Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

For sikkert at udforske solsystemet og videre, rumskibe skal gå hurtigere – atomdrevne raketter kan være svaret

En kunstners indtryk af, hvordan et nukleart termisk skib bygget til at tage mennesker til Mars kunne se ud.John Frassanito &Associates/Wikipedia

Med drømme om Mars i hovedet på både NASA og Elon Musk, langdistance bemandede missioner gennem rummet kommer. Men du bliver måske overrasket over at høre, at moderne raketter ikke går så meget hurtigere end fortidens raketter.

Der er mange grunde til, at et hurtigere rumskib er et bedre, og atomdrevne raketter er en måde at gøre dette på. De tilbyder mange fordele i forhold til traditionelle brændstofbrændende raketter eller moderne solcelledrevne elektriske raketter, men der har kun været otte amerikanske rumopsendelser med atomreaktorer i de sidste 40 år.

Imidlertid, sidste år ændrede lovene, der regulerer nukleare rumflyvninger, sig, og arbejdet er allerede begyndt på denne næste generation af raketter.

Hvorfor behovet for hastighed?

Det første trin på en rumrejse involverer brugen af ​​affyringsraketter for at få et skib i kredsløb. Det er de store brændstofbrændende motorer, folk forestiller sig, når de tænker på raketopsendelser, og de vil sandsynligvis ikke forsvinde inden for en overskuelig fremtid på grund af tyngdekraftens begrænsninger.

Det er, når et skib når rummet, at tingene bliver interessante. For at undslippe Jordens tyngdekraft og nå destinationer i det dybe rum, skibe har brug for yderligere acceleration. Det er her, nukleare systemer kommer i spil. Hvis astronauter vil udforske noget længere end Månen og måske Mars, de bliver nødt til at gå meget meget hurtigt. Pladsen er enorm, og alt er langt væk.

Der er to grunde til, at hurtigere raketter er bedre til langdistance-rumrejser:sikkerhed og tid.

Astronauter på en tur til Mars vil blive udsat for meget høje niveauer af stråling, som kan forårsage alvorlige langsigtede helbredsproblemer såsom kræft og sterilitet. Stråleafskærmning kan hjælpe, men det er ekstremt tungt, og jo længere missionen er, jo mere afskærmning er nødvendig. En bedre måde at reducere strålingseksponeringen på er simpelthen at komme hurtigere hen, hvor du skal.

Saturn V-raketten var 363 fod høj og for det meste kun en benzintank. Kredit:Mike Jetzer/heroicrelics.org, CC BY-NC-ND

Men menneskelig sikkerhed er ikke den eneste fordel. Når rumbureauer sonderer længere ud i rummet, det er vigtigt at få data fra ubemandede missioner så hurtigt som muligt. Det tog Voyager-2 12 år bare at nå Neptun, hvor den tog nogle utrolige billeder, mens den fløj forbi. Hvis Voyager-2 havde et hurtigere fremdriftssystem, astronomer kunne have haft disse billeder og den information, de indeholdt år tidligere.

Hastighed er god. Men hvorfor er nukleare systemer hurtigere?

Systemer i dag

Når et skib er undsluppet Jordens tyngdekraft, der er tre vigtige aspekter at overveje, når man sammenligner ethvert fremdriftssystem:

  • Thrust – hvor hurtigt et system kan accelerere et skib
  • Masseeffektivitet – hvor meget tryk et system kan producere for en given mængde brændstof
  • Energitæthed - hvor meget energi en given mængde brændstof kan producere

I dag, de mest almindelige fremdriftssystemer i brug er kemisk fremdrift - dvs. almindelige brændstofbrændende raketter - og solcelledrevne elektriske fremdriftssystemer.

Kemiske fremdrivningssystemer giver en masse fremdrift, men kemiske raketter er ikke særlig effektive, og raketbrændstof er ikke så energitæt. Saturn V-raketten, der tog astronauter til Månen, producerede 35 millioner Newtons kraft ved opstigningen og bar 950, 000 liter brændstof. Mens det meste af brændstoffet blev brugt til at få raketten i kredsløb, begrænsningerne er tydelige:Det kræver meget tungt brændstof at komme nogen vegne.

Den første termiske nukleare raket blev bygget i 1967 og ses i baggrunden. I forgrunden er den beskyttende kappe, der ville holde reaktoren. Kredit:NASA/Wikipedia

Elektriske fremdriftssystemer genererer fremdrift ved hjælp af elektricitet produceret fra solpaneler. Den mest almindelige måde at gøre dette på er at bruge et elektrisk felt til at accelerere ioner, såsom i Hall thrusteren. Disse enheder bruges almindeligvis til at drive satellitter og kan have mere end fem gange højere masseeffektivitet end kemiske systemer. Men de producerer meget mindre tryk - omkring tre Newtons, eller kun nok til at accelerere en bil fra 0-60 mph på omkring to en halv time. Energikilden - Solen - er i det væsentlige uendelig, men bliver mindre nyttig, jo længere væk fra Solen skibet kommer.

En af grundene til, at atomdrevne raketter er lovende, er, at de tilbyder en utrolig energitæthed. Det uranbrændsel, der bruges i atomreaktorer, har en energitæthed, der er 4 millioner gange højere end hydrazin, et typisk kemisk raketdrivmiddel. Det er meget lettere at få en lille mængde uran til rummet end hundredtusindvis af liter brændstof.

Så hvad med tryk- og masseeffektivitet?

To muligheder for nuklear

Ingeniører har designet to hovedtyper af nukleare systemer til rumfart.

Den første kaldes nuklear termisk fremdrift. Disse systemer er meget kraftfulde og moderat effektive. De bruger en lille nuklear fissionsreaktor - svarende til dem, der findes i atomubåde - til at opvarme en gas, såsom brint, og den gas accelereres derefter gennem en raketdyse for at give tryk. Ingeniører fra NASA vurderer, at en mission til Mars drevet af nuklear termisk fremdrift ville være 20%-25% kortere end en tur på en kemisk drevet raket.

Nukleare termiske fremdrivningssystemer er mere end dobbelt så effektive som kemiske fremdrivningssystemer - hvilket betyder, at de genererer dobbelt så meget fremdrift ved brug af den samme mængde drivmiddelmasse - og kan levere 100, 000 Newtons tryk. Det er kraft nok til at få en bil fra 0-60 mph på cirka et kvarter.

Det andet atombaserede raketsystem kaldes nuklear elektrisk fremdrift. Ingen nukleare elektriske systemer er blevet bygget endnu, men ideen er at bruge en høj-effekt fissionsreaktor til at generere elektricitet, som derefter vil drive et elektrisk fremdriftssystem som en Hall thruster. Dette ville være meget effektivt, omkring tre gange bedre end et nukleart termisk fremdriftssystem. Da atomreaktoren kunne skabe meget strøm, mange individuelle elektriske thrustere kunne betjenes samtidigt for at generere en god mængde tryk.

Nukleare elektriske systemer ville være det bedste valg til ekstremt lange missioner, fordi de ikke kræver solenergi, har meget høj virkningsgrad og kan give relativt høj trækkraft. Men mens elektriske atomraketter er ekstremt lovende, der er stadig mange tekniske problemer, der skal løses, før de tages i brug.

Hvorfor er der ikke atomdrevne raketter endnu?

Nukleare termiske fremdriftssystemer er blevet undersøgt siden 1960'erne, men har endnu ikke fløjet i rummet.

Reguleringer, der først blev indført i USA i 1970'erne, krævede i det væsentlige undersøgelse fra sag til sag og godkendelse af ethvert nukleart rumprojekt fra flere statslige agenturer og eksplicit godkendelse fra præsidenten. Sammen med manglende finansiering til forskning i nukleare raketsystemer, dette miljø forhindrede yderligere forbedring af atomreaktorer til brug i rummet.

Det hele ændrede sig, da Trump-administrationen udsendte et præsidentielt memorandum i august 2019. Samtidig med at han fastholdt behovet for at holde nukleare opsendelser så sikre som muligt, det nye direktiv giver mulighed for nukleare missioner med lavere mængder nukleart materiale for at springe godkendelsesprocessen fra flere agenturer over. Kun sponsoragenturet, ligesom NASA, for eksempel, skal attestere, at missionen opfylder sikkerhedsanbefalinger. Større nukleare missioner ville gennemgå den samme proces som før.

Sammen med denne revision af reglerne, NASA modtog US$100 millioner i 2019-budgettet til at udvikle nuklear termisk fremdrift. DARPA er også ved at udvikle et rum-nukleart termisk fremdriftssystem for at muliggøre nationale sikkerhedsoperationer ud over Jordens kredsløb.

Efter 60 års stagnation, det er muligt, at en atomdrevet raket vil være på vej til rummet inden for et årti. Denne spændende præstation vil indlede en ny æra med udforskning af rummet. Folk vil tage til Mars, og videnskabelige eksperimenter vil gøre nye opdagelser overalt i vores solsystem og videre.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.




Varme artikler