Солнечная система - это действительно большое место, и путешествовать из мира в мир с традиционными химическими ракетами нужно вечно. Но одна техника, разработанная еще в 1960-х годах, может существенно сократить время нашего путешествия: ядерные ракеты.
Конечно, запуск ракеты, работающей на радиоактивном материале, также имеет свои риски. Должны ли мы попробовать это?
Допустим, вы хотели посетить Марс с помощью химической ракеты. Вы бы взлетели с Земли и вышли бы на низкую околоземную орбиту. Затем, в нужный момент, вы запустите ракету, поднимая свою орбиту от Солнца. Новая эллиптическая траектория, которой вы следуете, пересекается с Марсом после восьми месяцев полета.
Это известно как передача Хомана, и это самый эффективный способ, которым мы знаем, как путешествовать в космосе, используя наименьшее количество топлива и наибольшую полезную нагрузку. Проблема, конечно же, в том, сколько времени нужно. На протяжении всего путешествия астронавты будут потреблять пищу, воду, воздух и подвергаться длительному облучению дальнего космоса. Затем обратная миссия удваивает потребность в ресурсах и удваивает радиационную нагрузку.
Нам нужно идти быстрее.
Оказывается, НАСА уже почти 50 лет думает о том, что будет после химических ракет.
Ядерные тепловые ракеты. Они определенно ускоряют путешествие, но не без собственных рисков, поэтому вы их не видели. Но, возможно, их время здесь.
В 1961 году НАСА и Комиссия по атомной энергии работали вместе над идеей ядерного теплового двигателя, или NTP. Это было впервые предложено Вернером фон Брауном, который надеялся, что человеческие миссии будут летать на Марс в 1980-х годах на крыльях ядерных ракет.
Ну, этого не произошло. Но они провели несколько успешных испытаний ядерного теплового двигателя и продемонстрировали, что оно работает.
В то время как химическая ракета работает, зажигая какой-то горючий химикат, а затем выталкивая выхлопные газы из сопла. Знаете, благодаря третьему закону старого доброго Ньютона, при каждом действии происходит равная и противоположная реакция, ракета получает тягу в противоположном направлении от выбрасываемых газов.
Ядерная ракета работает аналогичным образом. Шарик уранового топлива размером с мрамор претерпевает процесс деления, выделяя огромное количество тепла. Это нагревает водород почти до 2500 ° С, который затем выбрасывается из задней части ракеты с высокой скоростью. Очень высокая скорость, обеспечивающая ракете в два-три раза большую отдачу от химической ракеты.
Помните 8 месяцев, которые я упомянул для химической ракеты? Ядерная тепловая ракета могла бы сократить время транзита вдвое, возможно, даже на 100 дневных поездок на Марс. Что означает меньше ресурсов, потребляемых космонавтами, и меньшую радиационную нагрузку.
И есть еще одно большое преимущество. Тяга ядерной ракеты может позволить миссиям отправиться, когда Земля и Марс не полностью совмещены. Прямо сейчас, если вы пропустите свое окно, вам придется подождать еще 2 года, но ядерная ракета может помочь вам справиться с задержками рейсов.
Первые испытания ядерных ракет начались в 1955 году с Project Rover в Лос-Аламосской научной лаборатории. Ключевым событием было миниатюризация реакторов, достаточная для того, чтобы их можно было поставить на ракету. В течение следующих нескольких лет инженеры построили и испытали более десятка реакторов разных размеров и выходной мощности.
С успехом Project Rover НАСА нацелилось на человеческие миссии на Марс, которые следовали за спутниками Аполлона на Луне. Из-за расстояния и времени полета они решили, что ядерные ракеты станут ключом к повышению способности миссий.
Ядерные ракеты не без риска, конечно. Реактор на борту был бы небольшим источником радиации для экипажа астронавтов на борту, это перевесило бы уменьшенное время полета. Глубокий космос сам по себе представляет огромную радиационную опасность, поскольку постоянная галактическая космическая радиация повреждает ДНК астронавта.
В конце 1960-х годов НАСА разработало программу «Ядерный двигатель для применения в ракетостроении», или NERVA, разрабатывая технологии, которые станут ядерными ракетами, которые доставят людей на Марс.
Они испытали большие, более мощные ядерные ракеты в пустыне Невада, выпуская высокоскоростной газообразный водород прямо в атмосферу. В то время законы об охране окружающей среды были гораздо менее строгими.
Первый NERVA NRX был в конечном итоге испытан в течение почти двух часов, с 28 минутами на полной мощности. И второй двигатель был запущен 28 раз и работал 115 минут.
К концу они испытали самый мощный из когда-либо созданных ядерных реакторов - реактор Феб-2А, способный генерировать 4000 мегаватт электроэнергии. Толкать за 12 минут.
Хотя различные компоненты фактически никогда не собирались в готовую к полету ракету, инженеры были удовлетворены тем, что ядерная ракета будет отвечать потребностям полета на Марс.
Но затем США решили, что больше не хотят идти на Марс. Вместо этого они хотели космический челнок.
Программа была закрыта в 1973 году, и с тех пор никто не испытывал ядерные ракеты.
Но последние достижения в технологии сделали ядерные двигатели более привлекательными. Еще в 1960-х годах единственным источником топлива, который они могли использовать, был высокообогащенный уран. Но теперь инженеры думают, что могут обойтись низкообогащенным ураном.
Это было бы безопаснее для работы и позволило бы большему количеству ракетных средств проводить испытания. Также было бы легче улавливать радиоактивные частицы в выхлопе и правильно их утилизировать. Это приведет к снижению общих затрат на работу с технологией.
22 мая 2019 года Конгресс США одобрил финансирование в размере 125 миллионов долларов на разработку ядерных тепловых ракет. Хотя эта программа не играет никакой роли в возвращении НАСА на Artemis 2024 на Луну, она - цитирует - «призывает НАСА разработать многолетний план, который позволит продемонстрировать ядерные двигательные установки, включая график времени, связанный с космической демонстрацией». и описание будущих миссий и силовых установок и силовых установок, обеспечиваемых этой возможностью ».
Ядерное деление - один из способов использовать силу атома. Конечно, он требует обогащенного урана и генерирует токсичные радиоактивные отходы. А как насчет фьюжн? Где атомы водорода сжаты в гелий, высвобождая энергию?
Благодаря своей огромной массе и температуре ядра Солнце разработало термоядерный синтез, но мы, хрупкие люди, не смогли добиться устойчивого энергетически позитивного синтеза.
Огромные эксперименты, подобные ITER в Европе, надеются сохранить энергию синтеза в течение следующего десятилетия или около того. После этого вы можете представить, как термоядерные реакторы миниатюризируются до такой степени, что они могут выполнять ту же роль, что и реактор деления в ядерной ракете. Но даже если вы не можете получить термоядерные реакторы до такой степени, чтобы они имели положительную чистую энергию, они все равно могут обеспечить огромное ускорение для количества массы.
И, может быть, нам не нужно ждать десятилетия. Исследовательская группа в Лаборатории физики плазмы Принстона работает над концепцией, называемой Direct Fusion Drive, которая, по их мнению, может быть готова гораздо раньше.
Он основан на термоядерном реакторе Принстона с обращенной конфигурацией, разработанном в 2002 году Сэмюэлем Коэном. Горячая плазма гелия-3 и дейтерия содержатся в магнитном контейнере. Гелий-3 редко встречается на Земле и является ценным, потому что реакции синтеза с ним не будут генерировать такое же количество опасных радиационных или ядерных отходов, как другие реакторы синтеза или деления.
Как и в случае с ракетой деления, ракета плавления нагревает топливо до высоких температур, а затем взрывает его сзади, создавая тягу.
Он работает, выстраивая ряды линейных магнитов, которые содержат и вращают очень горячую плазму. Антенны вокруг плазмы настраиваются на определенную частоту ионов и создают ток в плазме. Их энергия накачивается до такой степени, что атомы сливаются, выпуская новые частицы. Эти частицы блуждают через поле сдерживания, пока не будут захвачены линиями магнитного поля, и они ускорятся из задней части ракеты.
Теоретически, термоядерная ракета способна обеспечить 2,5–5 Ньютон тяги на мегаватт с удельным импульсом 10000 секунд - вспомните 850 от ракет деления и 450 от химических ракет. Это также будет генерировать электричество, необходимое космическому кораблю вдали от Солнца, где солнечные панели не очень эффективны.
Прямой Fusion Drive будет способен доставить 10-тонную миссию на Сатурн всего за 2 года, или 1-тонный космический корабль от Земли до Плутона за 4 года. Новым горизонтам понадобилось почти 10.
Поскольку это также термоядерный реактор мощностью 1 мегаватт, он также будет обеспечивать питание всех приборов космического корабля, когда он прибудет. Гораздо больше, чем ядерные батареи, которые в настоящее время перевозятся в дальних космических полетах, таких как Voyager и New Horizons.
Представьте, какие межзвездные миссии могут быть на столе с этой технологией тоже.
И Princeton Satellite Systems - не единственная группа, работающая над такими системами. Applied Fusion Systems подали заявку на патент на ядерный термоядерный двигатель, который может обеспечить тягу к космическому кораблю.
Я знаю, что прошли десятилетия с тех пор, как НАСА серьезно проверило ядерные ракеты как способ сократить время полета, но похоже, что технология вернулась. В течение следующих нескольких лет я ожидаю увидеть новое оборудование и новые испытания ядерных тепловых установок. И я невероятно взволнован возможностью фьюжн-драйва перенести нас в другие миры. Как всегда, следите за обновлениями, я дам вам знать, когда кто-то действительно летит.
