Saulės sistema yra tikrai didelė vieta, kuriai keliauti iš pasaulio į tradicines chemines raketas reikia amžinai. Bet viena technika, sukurta dar septintajame dešimtmetyje, gali būti būdas žymiai sutrumpinti mūsų kelionių laiką: branduolinės raketos.
Be abejo, paleisti raketą, varomą radioaktyviosiomis medžiagomis, taip pat turi savo riziką. Ar turėtume tai bandyti?
Tarkime, kad norėjai aplankyti Marsą naudodamas cheminę raketą. Jūs sprogdintumėte nuo žemės ir pakiltumėte į žemą Žemės orbitą. Tuomet reikiamu momentu paleisite savo raketą, pakeldami orbitą nuo saulės. Nauja elipsės trajektorija, kurią stebite, susikerta su Marsu po aštuonių mėnesių skrydžio.
Tai yra žinomas kaip „Hohmann“ perkėlimas, ir tai yra efektyviausias būdas sužinoti, kaip keliauti kosmose, naudojant mažiausiai raketinio kuro ir didžiausios naudingos apkrovos. Žinoma, problema yra tam reikalingas laikas. Kelionės metu astronautai vartos maistą, vandenį, orą ir bus veikiami ilgalaikės giliosios kosmoso radiacijos. Tada grįžimo misija padvigubina išteklių poreikį ir radiacijos apkrovą.
Turime eiti greičiau.
Pasirodo, NASA beveik 50 metų galvojo apie tai, kas bus po cheminių raketų.
Branduolinės šiluminės raketos. Jie neabejotinai pagreitina kelionę, tačiau nėra be savo rizikos, todėl jų nematėte. Bet gal čia jau jų laikas.
1961 m. NASA ir atominės energijos komisija kartu dirbo siekdami sukurti branduolinę šiluminę varomąją jėgą. Tai buvo pradininkas Werneris von Braunas, kuris tikėjosi, kad devintajame dešimtmetyje žmonių misijos skris į Marsą ant branduolinių raketų sparnų.
Na, taip neatsitiko. Bet jie atliko keletą sėkmingų branduolinės šiluminės jėgos bandymų ir parodė, kad ji veikia.
Kol cheminė raketa veikia, uždegdama kažkokį degųjį chemikalą ir išstumdama išmetamąsias dujas iš purkštuko. Dėka senojo gerojo Niutono trečiojo įstatymo, žinote, kad kiekvienam veiksmui, kuris vyksta vienodai ir priešingai, raketa iš išskleidžiamų dujų gauna priešingą kryptį.
Branduolinė raketa veikia panašiai. Uranio kuro marmuro dydžio rutulys dalijasi, išskirdamas milžinišką šilumą. Tai įkaitina vandenilį iki beveik 2500 C, o tada dideliu greičiu išstumia raketos galinę dalį. Labai didelis greitis, suteikiantis raketa cheminės raketos varymo efektyvumą du ar tris kartus.
Prisimeni tuos 8 mėnesius, kuriuos minėjau dėl cheminės raketos? Branduolinė šiluminė raketa galėtų perpus sumažinti tranzito laiką, gal net 100 dienų kelionių į Marsą. Tai reiškia, kad mažiau išteklių sunaudoja astronautai, ir mažesnė radiacijos apkrova.
Yra dar vienas didelis privalumas. Branduolinės raketos trauka gali leisti misijoms vykti, kai Žemė ir Marsas nėra visiškai suderinti. Šiuo metu, jei praleidžiate pro savo langą, turite palaukti dar 2 metus, tačiau branduolinė raketa gali suteikti jums traukos susidoroti su skrydžio vėlavimu.
Pirmieji branduolinių raketų bandymai buvo pradėti 1955 m. „Project Rover“ pagalba Los Alamoso mokslinėje laboratorijoje. Svarbiausia buvo pakankamai sumažinti miniatiūrinius reaktorius, kad būtų galima juos pastatyti į raketą. Per ateinančius kelerius metus inžinieriai pastatė ir išbandė daugiau nei tuziną įvairaus dydžio ir galios reaktorių.
Sėkmingai įgyvendindama „Project Rover“, NASA nusistatė žvilgsnį į žmogaus misijas į Marsą, kuris sektų „Apollo“ nusileidimus Mėnulyje. Dėl atstumo ir skrydžio laiko jie nusprendė, kad branduolinės raketos bus raktas, kad misijos būtų pajėgesnės.
Branduolinės raketos, be abejo, nėra be rizikos. Lėktuve esantis reaktorius būtų nedidelis laivo astronautų įgulos radiacijos šaltinis, tai atsvers sumažėjęs skrydžio laikas. Pats gilus kosmosas kelia didžiulį radiacijos pavojų, nes nuolatinė galaktikos kosminė radiacija kenkia kosmonautų DNR.
Septintojo dešimtmečio pabaigoje NASA sukūrė branduolinį raketų raketų pritaikymo variklį arba „NERVA“, kurdama technologijas, kurios taptų branduolinėmis raketomis, nukeliančiomis žmones į Marsą.
Jie išbandė didesnes, galingesnes branduolines raketas Nevados dykumoje, į atmosferą išleisdami didelio greičio vandenilio dujas. Aplinkos įstatymai tada buvo daug ne tokie griežti.
Pirmasis „NERVA NRX“ galiausiai buvo išbandytas beveik dvi valandas, 28 minutes veikiant visu pajėgumu. Ir antras variklis buvo paleistas 28 kartus ir veikė 115 minučių.
Pabaigoje jie išbandė galingiausią kada nors pastatytą branduolinį reaktorių - „Phoebus-2A“ reaktorių, galintį generuoti 4000 megavatų galią. Traukiama 12 minučių.
Nors įvairūs komponentai niekada nebuvo surinkti į skrydžiui parengtą raketą, inžinieriai buvo įsitikinę, kad branduolinė raketa patenkins skrydžio į Marsą poreikius.
Bet tada JAV nusprendė, kad daugiau nebenori leistis į Marsą. Jie norėjo, kad būtų naudojamas kosmoso pervežimas.
Programa buvo uždaryta 1973 m., Ir nuo to laiko niekas nepatikrino branduolinių raketų.
Tačiau dėl pastarojo meto technologijos pažangos branduolinė šiluminė varomoji jėga tapo patrauklesnė. Septintajame dešimtmetyje vienintelis kuro šaltinis, kurį jie galėjo naudoti, buvo labai praturtintas uranas. Bet dabar inžinieriai mano, kad jie gali išsiversti su mažai prisodrintu uranu.
Su tuo būtų saugiau dirbti ir daugiau raketų įrenginių būtų galima atlikti bandymus. Taip pat būtų lengviau užfiksuoti radioaktyviąsias daleles išmetamosiose dujose ir tinkamai jas išmesti. Tai sumažintų bendras darbo su technologijomis išlaidas.
2019 m. Gegužės 22 d. JAV Kongresas patvirtino 125 milijonų dolerių finansavimą branduolinių šiluminių varomųjų raketų kūrimui. Nors ši programa neatlieka jokio vaidmens NASA „Artemis 2024“ grįžime į Mėnulį, ji - citata - „ragina NASA parengti daugiametį planą, įgalinantį branduolinės šiluminės varomosios jėgos demonstraciją, įskaitant su kosmoso demonstracija susijusį tvarkaraštį. ir būsimų misijų, varomųjų ir galios sistemų, kurias įgalins ši galimybė, aprašymas. “
Branduolio dalijimasis yra vienas iš būdų panaudoti atomo galią. Žinoma, tam reikia praturtinto urano ir susidaro nuodingos radioaktyviosios atliekos. O kaip sintezė? Kur vandenilio atomai suspaudžiami į helį, išskirdami energiją?
Dėl didžiulės masės ir šerdies temperatūros Saulė susiliejo, tačiau tausojančią energiją teigiamą sintezę mums nepavyko nubausti.
Didžiuliai eksperimentai, tokie kaip ITER Europoje, tikisi palaikyti sintezės energiją maždaug per artimiausią dešimtmetį. Po to galite įsivaizduoti, kad branduolių sintezės reaktoriai tampa miniatiūriniai, kad jie gali atlikti tą patį vaidmenį kaip branduolinės dalijimosi reaktoriai. Bet net jei jūs negalite pasiekti sintezės reaktorių, kad jų grynoji energija būtų teigiama, jie vis tiek gali užtikrinti didžiulį masės pagreitį.
Ir galbūt mums nereikia laukti dešimtmečių. Prinstono plazmos fizikos laboratorijos tyrimų grupė rengia koncepciją, vadinamą „Direct Fusion Drive“, kuri, jų manymu, galėtų būti paruošta greičiau.
Jis pagrįstas Prinstono lauko atvirkštinės konfigūracijos sintezės reaktoriumi, kurį 2002 m. Sukūrė Samuelis Cohenas. Karšta helio-3 ir deuterio plazma yra magnetiniame inde. Helis-3 Žemėje yra retas ir vertingas, nes sintezės reakcijos su juo metu nesukurs tokio paties pavojingo radiacijos ar branduolinių atliekų kiekio kaip kiti sintezės ar dalijimosi reaktoriai.
Kaip ir skilimoji raketa, lydomoji raketa įkaitina raketinį kurą iki aukštų temperatūrų, o paskui išpūtė jį atgal, sukurdama trauką.
Tai veikia sudedant krūvą linijinių magnetų, kuriuose yra ir sukasi labai karšta plazma. Antena aplink plazmą yra suderinta su tam tikru jonų dažniu ir sukuria srovę plazmoje. Jų energija išsiurbiama tiek, kad atomai susilieja, išskirdami naujas daleles. Šios dalelės klaidžioja per izoliavimo lauką, kol jas užfiksuoja magnetinio lauko linijos ir jos pagreitėja iš raketos galo.
Teoriškai branduolių sintezės raketa būtų pajėgi užtikrinti nuo 2,5 iki 5 niutonų galią per megavatą, o savitasis impulsas būtų 10 000 sekundžių - atsiminkite 850 iš dalijimosi raketų ir 450 iš cheminių raketų. Tai taip pat generuotų elektrą, reikalingą erdvėlaiviui, esančiam toli nuo saulės, kur saulės baterijos nėra labai efektyvios.
„Direct Fusion Drive“ sugebės atlikti 10 tonų misiją į Saturną vos per 2 metus arba 1 tonos ilgio erdvėlaivį iš Žemės į Plutoną maždaug per 4 metus. „New Horizons“ prireikė beveik 10.
Tai taip pat yra 1 megavatų galios branduolių sintezės reaktorius, jis taip pat aprūpins energiją visiems erdvėlaivio instrumentams, kai jis atvyks. Daug daugiau nei branduolinės baterijos, kurias šiuo metu vykdo misijos kosminėse erdvėse, tokiose kaip „Voyager“ ir „New Horizons“.
Įsivaizduokite, kokios tarpžvaigždinės misijos gali būti naudojamos kartu su šia technologija.
Ir „Princeton Satellite Systems“ nėra vienintelė grupė, dirbanti tokiose sistemose kaip ši. Taikomosios sintezės sistemos pateikė paraišką branduolių sintezės varikliui, galinčiam suteikti erdvėlaiviams trauką.
Aš žinau, kad praėjo dešimtmečiai, kai NASA rimtai išbandė branduolines raketas kaip būdą sutrumpinti skrydžio laiką, bet panašu, kad technologijos vėl sukurtos. Per kelerius ateinančius metus tikiuosi pamatyti naują aparatūrą ir naujus branduolinių šiluminių variklių sistemų bandymus. Ir aš be galo džiaugiuosi, kad tikrosios branduolių sintezės priemonės gali nuvesti mus į kitus pasaulius. Kaip visada, būkite budrūs, pranešu, kada iš tikrųjų skrenda.
