Ameriški profesor razlaga, zakaj so jedrski raketni motorji učinkovitejši od kemičnih. Zato so oni tisti, ki bodo pomagali raziskovati Mars in vse, kar je zunaj njega. Ne razmišlja pa o vprašanju, ali bo NASA imela dovolj denarja za razvoj takih motorjev, če se bo z njimi ukvarjal tudi Pentagon, in mu prejme prvo mesto.
NASA in Elon Musk sanjata o Marsu in vesoljske misije s posadko bodo kmalu postale resničnost. Verjetno boste presenečeni, a sodobne rakete letijo nekoliko hitreje kot rakete iz preteklosti.
Hitro vesoljske ladje so zaradi različnih razlogov bolj priročne, najboljši način za pospešitev pa je z raketami na jedrski pogon. Imajo številne prednosti pred običajnimi raketami na gorivo ali sodobnimi električnimi raketami na sončno energijo, a v zadnjih 40 letih so ZDA izstrelile le osem raket na jedrsko energijo.
Vendar pa so se v zadnjem letu zakoni glede jedrskega vesoljskega potovanja spremenili in delo na raketah naslednje generacije se je že začelo.
Zakaj je potrebna hitrost?
Na prvi stopnji vsakega leta v vesolje je potrebno izstreliti vozilo - ladjo popelje v orbito. Ti veliki motorji delujejo na gorljivo gorivo - in običajno, ko gre za izstrelitev raket, jih pomenijo. Kmalu ne bodo šli nikamor - niti sile gravitacije.
Ko pa ladja vstopi v vesolje, postanejo stvari bolj zanimive. Da bi premagala gravitacijo Zemlje in zašla v globok vesolje, ladja potrebuje dodatne pospeške. Tu nastopijo jedrski sistemi. Če želijo astronavti raziskati nekaj čez Luno ali še bolj Mars, morajo pohiteti. Kozmos je ogromen, razdalje pa precej velike.
Promocijski video:
Obstajata dva razloga, zakaj so hitre rakete bolj primerne za vesoljsko potovanje na dolge razdalje: varnost in čas.
Na poti do Marsa se astronavti soočajo z zelo visokimi stopnjami sevanja, ki se spopadajo z resnimi zdravstvenimi težavami, vključno z rakom in neplodnostjo. Zaščita pred sevanjem lahko pomaga, vendar je izjemno težka in dlje kot je misija, bolj zmogljiv ščitnik bo potreben. Zato je najboljši način za zmanjšanje odmerka sevanja preprosto hitreje priti do cilja.
Toda varnost posadke ni edina korist. Bolj kot oddaljeni leti načrtujemo, prej bomo potrebovali podatke iz misij brez posadke. Voyager 2 je trajal 12 let, da je prišel do Neptuna - in ko je letel mimo, je posnel nekaj neverjetnih fotografij. Če bi imel Voyager zmogljivejši motor, bi se te fotografije in podatki pri astronomih pojavili veliko prej.
Torej je hitrost prednost. Toda zakaj so jedrski sistemi hitrejši?
Današnji sistemi
Ko je ladje premagalo silo teže, mora upoštevati tri pomembne vidike.
Danes so najpogostejši kemični motorji - to so običajne rakete na gorivo in električne rakete na sončni pogon.
Kemični pogonski sistemi zagotavljajo veliko potiska, vendar niso posebej učinkoviti, raketno gorivo pa ni zelo energetsko intenzivno. Raketa Saturn 5, ki je na Luno prevažala astronavte, je ob vzletu dostavila 35 milijonov newtonskih sil in prenesla 950.000 litrov (4.318.787 litrov) goriva. Večina je šla v to, da bi raketo spravili v orbito, zato so omejitve očitne: kamor koli greste, potrebujete veliko težkega goriva.
Električni pogonski sistemi ustvarjajo potisk s pomočjo električne energije iz sončnih panelov. Najpogostejši način za dosego tega je uporaba električnega polja za pospeševanje ionov, kot je Hallov indukcijski potisnik. Te naprave se uporabljajo za napajanje satelitov, njihova težo učinkovitost pa je petkrat večja od kemičnih sistemov. Toda hkrati dajejo veliko manj potiska - približno 3 newtone. To je dovolj le za pospešitev avtomobila od 0 do 100 kilometrov na uro v približno dveh urah in pol. Sonce je v bistvu vir energije brez dna, toda ko se ladja oddalji od njega, manj je uporabna.
Eden od razlogov, zakaj jedrske rakete še posebej obetajo, je njihova neverjetna energijska intenzivnost. Uranovo gorivo, ki se uporablja v jedrskih reaktorjih, ima 4 milijone večjo energijsko intenzivnost hidrazina, tipičnega raketnega goriva. In uran je veliko lažje spraviti v vesolje kot na stotine tisoč litrov goriva.
Kaj pa oprijem in učinkovitost teže?
Dve jedrski možnosti
Za potovanja v vesolje so inženirji razvili dve glavni vrsti jedrskih sistemov.
Prvi je termonuklearni motor. Ti sistemi so zelo močni in zelo učinkoviti. Za ogrevanje plina (kot vodik) uporabljajo majhen reaktor jedrske cepitve - kot tisti na jedrskih podmornicah. Ta plin se nato pospeši skozi raketno šobo, da se zagotovi potisk. Nasini inženirji so izračunali, da bo potovanje na Mars z uporabo fuzijskega motorja za 20-25% hitrejše kot raketa s kemičnim motorjem.
Fuzijski motorji so več kot dvakrat učinkovitejši od kemičnih. To pomeni, da oddajo dvakrat več potiska za isto količino goriva - do 100.000 Newtonov potiska. To je dovolj za pospešitev avtomobila do 100 kilometrov na uro v približno četrtini sekunde.
Drugi sistem je jedrski električni raketni motor (NEP). Nobena od njih še ni bila ustvarjena, ideja pa je, da bi za proizvodnjo električne energije uporabili močan fisalni reaktor, ki bo nato poganjal električni pogonski sistem kot Hallov motor. To bi bilo zelo učinkovito - približno trikrat učinkovitejši od fuzijskega motorja. Ker je moč jedrskega reaktorja ogromna, lahko hkrati deluje več ločenih elektromotorjev, potisk pa se bo izkazal za trdno.
Jedrski raketni motorji so morda najboljša izbira za izredno dolge misije: ne potrebujejo sončne energije, so zelo učinkoviti in zagotavljajo razmeroma velik potisk. Toda zaradi svoje obetavne narave ima pogonski sistem za jedrsko energijo še vedno veliko tehničnih težav, ki jih bo treba rešiti, preden začnemo uporabljati.
Zakaj še vedno ni raket z jedrskim pogonom?
Fuzijske motorje so preučevali od šestdesetih let prejšnjega stoletja, vendar še niso leteli v vesolje.
V skladu z listino iz sedemdesetih let prejšnjega stoletja je bil vsak jedrski vesoljski projekt obravnavan ločeno in brez odobritve številnih vladnih agencij in samega predsednika ni mogel nadaljevati. Skupaj s pomanjkanjem finančnih sredstev za raziskave jedrskih raketnih sistemov je to preprečilo nadaljnji razvoj jedrskih reaktorjev za uporabo v vesolju.
A vse to se je spremenilo avgusta 2019, ko je Trumpova administracija izdala predsedniški memorandum. Čeprav vztraja pri največji varnosti jedrskih izstrelkov, nova direktiva še vedno dovoljuje jedrske misije z majhnimi količinami radioaktivnih snovi brez zapletene medresorske odobritve. Zadošča potrditev sponzorske agencije, kot je NASA, da misija ustreza varnostnim priporočilom. Velike jedrske misije potekajo po istih postopkih kot doslej.
Skupaj s to revizijo pravil je NASA iz proračuna za leto 2019 prejela 100 milijonov dolarjev za razvoj termonuklearnih motorjev. Agencija za napredne raziskovalne projekte na področju obrambe razvija tudi termonuklearni vesoljski motor za nacionalne varnostne operacije izven orbite Zemlje.
Po 60 letih stagnacije je možno, da bo jedrska raketa v desetletje odšla v vesolje. Ta neverjeten dosežek bo spodbudil novo obdobje raziskovanja vesolja. Človek bo odšel na Mars, znanstveni poskusi pa bodo pripeljali do novih odkritij po celotnem osončju in širše.
Iane Boyd je profesor vesoljskega inženiringa na Univerzi v Koloradu v Boulderju