NASA razvija jedrsko raketo, s katero bo Mars dosegla v samo 45 dneh

Živimo v obdobju ponovnega raziskovanja vesolja, pri čemer več agencij v prihodnjih letih načrtuje pošiljanje astronavtov na Luno. V naslednjem desetletju bosta Nasa in Kitajska na Mars poslali posadke, kmalu pa se jima lahko pridružijo še druge države. Te in druge misije, ki bodo astronavte popeljale izven nizke Zemljine orbite (LOO) in sistema Zemlja-Luna, zahtevajo nove tehnologije, ki segajo od podpore življenju in zaščite pred sevanjem do energije in pogona. In ko gre za slednje, je Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) glavni kandidat za zmago!

V okviru programa NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) 2023 je NASA za prvo fazo razvoja izbrala jedrski koncept. Ta novi razred bimodalnih jedrskih elektrarn uporablja "valovni cikel pospeševanja rotorja" in lahko skrajša čas leta do Marsa na 45 dni.

Predlog, imenovan Bimodal NTP/NEP s ciklom pospeševanja valovnega rotorja, je predstavil profesor Ryan Gosse, direktor hiperzvočnega programa na Univerzi na Floridi in član ekipe Floridskega programa za uporabne raziskave v inženirstvu (FLARE). Gossejev predlog je eden od 14, ki jih je NAIC letos izbral za prvo fazo razvoja, ki vključuje nepovratna sredstva v višini 12 $ za pomoč pri razvoju tehnologij in metod, povezanih s projektom. Druge ponudbe so vključevale inovativne senzorje, instrumente, proizvodne tehnologije, sisteme napajanja in drugo.

Jedrska energija se v bistvu skrči na dva koncepta, ki se oba opirata na tehnologije, ki so bile temeljito testirane in preverjene. Pri jedrskem toplotnem pogonu (NTP) je cikel sestavljen iz jedrskega reaktorja, ki segreje tekoči vodik (LH2) in ga spremeni v ioniziran vodikov plin (plazmo), ki se nato usmeri skozi šobe za ustvarjanje potiska. Izdelanih je bilo več poskusov izdelave testne različice tega pogonskega sistema, vključno s projektom Rover, skupni projekt ameriških zračnih sil in Komisije za atomsko energijo, ki se je začel leta 1955.

Leta 1959 je NASA prevzela vodenje od ameriških zračnih sil in program je vstopil v novo fazo, namenjeno aplikacijam za vesoljske polete. Končno je to pripeljalo do jedrskega pogona za raketna vozila (NERVA), jedrskega reaktorja s trdnim jedrom, ki je bil uspešno testiran. S koncem obdobja Apolla leta 1973 je bilo financiranje programa drastično zmanjšano, kar je privedlo do njegove odpovedi, preden so bili izvedeni kakršni koli preizkusi letenja.

Po drugi strani se jedrski električni pogon (NEP) zanaša na jedrski reaktor za pogon Hallovega potisnika (ionskega potisnika), ki ustvarja elektromagnetno polje, ki ionizira in pospešuje inertni plin (kot je ksenon) za ustvarjanje potiska. Prizadevanja za razvoj te tehnologije vključujejo Nasin projekt Prometheus v okviru Pobude za jedrske sisteme (NSI).

Oba sistema imata pomembne prednosti pred tradicionalnimi kemičnimi motorji, vključno z višjim specifičnim impulzom (Isp), učinkovitostjo goriva in skoraj neomejeno energijsko gostoto. Čeprav se koncepta razlikujeta po tem, da zagotavljata specifični impulz nad 10 tisoč sekund, torej lahko vzdržujeta potisk skoraj tri ure, je stopnja potiska v primerjavi s klasičnimi raketami in NTP precej nizka.

Potreba po viru električne energije, je dejal Gosse, odpira tudi vprašanje odvajanja toplote v prostoru, kjer je pretvorba toplotne energije 30-40% v idealnih pogojih. In medtem ko so zasnove NERVA-e NTP najboljša metoda za misije s posadko na Mars in dlje, ima ta metoda tudi težave z zagotavljanjem ustreznih začetnih in končnih masnih deležev za misije z visokim valom delta.

Zato imajo prednost predlogi, ki vključujejo oba načina gibanja (bimodal), saj združujejo prednosti obeh. Gossejev predlog vključuje bimodalno zasnovo, ki temelji na reaktorju na trda goriva NERVA, ki bi zagotovil specifični impulz (Isp) 900 sekund, kar je dvakrat več od trenutne zmogljivosti kemičnih raket.

Gossejev predlagani cikel vključuje tudi valovni ojačevalnik tlaka ali valovni rotor (WR), tehnologijo, ki se uporablja v motorjih z notranjim zgorevanjem in uporablja tlačne valove, ki nastanejo zaradi kompresijske reakcije vsesanega zraka.

Skupaj z motorjem NTP bo WR uporabil tlak, ki nastane s segrevanjem goriva LH2 v reaktorju, za nadaljnje stiskanje reakcijske mase. Kot obljublja Gosse, bo to zagotovilo stopnje potiska, primerljive s tistimi pri konceptu NTP razreda NERVA, vendar s časom izstrelitve 1400–2000 sekund. Gosse pravi, da se v kombinaciji s ciklom NEP stopnja hrepenenja še poveča.

Če uporabimo običajne motorje, lahko misija s posadko na Mars traja do tri leta. Te misije se bodo začele vsakih 26 mesecev, ko bosta Zemlja in Mars na največji razdalji (tako imenovana Marsova opozicija), v tranzitu pa bodo preživele vsaj šest do devet mesecev.

45-dnevni (šest tednov in pol) tranzit bi zmanjšal skupni čas misije na mesece namesto na leta. To bi močno zmanjšalo glavna tveganja, povezana z misijami na Mars, vključno z izpostavljenostjo sevanju, časom, preživetim v mikrogravitaciji, in s tem povezanimi zdravstvenimi težavami.

Poleg elektrarn obstajajo predlogi za nove zasnove reaktorjev, ki bi zagotavljali stabilno oskrbo z energijo za dolgotrajne zemeljske misije, kjer sončna in vetrna energija nista vedno na voljo.

Primeri vključujejo Nasin kilovatni reaktor, ki uporablja tehnologijo Sterling (KRUSTY) in Fisijski/fuzijski hibridni reaktor, izbran za Nasino prvo fazo razvoja v okviru programa NAIC 2023. Te in druge jedrske tehnologije lahko nekega dne omogočijo misije s posadko na Mars in druga mesta v globokem vesolju , morda prej, kot si mislimo!

Zanimivo tudi:

• Zakaj je NASA Venero imenovala Zemljina "zlobna dvojčica"?
• Nasin teleskop Webb je odkril svoj prvi eksoplanet