Сонячна система - це дійсно велике місце, і їй потрібно вічно подорожувати зі світу в світ традиційними хімічними ракетами. Але одна техніка, розроблена ще в 1960-х роках, може дати спосіб кардинально скоротити наші часи подорожей: ядерні ракети.
Звичайно, запуск ракети, що працює на радіоактивних матеріалах, також має свої ризики. Чи варто спробувати?
Скажімо, ви хотіли відвідати Марс за допомогою хімічної ракети. Ви б підірвались із Землі і вийшли на низьку орбіту Землі. Потім у потрібний момент ви вистрілите ракету, піднявши орбіту із Сонця. Нова еліптична траєкторія, якою ви рухаєтесь, перетинає Марс після восьми місяців польоту.
Це відоме як трансфер Гомана, і це найефективніший спосіб, як ми знаємо, як подорожувати в космосі, використовуючи найменшу кількість ракетного палива та найбільшу кількість корисного вантажу. Проблема, звичайно, - це час, який потрібно. Протягом усієї подорожі космонавти будуть споживати їжу, воду, повітря та піддаватись довгому випромінюванню глибокого космосу. Тоді місія повернення подвоює потребу в ресурсах і подвоює радіаційне навантаження.
Треба йти швидше.
Виявляється, NASA майже 50 років думає про те, що буде наступним після хімічних ракет.
Ядерні теплові ракети. Вони, безумовно, пришвидшують подорож, але вони не без власних ризиків, тому ви їх не бачили. Але, можливо, їх час тут.
У 1961 році НАСА та Комісія з атомної енергії спільно працювали над ідеєю ядерного теплового двигуна, або НТП. Це був першопрохідцем Вернер фон Браун, який сподівався, що людські місії будуть летіти на Марс у 1980-х роках на крилах ядерних ракет.
Що ж, цього не сталося. Але вони виконали кілька успішних випробувань ядерного теплового двигуна і продемонстрували, що це працює.
Хоча хімічна ракета працює, розпалюючи якусь горючу хімічну речовину, а потім витісняючи вихлопні гази з форсунки. Завдяки третьому доброму старому закону Ньютона, ви знаєте, що на кожну дію є рівнозначна і протилежна реакція, ракета отримує тягу у зворотному напрямку від викинутих газів.
Ядерна ракета працює аналогічно. Куля розміром з мармуром уранового палива проходить процес поділу, вивільняючи величезну кількість тепла. Це нагріває водень до майже 2500 С, який потім виштовхується із задньої частини ракети з великою швидкістю. Дуже дуже велика швидкість, що дає ракеті два-три рази ефективність руху хімічної ракети.
Пам'ятаєте 8 місяців, про які я згадував хімічну ракету? Ядерна теплова ракета могла скоротити час транзиту навпіл, можливо, навіть 100-денні поїздки на Марс. Що означає менше ресурсів, що споживаються космонавтами, і менше радіаційне навантаження.
І є ще одна велика користь. Тяга ядерної ракети може дати можливість виконувати місії, коли Земля та Марс не ідеально вирівняні. Зараз, якщо ви пропустите своє вікно, вам доведеться почекати ще 2 роки, але ядерна ракета може дати вам поштовх для подолання затримок польоту.
Перші випробування ядерних ракет розпочалися в 1955 році з Project Rover в науковій лабораторії в Лос-Аламосі. Ключовою розробкою було мініатюризація реакторів достатньо, щоб можна було поставити їх на ракету. Протягом наступних кількох років інженери побудували та випробували більше десятка реакторів різного розміру та потужності.
З успіхом Project Rover НАСА визначила людські місії на Марс, які слідкували за землею Аполлона на Місяці. Через відстань та час польоту вони вирішили, що ядерні ракети стануть ключем до того, щоб зробити місії більш спроможними.
Ядерні ракети, звичайно, не без своїх ризиків. Реактор на борту був би невеликим джерелом випромінювання для екіпажу космонавтів на борту, це переважало б за зменшеним часом польоту. Сам глибокий космос становить величезну радіаційну небезпеку, постійне галактичне космічне випромінювання пошкоджує ДНК космонавта.
Наприкінці 1960-х NASA створила програму "Ядерний двигун для ракетних транспортних засобів", або NERVA, розробивши технології, які стануть ядерними ракетами, які доставлять людей на Марс.
Вони випробували більші, більш потужні ядерні ракети в пустелі Невада, вивівши високошвидкісний газ водню прямо в атмосферу. Екологічні закони були тоді набагато менш суворі.
Перший NERVA NRX був зрештою випробуваний протягом майже двох годин, маючи 28 хвилин на повній потужності. А другий двигун був запущений 28 разів і пробіг 115 хвилин.
На завершення вони випробували найпотужніший ядерний реактор, який коли-небудь будували, реактор Phoebus-2A, здатний генерувати 4 000 мегават енергії. Проштовхування протягом 12 хвилин.
Хоча різні компоненти ніколи насправді не збиралися в готову до польоту ракету, інженери були впевнені, що ядерна ракета задовольнить потреби польоту на Марс.
Але тоді США вирішили, що більше не хочуть їхати на Марс. Натомість вони хотіли космічний човник.
Програму було закрито в 1973 році, і з тих пір ніхто не випробовував ядерні ракети.
Але останні досягнення в галузі техніки зробили ядерну теплову установку більш привабливою. Ще в 1960-х роках єдиним джерелом палива, яким вони могли користуватися, був високо збагачений уран. Але зараз інженери думають, що їм вдасться обійтись низькозбагаченим ураном.
Це було б безпечніше працювати, і дозволило б більше ракетних установок виконувати випробування. Також було б простіше захопити радіоактивні частинки у вихлоп і належним чином утилізувати їх. Це призведе до зниження загальних витрат на роботу з технологією.
22 травня 2019 року Конгрес США схвалив 125 мільйонів доларів фінансування на розробку ракет ядерного теплового рушія. Незважаючи на те, що ця програма не має ніякої ролі, коли Артеміда 2024 року НАСА повернеться на Місяць, вона, цитуючи, - «закликає NASA розробити багаторічний план, який дозволяє демонструвати ядерну теплову установку, включаючи часові шкали, пов'язані з космічною демонстрацією. та опис майбутніх місій, систем приведення в дію та енергосистеми, передбачених цією можливістю ".
Ядерний поділ - це один із способів використання сили атома. Звичайно, він потребує збагаченого урану і утворює токсичні радіоактивні відходи. Що з синтезом? Де атоми водню видавлюються в гелій, вивільняючи енергію?
Сонце розробило синтез завдяки величезній масі та температурі основи, але стійкий, енергетично позитивний синтез був невловимим нами, маленькими людьми.
Величезні експерименти на зразок ITER в Європі сподіваються підтримувати енергію синтезу протягом наступного десятиліття. Після цього ви можете уявити, що термоядерні реактори мініатюризуються до того, що вони можуть виконувати ту саму роль, що і реактор поділу в ядерній ракеті. Але навіть якщо ви не можете отримати термоядерні реактори до того, що вони мають позитивну чисту енергію, вони все одно можуть забезпечити величезне прискорення для великої маси.
І, можливо, нам не потрібно чекати десятиліть. Дослідницька група в Принстонській лабораторії фізики плазми працює над концепцією під назвою Direct Fusion Drive, яка, на їхню думку, може бути готова набагато швидше.
Він заснований на термоядерному реакторі Прінстон-Повернення конфігурації, розробленому в 2002 році Семюелем Коеном. Гаряча плазма гелію-3 і дейтерію містяться в магнітній ємності. Гелій-3 є рідкісним на Землі і цінний, оскільки реакції синтезу з ним не утворюють такої ж кількості небезпечних випромінювань або ядерних відходів, що й інші реактори синтезу чи поділу.
Як і у випадку з ракеткою для поділу, термоядерна ракета нагріває пропелент до високих температур, а потім продуває його назад, створюючи тягу.
Це працює, вишикуючи купу лінійних магнітів, які містять і крутяться дуже гарячою плазмою. Антени навколо плазми налаштовані на питому частоту іонів і створюють струм у плазмі. Їх енергія накачується аж до того, що атоми зливаються, вивільняючи нові частинки. Ці частинки блукають через утримувальне поле, поки їх не захоплять лінії магнітного поля і вони не прискоряться на задній частині ракети.
Теоретично термоядерна ракета могла б забезпечити 2,5 - 5 ньютонів тяги на мегават, з конкретним імпульсом 10000 секунд - пам'ятайте, 850 з ракет деляться і 450 з хімічних ракет. Це також виробляло б електроенергію, необхідну космічному апарату далеко від Сонця, де сонячні батареї не дуже ефективні.
Прямий привід Fusion був би здатний здійснити 10 тонну місію до Сатурна всього за 2 роки, або 1-тонний космічний корабель від Землі до Плутона приблизно за 4 роки. Нових горизонтів потрібно було майже 10.
Оскільки це також 1-мегаватний термоядерний реактор, він також забезпечить живлення для всіх приладів космічного корабля, коли він прибуде. Набагато більше, ніж ядерні батареї, які зараз несуть глибокі космічні місії, такі як Voyager та New Horizons.
Уявіть, які види міжзоряних місій можуть бути на столі і з цією технологією.
І супутникові системи Принстона - не єдина група, яка працює над такою системою. Прикладні системи синтезу подали заявку на патент на двигун з ядерним плавленням, який міг би забезпечити тягу космічним кораблям.
Я знаю, що минуло десятиліття, коли NASA серйозно випробувала ядерні ракети як спосіб скоротити час польоту, але схоже, що технологія повернулася. Протягом наступних кількох років я очікую побачити нове обладнання та нові випробування систем ядерного теплового двигуна. І я надзвичайно схвильований можливістю фактичних приводів синтезу, що переносять нас в інші світи. Як завжди, будьте в курсі, я повідомлю вам, коли хтось дійсно літає.
