυραύλου με υψηλή ταχύτητα. Πολύ υψηλή ταχύτητα, δίνοντας στον πύραυλο δύο έως τρεις φορές την αποτελεσματικότητα πρόωσης ενός χημικού πυραύλου.
Θυμάστε τους 8 μήνες που ανέφερα για έναν χημικό πύραυλο; Ένας πυρηνικός θερμικός πύραυλος θα μπορούσε να μειώσει το χρόνο διέλευσης στο μισό, ίσως ακόμη και 100 ημερών ταξίδια στον Άρη. Αυτό σημαίνει λιγότερους πόρους που καταναλώνονται από τους αστροναύτες και χαμηλότερο φορτίο ακτινοβολίας.
Και υπάρχει ένα άλλο μεγάλο όφελος. Η ώθηση ενός πυρηνικού πυραύλου θα μπορούσε να επιτρέψει τις αποστολές όταν η Γη και ο Άρης δεν είναι απόλυτα ευθυγραμμισμένες. Αυτήν τη στιγμή, εάν χάσετε το παράθυρό σας, πρέπει να περιμένετε άλλα 2 χρόνια, αλλά ένας πυρηνικός πύραυλος θα μπορούσε να σας δώσει ώθηση για να αντιμετωπίσετε τις καθυστερήσεις πτήσεων.
Οι πρώτες δοκιμές πυρηνικών πυραύλων ξεκίνησαν το 1955 με το Project Rover στο επιστημονικό εργαστήριο Los Alamos. Η βασική εξέλιξη ήταν η μικρογράφηση των αντιδραστήρων αρκετά ώστε να είναι σε θέση να τα βάλει σε έναν πύραυλο. Τα επόμενα χρόνια, οι μηχανικοί δημιούργησαν και δοκίμασαν περισσότερους από δώδεκα αντιδραστήρες διαφορετικών μεγεθών και εξόδους ισχύος.
Με την επιτυχία του Project Rover, η NASA έβλεψε τις ανθρώπινες αποστολές στον Άρη που θα ακολουθούσαν τα απογευματινά Apollo στη Σελήνη. Λόγω της απόστασης και του χρόνου πτήσης, αποφάσισαν ότι οι πυρηνικοί πύραυλοι θα ήταν το κλειδί για να καταστούν οι αποστολές πιο ικανές.
Οι πυρηνικοί πύραυλοι δεν είναι χωρίς τους κινδύνους τους, φυσικά. Ένας αντιδραστήρας επί του σκάφους θα αποτελούσε μια μικρή πηγή ακτινοβολίας στο πλήρωμα αστροναυτών επί του σκάφους, αυτό θα αντισταθμιζόταν από τον μειωμένο χρόνο πτήσης. Ο βαθύς χώρος είναι ένας τεράστιος κίνδυνος ακτινοβολίας, με τη συνεχή γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία να καταστρέφει το DNA του αστροναύτη.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, η NASA δημιούργησε το πρόγραμμα Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, ή NERVA, αναπτύσσοντας τις τεχνολογίες που θα γίνονταν οι πυρηνικοί πύραυλοι που θα οδηγούσαν τους ανθρώπους στον Άρη.
Δοκιμάστηκαν μεγαλύτεροι, ισχυρότεροι πυρηνικοί πύραυλοι, στην έρημο της Νεβάδας, εξαερίζοντας το αέριο υδρογόνο υψηλής ταχύτητας απευθείας στην ατμόσφαιρα. Οι περιβαλλοντικοί νόμοι ήταν πολύ λιγότερο αυστηροί τότε.
Το πρώτο NERVA NRX δοκιμάστηκε τελικά για σχεδόν δύο ώρες, με 28 λεπτά σε πλήρη ισχύ. Και ένας δεύτερος κινητήρας τέθηκε σε λειτουργία 28 φορές και έτρεξε για 115 λεπτά.
Μέχρι το τέλος, δοκίμασαν τον πιο ισχυρό πυρηνικό αντιδραστήρα που κατασκευάστηκε ποτέ, τον αντιδραστήρα Phoebus-2A, ικανός να παράγει 4.000 μεγαβάτ ισχύος. Σπρώχνει για 12 λεπτά.
Αν και τα διάφορα εξαρτήματα δεν συγκεντρώθηκαν ποτέ σε έναν πυραύλο έτοιμο για πτήση, οι μηχανικοί ήταν ικανοποιημένοι ότι ένας πυρηνικός πύραυλος θα κάλυπτε τις ανάγκες μιας πτήσης προς τον Άρη.
Αλλά τότε, οι ΗΠΑ αποφάσισαν ότι δεν ήθελαν πλέον να πάνε στον Άρη. Ήθελαν αντ 'αυτού το διαστημικό λεωφορείο.
Το πρόγραμμα έκλεισε το 1973 και κανένας δεν δοκιμάζει πυρηνικούς πυραύλους από τότε.
Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία έχουν καταστήσει την πυρηνική θερμική πρόωση πιο ελκυστική. Τη δεκαετία του 1960, η μόνη πηγή καυσίμου που μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ήταν το πολύ εμπλουτισμένο ουράνιο. Αλλά τώρα οι μηχανικοί πιστεύουν ότι μπορούν να τα καταφέρουν με χαμηλό εμπλουτισμένο ουράνιο.
Αυτό θα ήταν ασφαλέστερο να συνεργαστεί και θα επέτρεπε σε περισσότερες δοκιμές πυραύλων να εκτελέσουν δοκιμές. Θα ήταν επίσης ευκολότερο να συλληφθούν τα ραδιενεργά σωματίδια στην εξάτμιση και να τα απορρίψουν σωστά. Αυτό θα μείωνε το συνολικό κόστος της εργασίας με την τεχνολογία.
Στις 22 Μαΐου 2019, το Κογκρέσο των ΗΠΑ ενέκρινε χρηματοδότηση 125 εκατομμυρίων δολαρίων για την ανάπτυξη πυρηνικών πυραύλων θερμικής πρόωσης. Αν και αυτό το πρόγραμμα δεν έχει κανένα ρόλο να παίξει στην επιστροφή Artemis 2024 της NASA στη Σελήνη, αυτό - παραθέτει - "καλεί τη NASA να αναπτύξει ένα πολυετές σχέδιο που επιτρέπει μια επίδειξη πυρηνικής θερμικής πρόωσης, συμπεριλαμβανομένου του χρονοδιαγράμματος που σχετίζεται με τη διαστημική επίδειξη και μια περιγραφή μελλοντικών αποστολών και συστημάτων πρόωσης και ισχύος που ενεργοποιούνται από αυτήν την ικανότητα. "
Η πυρηνική σχάση είναι ένας τρόπος για να αξιοποιηθεί η δύναμη του ατόμου. Φυσικά, απαιτεί εμπλουτισμένο ουράνιο και παράγει τοξικά ραδιενεργά απόβλητα. Τι γίνεται με τη σύντηξη; Πού συμπιέζονται άτομα υδρογόνου στο ήλιο, απελευθερώνοντας ενέργεια;
Ο ήλιος έχει επεξεργαστεί με σύντηξη, χάρη στην τεράστια μάζα και τη θερμοκρασία του πυρήνα του, αλλά η βιώσιμη, ενεργειακά θετική σύντηξη ήταν αόριστη από εμάς.
Τεράστια πειράματα όπως το ITER στην Ευρώπη ελπίζουν να διατηρήσουν την ενέργεια σύντηξης μέσα στην επόμενη δεκαετία. Μετά από αυτό, μπορείτε να φανταστείτε τους αντιδραστήρες σύντηξης να μειώνουν στο ελάχιστο ότι μπορούν να εξυπηρετήσουν τον ίδιο ρόλο με έναν αντιδραστήρα σχάσης σε έναν πυρηνικό πύραυλο. Αλλά ακόμα κι αν δεν μπορείτε να πάρετε αντιδραστήρες σύντηξης στο σημείο ότι είναι θετικοί στην ενέργεια, μπορούν ακόμα να προσφέρουν τεράστια επιτάχυνση για την ποσότητα της μάζας.
Και ίσως δεν χρειάζεται να περιμένουμε δεκαετίες. Μια ερευνητική ομάδα στο Princeton Plasma Physics Laboratory επεξεργάζεται μια ιδέα που ονομάζεται Direct Fusion Drive, την οποία πιστεύουν ότι θα μπορούσε να είναι έτοιμη πολύ νωρίτερα.
Βασίζεται στον αντιδραστήρα σύντηξης Princeton Field-Reversed Configuration που αναπτύχθηκε το 2002 από τον Samuel Cohen. Ζεστό πλάσμα ηλίου-3 και δευτερίου περιέχονται σε μαγνητικό δοχείο. Το ήλιο-3 είναι σπάνιο στη Γη και είναι πολύτιμο επειδή οι αντιδράσεις σύντηξης με αυτό δεν θα παράγουν την ίδια ποσότητα επικίνδυνων ακτινοβολιών ή πυρηνικών αποβλήτων με άλλους αντιδραστήρες σύντηξης ή σχάσης.
Όπως με τον πύραυλο σχάσης, ένας πύραυλος σύντηξης θερμαίνει ένα προωθητικό σε υψηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια εκτοξεύεται από το πίσω μέρος, παράγοντας ώθηση.
Λειτουργεί συνδυάζοντας μια δέσμη γραμμικών μαγνητών που περιέχουν και περιστρέφουν πολύ ζεστό πλάσμα. Οι κεραίες γύρω από το πλάσμα συντονίζονται με τη συγκεκριμένη συχνότητα των ιόντων και δημιουργούν ρεύμα στο πλάσμα. Η ενέργειά τους αντλείται μέχρι το σημείο που τα άτομα συντήκονται, απελευθερώνοντας νέα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια περιπλανιούνται στο πεδίο περιορισμού μέχρι να συλληφθούν από τις γραμμές μαγνητικού πεδίου και να επιταχυνθούν από το πίσω μέρος του πυραύλου.
Θεωρητικά, ένας πύραυλος σύντηξης θα μπορούσε να παρέχει 2,5 έως 5 Newtons ώσης ανά μεγαβάτ, με συγκεκριμένη ώθηση 10.000 δευτερολέπτων - θυμηθείτε 850 από πυραύλους σχάσης και 450 από χημικούς πυραύλους. Θα παράγει επίσης ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται από το διαστημικό σκάφος μακριά από τον Ήλιο, όπου τα ηλιακά πάνελ δεν είναι πολύ αποδοτικά.
Ένα Direct Fusion Drive θα μπορούσε να μεταφέρει αποστολή 10 τόνων στον Κρόνο σε μόλις 2 χρόνια ή ένα διαστημικό σκάφος 1 τόνου από τη Γη στον Πλούτωνα σε περίπου 4 χρόνια. Οι Νέοι Ορίζοντες χρειάζονταν σχεδόν 10.
Δεδομένου ότι είναι επίσης αντιδραστήρας σύντηξης 1 μεγαβάτ, θα παρέχει επίσης ισχύ σε όλα τα όργανα του διαστημικού σκάφους κατά την άφιξή του. Πολύ περισσότερο από τις πυρηνικές μπαταρίες που μεταφέρονται επί του παρόντος από αποστολές μεγάλου διαστήματος, όπως οι Voyager και New Horizons.
Φανταστείτε τι είδους διαστρικές αποστολές θα μπορούσαν να είναι στο τραπέζι με αυτήν την τεχνολογία.
Και η Princeton Satellite Systems δεν είναι η μόνη ομάδα που εργάζεται σε τέτοια συστήματα. Τα Applied Fusion Systems έχουν υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν πυρηνικό κινητήρα σύντηξης που θα μπορούσε να παρέχει ώθηση στα διαστημόπλοια.
Ξέρω ότι έχουν περάσει δεκαετίες από τότε που η NASA δοκίμασε σοβαρά πυρηνικούς πυραύλους ως τρόπο μείωσης του χρόνου πτήσης, αλλά φαίνεται ότι η τεχνολογία επέστρεψε. Τα επόμενα χρόνια αναμένω να δω νέο υλικό και νέες δοκιμές πυρηνικών συστημάτων θερμικής πρόωσης. Και είμαι απίστευτα ενθουσιασμένος με την πιθανότητα πραγματικών οδηγών σύντηξης να μας οδηγήσουν σε άλλους κόσμους. Όπως πάντα, μείνετε συντονισμένοι, θα σας ενημερώσω πότε πραγματικά πετάει κάποιος.
