Американски професор обяснява защо ядрените ракетни двигатели са по-ефективни от химическите. Следователно те са тези, които ще помогнат за изследване на Марс и всичко отвъд него. Но не мисли за въпроса дали НАСА ще разполага с достатъчно пари за разработването на такива двигатели, ако Пентагонът също се занимава с тях, и му се дава преди всичко.
НАСА и Елон Мъск мечтаят за Марс, а пилотираните дълбоки космически мисии скоро ще станат реалност. Вероятно ще се изненадате, но съвременните ракети летят малко по-бързо от ракетите от миналото.
Бързите космически кораби са по-удобни по различни причини, а най-добрият начин да се ускорите е с ракети с ядрено захранване. Те имат много предимства пред конвенционалните ракети с гориво или модерни електрически ракети със слънчева енергия, но през последните 40 години САЩ пуснаха само осем ракети с ядрена мощност.
През последната година обаче законите относно ядреното космическо пътуване се промениха и работата по ракетите от следващото поколение вече започна.
Защо е необходима скорост?
На първия етап на всеки полет в космоса е необходимо изстрелване на кораб - той извежда кораба в орбита. Тези големи двигатели работят на гориво - и обикновено, когато става дума за изстрелване на ракети, те ги означават. Те скоро няма да отидат никъде - нито силата на гравитацията.
Но когато корабът навлезе в космоса, нещата стават по-интересни. За да преодолее гравитацията на Земята и да отиде в дълбокото пространство, корабът се нуждае от допълнително ускорение. Именно тук влизат в действие ядрените системи. Ако астронавтите искат да изследват нещо отвъд Луната или още повече Марс, те трябва да побързат. Космосът е огромен, а разстоянията са доста големи.
Промоционално видео:
Има две причини, поради които бързите ракети са по-подходящи за пътуване в космоса на дълги разстояния: безопасност и време.
По пътя за Марс астронавтите са изправени пред много високи нива на радиация, изпълнени със сериозни здравословни проблеми, включително рак и безплодие. Радиационното екраниране може да помогне, но ако е изключително тежък и колкото по-дълга е мисията, толкова по-мощно екраниране ще е необходимо. Следователно, най-добрият начин да намалите дозата на радиация е просто да стигнете по-бързо до вашата дестинация.
Но безопасността на екипажа не е единствената полза. Колкото по-далечни полети планираме, толкова по-скоро се нуждаем от данни от безпилотни мисии. На Вояджър 2 отне 12 години, за да стигне до Нептун - и докато прелетя, направи няколко невероятни снимки. Ако Вояджър имаше по-мощен двигател, тези снимки и данни щяха да се появят в астрономите много по-рано.
Така че скоростта е предимство. Но защо ядрените системи са по-бързи?
Днешните системи
Преодолявайки силата на гравитацията, корабът трябва да разгледа три важни аспекта.
Най-често срещаните днес са химическите двигатели - тоест конвенционалните ракети с гориво и електрическите ракети със слънчева енергия.
Химическите задвижващи системи осигуряват много тяга, но не са особено ефективни, а ракетното гориво не е много енергоемко. Ракетата Сатурн 5, която превозва астронавти до Луната, достави 35 милиона нютона сила при излитане и превози 950 000 галона (4 438 787 литра) гориво. Повечето от него отидоха в извеждането на ракетата в орбита, така че ограниченията са очевидни: където и да отидете, имате нужда от много тежко гориво.
Електрическите задвижващи системи генерират тяга, използвайки електричество от слънчеви панели. Най-разпространеният начин за постигане на това е използването на електрическо поле за ускоряване на йони, например в индукционен тласкач на Хол. Тези устройства се използват за захранване на спътници и тяхната ефективност на теглото е пет пъти по-висока от тази на химическите системи. Но в същото време те дават много по-малка тяга - около 3 нютона. Това е достатъчно само за ускоряване на автомобила от 0 до 100 километра в час за около два часа и половина. Слънцето по същество е бездънен източник на енергия, но колкото по-далеч корабът се отдалечава от него, толкова по-малко полезен е.
Една от причините, поради които ядрените ракети са особено обещаващи, е тяхната невероятна енергийна интензивност. Урановото гориво, използвано в ядрените реактори, има енергийна интензивност 4 милиона пъти по-голяма от тази на хидразин, типично химическо ракетно гориво. И е много по-лесно да вкараш малко уран в космоса, отколкото стотици хиляди галони гориво.
Ами сцеплението и ефективността на теглото?
Два ядрени варианта
За космическите пътувания инженерите са разработили два основни типа ядрени системи.
Първият е термоядрен двигател. Тези системи са много мощни и високоефективни. Те използват малък реактор за ядрено делене - като този на ядрените подводници - за загряване на газ (като водород). След това този газ се ускорява през ракетната дюза, за да осигури тяга. Инженерите на НАСА изчислиха, че пътуването до Марс с помощта на термоядрен двигател ще бъде с 20-25% по-бързо от ракета с химически двигател.
Fusion двигателите са повече от два пъти по-ефективни от химическите. Това означава, че те доставят два пъти повече тяга за същото количество гориво - до 100 000 нютона на тяга. Това е достатъчно, за да ускорите колата до 100 километра в час за около четвърт от секундата.
Втората система е ядрена електрическа ракетна машина (NEP). Никой от тях все още не е създаден, но идеята е да се използва мощен реактор за делене за генериране на електричество, който след това ще захранва електрическа задвижваща система като мотор на Хол. Това би било много ефективно - около три пъти по-ефективен от термоядрен двигател. Тъй като мощността на ядрен реактор е огромна, няколко отделни електрически двигателя могат да работят едновременно и тягата ще се окаже солидна.
Ядрените ракетни двигатели са може би най-добрият избор за мисии с много далечни разстояния: те не изискват слънчева енергия, са много ефективни и осигуряват сравнително висока тяга. Но при целия си обещаващ характер, системата за задвижване на ядрената енергетика все още има много технически проблеми, които ще трябва да бъдат решени, преди да бъдат пуснати в експлоатация.
Защо все още няма ракети с ядрена мощност?
Fusion двигателите се изучават от 60-те години на миналия век, но все още не са излетели в космоса.
Съгласно хартата от 70-те всеки проект за ядрено космическо пространство се разглежда отделно и не може да продължи по-далеч без одобрението на редица правителствени агенции и на самия президент. В съчетание с липса на финансиране за изследвания на ядрени ракетни системи, това попречи на по-нататъшното развитие на ядрените реактори за използване в космоса.
Но всичко това се промени през август 2019 г., когато администрацията на Тръмп издаде президентски меморандум. Макар да настоява за максимална безопасност на ядрените изстрелвания, новата директива все още позволява ядрени мисии с ниски количества радиоактивни материали без сложно междуведомствено одобрение. Потвърждение от спонсорираща агенция като НАСА, че мисията е в съответствие с препоръките за безопасност, е достатъчно. Големите ядрени мисии преминават през същите процедури като преди.
Заедно с това преразглеждане на правилата НАСА получи 100 милиона долара от бюджета за 2019 г. за разработването на термоядрени двигатели. Агенцията за напреднали научноизследователски проекти в областта на отбраната също разработва термоядрен космически двигател за национални операции за сигурност извън земната орбита.
След 60 години застой е възможно ядрена ракета да излезе в космоса в рамките на десетилетие. Това невероятно постижение ще въведе нова ера в космическите проучвания. Човекът ще отиде на Марс, а научните експерименти ще доведат до нови открития в цялата Слънчева система и извън нея.
Йейн Бойд е професор по аерокосмическо инженерство в Университета на Колорадо в Боулдър