Jorden til Mars om 100 dage:Nukleare raketters kraft

Solsystemet er et rigtig stort sted, og det tager evigheder at rejse fra verden til verden med traditionelle kemiske raketter. Men en teknik udviklet tilbage i 1960'erne kan give en måde at forkorte vores rejsetider dramatisk:atomraketter.

Selvfølgelig, opsendelse af en raket drevet af radioaktivt materiale har sine egne risici, såvel. Skal vi prøve det?

Lad os sige, at du ønskede at besøge Mars ved hjælp af en kemisk raket. Du ville sprænge af fra Jorden og gå i lavt kredsløb om Jorden. Derefter, på det rigtige tidspunkt, du ville affyre din raket, at hæve din bane fra solen. Den nye elliptiske bane, du følger, krydser Mars efter otte måneders flyvning.

Dette er kendt som Hohmann-overførsel, og det er den mest effektive måde, vi ved, hvordan vi rejser i rummet ved at bruge den mindste mængde drivmiddel og den største mængde nyttelast. Problemet selvfølgelig, er den tid det tager. Under hele rejsen, astronauter vil indtage mad, vand, luft, og blive udsat for langtidsstråling fra det dybe rum. Så fordobler en returmission behovet for ressourcer og fordobler strålingsbelastningen.

Vi skal gå hurtigere.

Det viser sig, at NASA har tænkt på, hvad der kommer efter kemiske raketter i næsten 50 år:Nukleare termiske raketter. De fremskynder bestemt rejsen, men de er ikke uden deres egne risici, derfor har du ikke set dem. Men måske er deres tid her.

I 1961, NASA og Atomic Energy Commission arbejdede sammen om ideen om nuklear termisk fremdrift, eller NTP. Dette blev pioneret af Werner von Braun, som håbede, at menneskelige missioner ville flyve til Mars i 1980'erne på atomraketters vinger.

Godt, det skete ikke. Men de udførte nogle vellykkede test af nuklear termisk fremdrift og demonstrerede, at det virker.

En kemisk raket virker ved at antænde en form for brændbart kemikalie og derefter tvinge udstødningsgasserne ud af en dyse. Takket være gode gamle Newtons tredje lov - for hver handling, der er en ligeværdig og modsat reaktion - raketten modtager et stød i den modsatte retning fra de udstødte gasser.

En atomraket fungerer på samme måde. En kugle af uranbrændstof på størrelse med marmor gennemgår fission, frigiver en enorm mængde varme. Dette opvarmer brint til næsten 2, 500 grader Celsius, som derefter bliver drevet ud af bagsiden af ​​raketten med ekstrem høj hastighed, giver raketten to til tre gange fremdriftseffektiviteten af ​​en kemisk raket.

Kan du huske de otte måneder, jeg nævnte for en kemisk raket at rejse til Mars? En termisk nuklear raket kunne halvere transittiden, måske endda til 100 dage, hvilket betyder færre ressourcer forbrugt af astronauterne, og en lavere strålingsbelastning.

Og der er en anden stor fordel. En nuklear rakets fremstød kan tillade missioner, når Jorden og Mars ikke er perfekt afstemt. Lige nu, hvis du savner dit vindue, du skal vente to år mere, men en atomraket kan give dig skub til at håndtere flyforsinkelser.

De første test af nukleare raketter startede i 1955 med Project Rover ved Los Alamos Scientific Laboratory. Nøgleudviklingen var at miniaturisere reaktorerne nok til at passe på en raket. I løbet af de næste par år, ingeniører byggede og testede mere end et dusin reaktorer af forskellig størrelse og effekt.

Med succesen med Project Rover, NASA satte sit syn på de menneskelige missioner til Mars, der ville følge Apollo-landerne på månen. På grund af afstanden og flyvetiden, de besluttede, at nukleare raketter ville være nøglen til at gøre missionerne mere kapable.

Atomraketter er ikke uden deres risici, selvfølgelig. En reaktor om bord ville være en lille kilde til stråling for astronautens besætning om bord, dette ville blive opvejet af den reducerede flyvetid. Det dybe rum er i sig selv en enorm strålingsfare, med den konstante galaktiske kosmiske stråling, der skader astronaut-DNA.

I slutningen af ​​1960'erne, NASA oprettede programmet Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, eller NERVA, udvikle de teknologier, der ville blive de nukleare raketter, der ville bringe mennesker til Mars.

De testede større, mere kraftfulde nukleare raketter, i Nevadas ørken, udluftning af højhastighedsbrintgas direkte ud i atmosfæren. Miljølovgivningen var meget mindre streng dengang.

Den første NERVA NRX blev til sidst testet i næsten to timer, med 28 minutter ved fuld kraft. Og en anden motor blev startet 28 gange og kørte i 115 minutter.

Til sidst, de testede den mest kraftfulde atomreaktor, der nogensinde er bygget, Phoebus-2A reaktoren, i stand til at generere 4, 000 megawatt strøm, stød i 12 minutter.

Selvom de forskellige komponenter faktisk aldrig blev samlet til en flyveklar raket, ingeniører var tilfredse med, at en nuklear raket ville opfylde behovene for en flyvning til Mars. Men så besluttede USA, at de ikke ville til Mars mere - vi ville have rumfærgen i stedet for. Programmet blev lukket ned i 1973, og ingen har testet nukleare raketter siden da.

Men de seneste fremskridt inden for teknologi har gjort nuklear termisk fremdrift mere tiltalende. Tilbage i 1960'erne, den eneste brændstofkilde, de kunne bruge, var højt beriget uran. Men nu, ingeniører tror, ​​de kan klare sig med lavt beriget uran.

Dette ville være mere sikkert at arbejde med, og ville tillade flere raketfaciliteter at køre test. Det ville også være nemmere at fange de radioaktive partikler i udstødningen og bortskaffe dem korrekt. Det ville reducere de samlede omkostninger ved at arbejde med teknologien.

Den 22. maj 2019, den amerikanske kongres godkendte 125 millioner dollars i finansiering til udvikling af nukleare termiske fremdriftsraketter. Selvom dette program ikke har nogen rolle at spille i NASAs Artemis 2024 tilbagevenden til månen, den "opfordrer NASA til at udvikle en flerårig plan, der muliggør en demonstration af nuklear termisk fremdrift, inklusive tidslinjen i forbindelse med rumdemonstrationen og en beskrivelse af fremtidige missioner og fremdrifts- og kraftsystemer, der er muliggjort af denne kapacitet."

Nuklear fission er en måde at udnytte atomets kraft på. Selvfølgelig, det kræver beriget uran og genererer giftigt radioaktivt affald. Hvad med fusion, hvor brintatomer presses ind i helium, frigive energi?

Solen har fusioneret, takket være dens enorme masse og kernetemperatur, men ingeniørmæssig bæredygtighed, energi-positiv fusion har vist sig at være uhåndgribelig.

Kæmpe eksperimenter som ITER i Europa håber at opretholde fusionsenergi inden for det næste årti eller deromkring. Efter det, du kan forestille dig fusionsreaktorer miniaturiseret til det punkt, at de kan tjene samme rolle som en fissionsreaktor i en nuklear raket. Men selvom ingeniører ikke kan få fusionsreaktorer til det punkt, at de er nettoenergipositive, de kan stadig give en enorm acceleration for mængden af ​​masse.

Og måske behøver vi ikke vente årtier. En forskergruppe ved Princeton Plasma Physics Laboratory arbejder på et koncept kaldet Direct Fusion Drive, som de mener kunne være klar meget før.

Den er baseret på Princeton Field-Reversed Configuration fusionsreaktoren udviklet i 2002 af Samuel Cohen. Varmt plasma af helium-3 og deuterium er indeholdt i en magnetisk beholder. Helium-3 er sjælden på jorden, og værdifulde, fordi sådanne fusionsreaktioner ikke vil generere den samme mængde farlig stråling eller nukleart affald som andre fusions- eller fissionsreaktorer.

Ligesom med fissionsraketten, en fusionsraket opvarmer et drivmiddel til høje temperaturer og sprænger det derefter ud på bagsiden, producerer fremdrift.

Det virker ved at opstille en flok lineære magneter, der indeholder og spinder meget varmt plasma. Antenner omkring plasmaet er indstillet til ionernes specifikke frekvens, og skabe en strøm i plasmaet. Deres energi bliver pumpet op til det punkt, at atomerne smelter sammen, frigivelse af nye partikler. Disse partikler vandrer gennem indeslutningsfeltet, indtil de fanges af magnetfeltlinjerne, og de bliver accelereret ud på bagsiden af ​​raketten.

I teorien, en fusionsraket ville være i stand til at levere 2,5 til 5 Newtons tryk pr. megawatt, med en specifik impuls på 10, 000 sekunder – husk 850 fra fissionsraketter, og 450 fra kemiske raketter. Det ville også generere elektricitet, som rumfartøjet har brug for langt fra solen, hvor solpaneler ikke er særlig effektive.

Et direkte fusionsdrev ville være i stand til at bære en 10-tons mission til Saturn på kun to år, eller et rumfartøj på et ton fra Jorden til Pluto om cirka fire år. New Horizons havde brug for næsten 10.

Da det også er en en-megawatt fusionsreaktor, det ville også give strøm til alle rumfartøjets instrumenter, når det ankommer, much more than the nuclear batteries currently carried by deep space missions like Voyager and New Horizons.

Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. Over the next few years, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.