O nouă eră a explorării spațiului în spatele motoarelor de rachete de fuziune

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

NASA și Elon Musk visează la Marte, iar misiunile în spațiul profund cu echipaj cu echipaj vor deveni în curând realitate. Probabil vei fi surprins, dar rachetele moderne zboară puțin mai repede decât rachetele din trecut.

Navele spațiale rapide sunt mai convenabile dintr-o varietate de motive, iar cea mai bună modalitate de a accelera este prin rachete cu propulsie nucleară. Acestea au multe avantaje față de rachetele convenționale alimentate cu combustibil sau rachetele electrice moderne alimentate cu energie solară, dar în ultimii 40 de ani, Statele Unite au lansat doar opt rachete cu propulsie nucleară.

Cu toate acestea, în ultimul an, legile privind călătoriile nucleare în spațiu s-au schimbat, iar lucrările la următoarea generație de rachete au început deja.

De ce este nevoie de viteza?

În prima etapă a oricărui zbor în spațiu, este nevoie de un vehicul de lansare - acesta duce nava pe orbită. Aceste motoare mari funcționează cu combustibili combustibili - și, de obicei, când vine vorba de lansarea de rachete, ele sunt menite. Nu vor merge nicăieri prea curând - la fel ca forța gravitației.

Dar când nava intră în spațiu, lucrurile devin mai interesante. Pentru a depăși gravitația Pământului și a merge în spațiul profund, nava are nevoie de o accelerație suplimentară. Aici intervin sistemele nucleare. Dacă astronauții vor să exploreze ceva dincolo de Lună sau chiar mai mult Marte, vor trebui să se grăbească. Cosmosul este imens, iar distanțele sunt destul de mari.

Există două motive pentru care rachetele rapide sunt mai potrivite pentru călătoriile spațiale pe distanțe lungi: siguranța și timpul.

În drum spre Marte, astronauții se confruntă cu niveluri foarte ridicate de radiații, pline de probleme grave de sănătate, inclusiv cancer și infertilitate. Protecția împotriva radiațiilor poate ajuta, dar este extrem de grea și cu cât misiunea este mai lungă, cu atât va fi nevoie de ecranare mai puternică. Prin urmare, cel mai bun mod de a reduce doza de radiații este pur și simplu să ajungeți mai repede la destinație.

Dar siguranța echipajului nu este singurul beneficiu. Cu cât planificăm zboruri mai îndepărtate, cu atât avem nevoie mai devreme de date din misiunile fără pilot. Voyager 2 i-a luat 12 ani pentru a ajunge la Neptun - și, în timp ce a zburat, a făcut niște imagini incredibile. Dacă Voyager ar fi avut un motor mai puternic, aceste fotografii și date ar fi apărut la astronomi mult mai devreme.

Deci viteza este un avantaj. Dar de ce sistemele nucleare sunt mai rapide?

Sistemele de astăzi

După ce a depășit forța gravitațională, nava trebuie să ia în considerare trei aspecte importante.

Împingere- ce accelerație va primi nava.

Eficiență în greutate- câtă forță poate produce sistemul pentru o anumită cantitate de combustibil.

Consum specific de energie- câtă energie emite o anumită cantitate de combustibil.

Astăzi, cele mai comune motoare chimice sunt rachetele convenționale alimentate cu combustibil și rachetele electrice alimentate cu energie solară.

Sistemele de propulsie chimică oferă multă forță, dar nu sunt deosebit de eficiente, iar combustibilul pentru rachete nu consumă foarte mult energie. Racheta Saturn 5 care a transportat astronauți pe Lună a furnizat 35 de milioane de newtoni de forță la decolare și a transportat 950.000 de galoane (4.318.787 litri) de combustibil. Cea mai mare parte a intrat în punerea rachetei pe orbită, așa că limitările sunt evidente: oriunde ai merge, ai nevoie de mult combustibil greu.

Sistemele de propulsie electrică generează tracțiune folosind electricitatea de la panourile solare. Cea mai comună modalitate de a realiza acest lucru este utilizarea unui câmp electric pentru a accelera ionii, de exemplu, ca într-un propulsor cu inducție Hall. Aceste dispozitive sunt folosite pentru alimentarea sateliților, iar eficiența lor în greutate este de cinci ori mai mare decât a sistemelor chimice. Dar, în același timp, dau mult mai puțină tracțiune - aproximativ 3 newtoni. Acest lucru este suficient pentru a accelera mașina de la 0 la 100 de kilometri pe oră în aproximativ două ore și jumătate. Soarele este în esență o sursă de energie fără fund, dar cu cât nava se îndepărtează mai mult de el, cu atât este mai puțin utilă.

Unul dintre motivele pentru care rachetele nucleare sunt deosebit de promițătoare este intensitatea lor energetică incredibilă. Combustibilul cu uraniu folosit în reactoarele nucleare are un conținut de energie de 4 milioane de ori mai mare decât hidrazina, un combustibil chimic tipic pentru rachete. Și este mult mai ușor să duci niște uraniu în spațiu decât sute de mii de galoane de combustibil.

Dar eficiența tracțiunii și a greutății?

Două opțiuni nucleare

Pentru călătoriile în spațiu, inginerii au dezvoltat două tipuri principale de sisteme nucleare.

Primul este un motor termonuclear. Aceste sisteme sunt foarte puternice și foarte eficiente. Ei folosesc un mic reactor de fisiune nucleară - ca cele de pe submarinele nucleare - pentru a încălzi un gaz (cum ar fi hidrogenul). Acest gaz este apoi accelerat prin duza rachetei pentru a furniza forță. Inginerii NASA au calculat că o călătorie pe Marte folosind un motor termonuclear va fi cu 20-25% mai rapidă decât o rachetă cu un motor chimic.

Motoarele cu fuziune sunt de peste două ori mai eficiente decât cele chimice. Aceasta înseamnă că furnizează de două ori mai multă forță pentru aceeași cantitate de combustibil - până la 100.000 de Newtoni de tracțiune. Acest lucru este suficient pentru a accelera mașina la o viteză de 100 de kilometri pe oră în aproximativ un sfert de secundă.

Al doilea sistem este un motor nuclear electric rachetă (NEPE). Niciuna dintre acestea nu a fost încă creată, dar ideea este de a folosi un reactor de fisiune puternic pentru a genera electricitate, care va alimenta apoi un sistem de propulsie electrică precum un motor Hall. Ar fi foarte eficient - de aproximativ trei ori mai eficient decât un motor de fuziune. Deoarece puterea unui reactor nuclear este enormă, mai multe motoare electrice separate pot funcționa în același timp, iar forța se va dovedi solidă.

Motoarele de rachete nucleare sunt poate cea mai bună alegere pentru misiunile cu rază extrem de lungă de acțiune: nu necesită energie solară, sunt foarte eficiente și oferă o tracțiune relativ mare. Dar, cu toată natura lor promițătoare, sistemul de propulsie nucleară are încă o mulțime de probleme tehnice care vor trebui rezolvate înainte de a fi puse în funcțiune.

De ce nu există încă rachete cu propulsie nucleară?

Motoarele termonucleare au fost studiate încă din anii 1960, dar încă nu au zburat în spațiu.

Conform chartei anilor 1970, fiecare proiect spațial nuclear a fost luat în considerare separat și nu putea merge mai departe fără aprobarea unui număr de agenții guvernamentale și a președintelui însuși. Împreună cu lipsa de finanțare pentru cercetarea sistemelor de rachete nucleare, acest lucru a împiedicat dezvoltarea în continuare a reactoarelor nucleare pentru utilizare în spațiu.

Dar totul s-a schimbat în august 2019, când administrația Trump a emis un memorandum prezidențial. În timp ce insistă asupra siguranței maxime a lansărilor nucleare, noua directivă permite în continuare misiuni nucleare cu cantități reduse de material radioactiv fără o aprobare complicată între agenții. Este suficientă confirmarea de către o agenție de sponsorizare, cum ar fi NASA, că misiunea este în conformitate cu recomandările de siguranță. Misiunile nucleare mari trec prin aceleași proceduri ca înainte.

Odată cu această revizuire a regulilor, NASA a primit 100 de milioane de dolari din bugetul 2019 pentru dezvoltarea motoarelor termonucleare. Defence Advanced Research Projects Agency dezvoltă, de asemenea, un motor spațial termonuclear pentru operațiunile de securitate națională dincolo de orbita Pământului.

După 60 de ani de stagnare, este posibil ca o rachetă nucleară să ajungă în spațiu într-un deceniu. Această realizare incredibilă va introduce o nouă eră a explorării spațiului. Omul va merge pe Marte, iar experimentele științifice vor duce la noi descoperiri în tot sistemul solar și nu numai.