ناسا در حال توسعه یک موشک هسته ای است که تنها در 45 روز به مریخ می رسد

ما در عصری از اکتشافات فضایی تازه زندگی می کنیم، با چندین آژانس برنامه ریزی برای فرستادن فضانوردان به ماه در سال های آینده. در دهه آینده، ناسا و چین خدمه ای را به مریخ خواهند فرستاد و کشورهای دیگر نیز ممکن است به زودی به آنها بپیوندند. این ماموریت‌ها و مأموریت‌های دیگر که فضانوردان را به فراتر از مدار پایین زمین (LOO) و سیستم زمین-ماه می‌برد، به فناوری‌های جدیدی از پشتیبانی از حیات و حفاظت در برابر تشعشع تا انرژی و نیروی محرکه نیاز دارند. و وقتی صحبت از دومی می شود، پیشرانه هسته ای حرارتی و الکتریکی هسته ای (NTP/NEP) مدعی اصلی پیروزی است!

به عنوان بخشی از برنامه مفاهیم پیشرفته نوآورانه ناسا (NIAC) 2023، ناسا یک مفهوم هسته ای را برای مرحله اول توسعه انتخاب کرده است. این کلاس جدید از نیروگاه های هسته ای دو وجهی از "چرخه موج شتاب روتور" استفاده می کند و می تواند زمان پرواز به مریخ را به 45 روز کاهش دهد.

این پیشنهاد که Bimodal NTP/NEP با چرخه شتاب روتور موج نامیده می شود، توسط پروفسور رایان گوس، مدیر برنامه هایپرسونیک در دانشگاه فلوریدا و عضو تیم برنامه فلوریدا برای تحقیقات کاربردی در مهندسی (FLARE) ارائه شده است. پیشنهاد Gosse یکی از 14 موردی است که امسال توسط NAIC برای مرحله اول توسعه انتخاب شده است که شامل 12 دلار کمک مالی برای کمک به توسعه فناوری ها و روش های مرتبط با پروژه است. سایر پیشنهادات شامل حسگرهای نوآورانه، ابزار دقیق، فناوری‌های تولید، سیستم‌های قدرت و موارد دیگر بود.

انرژی هسته ای اساساً به دو مفهوم خلاصه می شود که هر دو بر فناوری هایی تکیه دارند که به طور کامل آزمایش و تأیید شده اند. برای پیشرانه حرارتی هسته ای (NTP)، چرخه شامل یک راکتور هسته ای است که هیدروژن مایع (LH2) را گرم می کند و آن را به گاز هیدروژن یونیزه (پلاسما) تبدیل می کند، که سپس از طریق نازل ها هدایت می شود تا نیروی رانش ایجاد کند. چندین تلاش برای ایجاد نسخه آزمایشی این پیشرانه از جمله پروژه انجام شده است مریخ نوردپروژه مشترک نیروی هوایی آمریکا و کمیسیون انرژی اتمی که در سال 1955 راه اندازی شد.

در سال 1959، ناسا نیروی هوایی ایالات متحده را تحویل گرفت و این برنامه وارد مرحله جدیدی شد که به برنامه های پرواز فضایی اختصاص داشت. این در نهایت منجر به پیشرانه هسته ای برای وسایل نقلیه موشکی (NERVA) شد، یک راکتور هسته ای با هسته جامد که با موفقیت آزمایش شد. با پایان دوره آپولو در سال 1973، بودجه این برنامه به شدت کاهش یافت و منجر به لغو آن قبل از انجام هر گونه آزمایش پرواز شد.

از سوی دیگر، پیشرانه الکتریکی هسته‌ای (NEP) به یک راکتور هسته‌ای متکی است تا یک رانشگر اثر هال (پیش رانش یونی) را تامین کند که یک میدان الکترومغناطیسی تولید می‌کند که گاز بی‌اثر (مانند زنون) را یونیزه می‌کند و شتاب می‌دهد تا نیروی رانش ایجاد کند. تلاش‌ها برای توسعه این فناوری شامل پروژه پرومتئوس ناسا تحت ابتکار سیستم‌های هسته‌ای (NSI) است.

هر دو سیستم دارای مزایای قابل توجهی نسبت به موتورهای شیمیایی سنتی هستند، از جمله ضربه ویژه بالاتر (Isp)، راندمان سوخت و چگالی انرژی تقریبا نامحدود. اگرچه مفاهیم از این جهت متفاوت است که یک ضربه خاص بیش از 10 هزار ثانیه ارائه می دهند، یعنی می توانند رانش را برای تقریباً سه ساعت حفظ کنند، سطح رانش در مقایسه با موشک های معمولی و NTP ها بسیار پایین است.

گوس گفت که نیاز به یک منبع انرژی الکتریکی، مسئله اتلاف گرما در فضا را نیز مطرح می کند، جایی که تبدیل انرژی حرارتی در شرایط ایده آل 30 تا 40 درصد است. و در حالی که طرح‌های NTP NERVA بهترین روش برای مأموریت‌های سرنشین‌دار به مریخ و فراتر از آن است، این روش همچنین با ارائه کسر جرم اولیه و نهایی کافی برای مأموریت‌های با موج بلند مثلثی مشکل دارد.

به همین دلیل است که پیشنهادهایی که شامل هر دو روش حرکت (bimodal) هستند ترجیح داده می شوند، زیرا آنها مزایای هر دو را ترکیب می کنند. پیشنهاد Gosse شامل یک طراحی دووجهی بر اساس راکتور سوخت جامد NERVA است که یک ضربه خاص (Isp) 900 ثانیه، دو برابر عملکرد فعلی موشک های شیمیایی را ارائه می دهد.

چرخه پیشنهادی Gosse همچنین شامل تقویت کننده فشار موج یا روتور موج (WR) است، یک فناوری مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی که از امواج فشار ایجاد شده توسط واکنش فشرده سازی هوای ورودی استفاده می کند.

در جفت شدن با یک موتور NTP، WR از فشار ایجاد شده با گرم کردن سوخت LH2 در راکتور برای فشرده سازی بیشتر توده واکنش استفاده می کند. همانطور که Gosse قول داده است، این سطوح رانش قابل مقایسه با مفهوم NTP کلاس NERVA را فراهم می کند، اما با زمان راه اندازی 1400-2000 ثانیه. گوس می‌گوید وقتی با چرخه NEP ترکیب می‌شود، سطح ولع حتی بیشتر می‌شود.

اگر از موتورهای معمولی استفاده شود، یک ماموریت سرنشین دار به مریخ می تواند تا سه سال طول بکشد. این ماموریت ها هر 26 ماه یک بار در زمانی که زمین و مریخ در نزدیک ترین فاصله خود قرار دارند (به اصطلاح مخالف مریخی) پرتاب می شوند و حداقل XNUMX تا XNUMX ماه را در گذر سپری می کنند.

یک ترانزیت 45 روزه (شش هفته و نیم) کل زمان ماموریت را به جای سال ها به ماه ها کاهش می دهد. این امر خطرات اصلی مرتبط با مأموریت‌های مریخ، از جمله قرار گرفتن در معرض تشعشع، زمان صرف شده در گرانش ریز و مشکلات مربوط به سلامتی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

علاوه بر نیروگاه‌ها، پیشنهادهایی برای طرح‌های راکتور جدید وجود دارد که منبع تغذیه پایداری را برای مأموریت‌های زمینی طولانی‌مدت که در آن انرژی خورشیدی و بادی همیشه در دسترس نیست، فراهم می‌کند.

به عنوان مثال می توان به رآکتور کیلوواتی ناسا با استفاده از فناوری استرلینگ (KRUSTY) و راکتور هیبریدی شکافت/فوژن که برای فاز اول توسعه ناسا تحت برنامه NAIC 2023 انتخاب شده است. ، شاید زودتر از آنچه فکر می کنیم!

همچنین جالب:

• چرا ناسا زهره را "همزاد شیطانی" زمین نامید؟
• تلسکوپ وب ناسا اولین سیاره فراخورشیدی خود را کشف کرد