Aurinkokunta on todella iso paikka, ja se vie ikuisesti matkustaa maailmasta toiseen perinteisillä kemiallisilla raketeilla. Mutta yksi 1960-luvulla kehitetty tekniikka saattaa tarjota tavan lyhentää dramaattisesti matka-aikojamme: ydinaseet.
Tietenkin radioaktiivisella aineella toimivan raketin laukaisemisella on myös omat riskinsä. Pitäisikö meidän yrittää sitä?
Oletetaan, että halusit käydä Marsissa kemiallisella raketilla. Sinun räjähdys maasta ja mene matalaan maapallon kiertoradalle. Sitten oikealla hetkellä ampui rakettisi nostamalla kiertoradallasi auringosta. Uusi ellipsirata, jonka seuraat, leikkaa Marsin kanssa kahdeksan kuukauden lennon jälkeen.
Tätä kutsutaan Hohmann-siirtoksi, ja se on tehokkain tapa, jolla osaamme matkustaa avaruudessa käyttämällä vähiten potkuriainetta ja eniten hyötykuormaa. Ongelmana on tietysti vie aika. Koko matkan ajan astronautit kuluttavat ruokaa, vettä, ilmaa ja ovat alttiina syvän avaruuden pitkäaikaiselle säteilylle. Sitten paluumatka kaksinkertaistaa resurssien tarpeen ja kaksinkertaistaa säteilykuorman.
Meidän on mentävä nopeammin.
Osoittautuu, että NASA on ajatellut kemiallisten rakettien jälkeen seuraavan 50 vuoden ajan.
Ydinvoimalähteet. Ne nopeuttavat matkaa ehdottomasti, mutta heillä ei ole omia riskejä, minkä vuoksi et ole nähnyt heitä. Mutta ehkä heidän aika on täällä.
Vuonna 1961 NASA ja atomienergiakomissio työskentelivät yhdessä ajatuksen ydinvoiman lämpövoiman käytöstä (NTP). Tämän edelläkävijä oli Werner von Braun, joka toivoi ihmisoperaatioiden lentävän Marsiin 1980-luvulla ydinrakettien siipillä.
No niin ei tapahtunut. Mutta he tekivät joitain onnistuneita ydinvoiman lämpövoiman testejä ja osoittivat, että se toimii.
Vaikka kemiallinen raketti toimii, sytytetään jonkinlainen palava kemikaali ja pakottaa sitten pakokaasut ulos suuttimesta. Vanhan hyvän Newtonin kolmannen lain ansiosta tiedät, että jokaisessa toiminnassa, jolla on tasa-arvoinen ja päinvastainen reaktio, raketti saa työntyvän vastakkaiseen suuntaan karkottuista kaasuista.
Ydinraketti toimii samalla tavalla. Marmorikokoinen pallo uraanipolttoainetta käy läpi fissioprosessin, vapauttaen valtavan määrän lämpöä. Tämä lämmittää vetyä lähes 2500 ° C: seen, joka sitten poistetaan raketin takaa suurella nopeudella. Erittäin erittäin suuri nopeus, joka antaa raketille kemiallisen raketin kuljetustehokkuuden kaksi tai kolme kertaa.
Muistatko mainitsemani 8 kuukautta kemialliselle raketille? Ydinlämpöraketti voisi leikata kuljetusajan puoleen, ehkä jopa 100 päivän matkoja Marsiin. Mikä tarkoittaa vähemmän astronautien kuluttamia resursseja ja pienempää säteilykuormaa.
Ja siellä on toinen suuri etu. Ydinraketin työntövoima voisi antaa operaatioiden mennä, kun Maa ja Mars eivät ole täysin kohdistettu. Juuri nyt, jos unohdat ikkunasi, joudut odottamaan vielä 2 vuotta, mutta ydinase voi antaa sinulle työntövoiman käsitellä lentoviiveitä.
Ensimmäiset ydinaseiden testit aloitettiin vuonna 1955 Project Roverilla Los Alamosin tieteellisessä laboratoriossa. Tärkein kehitys oli reaktorien miniaturisointi niin paljon, että ne voitiin laittaa rakettiin. Muutaman seuraavan vuoden aikana insinöörit rakensivat ja testasivat yli tusinaa reaktoria, joiden koko ja erotuskyky olivat erikokoisia.
Project Roverin menestyksen myötä NASA asetti nähtävyydet Marsiin suuntautuviin ihmismatkoihin, jotka seuraavat Apollon laskeutuvia kuussa. Etäisyyden ja lentoajan takia he päättivät, että ydinaseet olisivat avain operaatioiden tehostamiseen.
Ydinaseet eivät tietenkään ole ilman riskejä. Aluksella oleva reaktori olisi pieni säteilylähde aluksella olevalle astronautin miehistölle, tämä pienennetty lentoaika punnitsee tämän. Itse syvä avaruus on valtava säteilyvaara, ja jatkuva galaktinen kosminen säteily vahingoittaa astronautin DNA: ta.
1960-luvun lopulla NASA perusti ydinmoottorin rakettiajoneuvojen sovellusohjelmalle (NERVA) kehittääkseen tekniikoita, joista tulisi ydinaseita, jotka vievät ihmiset Marsiin.
He testasivat Nevadan autiomaassa suurempia, voimakkaampia ydinaseita, ilmaten suuren nopeuden vetykaasua ilmakehään. Ympäristölakit olivat tuolloin paljon vähemmän tiukkoja.
Ensimmäistä NERVA NRX -testiä testattiin lopulta lähes kahden tunnin ajan 28 minuutilla täydellä teholla. Ja toinen moottori käynnistettiin 28 kertaa ja käytettiin 115 minuuttia.
Loppuun mennessä he testasivat kaikkien aikojen rakennettua tehokkainta ydinreaktoria, Phoebus-2A-reaktoria, joka pystyy tuottamaan 4000 megawattia voimaa. Ujoaminen 12 minuuttia.
Vaikka erilaisia komponentteja ei koskaan koottu tosiasiallisesti lentovalmiiksi rakettiksi, insinöörit olivat tyytyväisiä siihen, että ydinase täyttää Marsiin suuntautuvan lennon tarpeet.
Mutta sitten Yhdysvallat päätti, ettei se halunnut enää mennä Marsille. He halusivat sen sijaan avaruussukkulan.
Ohjelma lopetettiin vuonna 1973, ja sen jälkeen kukaan ei testannut ydinaseita.
Mutta viimeaikainen tekniikan kehitys on tehnyt ydinvoiman lämpövoiman käytöstä houkuttelevamman. 1960-luvulla ainoa polttoaineen lähde, jota he voivat käyttää, oli voimakkaasti rikastettu uraani. Mutta nyt insinöörien mielestä he pääsevät toimeen vähän rikastetulla uraanilla.
Tämän kanssa olisi turvallisempaa työskennellä ja se mahdollistaisi useampien rakettilaitosten suorittavan testit. Olisi myös helpompaa ottaa radioaktiiviset hiukkaset pakokaasuista ja hävittää ne oikein. Se alentaisi tekniikan kanssa työskentelemisen kokonaiskustannukset.
Yhdysvaltojen kongressi hyväksyi 22. toukokuuta 2019 125 miljoonan dollarin rahoituksen ydinvoimaloiden lämpövoimarakettien kehittämiseen. Vaikka tällä ohjelmalla ei ole mitään merkitystä NASA: n Artemis 2024: n paluussa kuuhun, se - lainaus - kehottaa NASAa kehittämään monivuotisen suunnitelman, joka mahdollistaa ydinvoiman lämpövoiman demonstroinnin, joka sisältää avaruusdemonstraation aikataulun. ja kuvaus tulevista tehtävistä ja käyttövoima- ja voimajärjestelmistä, jotka tämä ominaisuus mahdollistaa. "
Ydinfissio on yksi tapa valjastaa atomin voima. Tietenkin se vaatii rikastettua uraania ja tuottaa myrkyllistä radioaktiivista jätettä. Entä fuusio? Missä vedyn atomit puristuvat heliumiin, vapauttaen energiaa?
Auringon fuusio on onnistunut valtavan massa- ja ytimen lämpötilansa ansiosta, mutta kestävä, energiatehokas fuusio on ollut meille käsittämätöntä.
ITERin kaltaiset valtavat kokeilut Euroopassa toivovat ylläpitävän fuusioenergiaa seuraavan vuosikymmenen aikana. Sen jälkeen voit kuvitella, että fuusioreaktorit pienenevät niin pitkälle, että ne voivat toimia samalla roolilla kuin ydinrakettien fissioreaktorit. Mutta vaikka et voi saada fuusioreaktoreita siihen pisteeseen, että ne ovat nettoteholtaan positiivisia, ne voivat silti tarjota valtavan kiihtyvyyden massamäärälle.
Ja ehkä meidän ei tarvitse odottaa vuosikymmeniä. Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa työskentelevä tutkimusryhmä työskentelee käsitteen nimeltä Direct Fusion Drive, joka heidän mielestään voisi olla valmis paljon aikaisemmin.
Se perustuu Princeton Field-Reversed Configuration -fuusioreaktoriin, jonka vuonna 2002 kehitti Samuel Cohen. Kuuma plasma helium-3 ja deuterium sisältyvät magneettiseen säiliöön. Helium-3 on harvinainen maan päällä ja arvokas, koska fuusioreaktiot sen kanssa eivät tuota yhtä paljon vaarallista säteilyä tai ydinjätettä kuin muut fuusio- tai fissioreaktorit.
Kuten fissiorakettien kohdalla, fuusioraketti kuumentaa ponneaineen korkeisiin lämpötiloihin ja räjäyttää sen sitten takaosan tuottaen työntövoiman.
Se toimii sovittamalla joukko lineaarisia magneetteja, jotka sisältävät ja pyörittävät erittäin kuumaa plasmaa. Plasman ympärillä olevat antennit viritetään ionien tiettyyn taajuuteen ja ne muodostavat plasmassa virran. Heidän energiaansa pumpataan siihen pisteeseen asti, että atomit sulautuvat, vapauttaen uusia hiukkasia. Nämä hiukkaset vaeltavat suojakentän läpi, kunnes magneettikenttäviivat vangitsevat ne ja kiihdytetään raketin takaosasta.
Fuusiorakettien avulla voitaisiin teoriassa tuottaa 2,5 - 5 njuunnia työntövoimaa megawattia kohden, erityisimpulssilla 10 000 sekuntia - muistakaa 850 fissioraketeista ja 450 kemiallisista raketeista. Se tuottaisi myös kaukana auringosta sijaitsevan avaruusaluksen tarvitsemaa sähköä, missä aurinkopaneelit eivät ole kovin tehokkaita.
Suora fuusioasema kykenee suorittamaan 10 tonnin matkan Saturnukseen vain 2 vuodessa tai 1 tonnin avaruusaluksen maasta Plutoon noin 4 vuodessa. New Horizons tarvitsi melkein kymmenen.
Koska se on myös 1 megawatin fuusioreaktori, se toimittaisi myös virtaa kaikille avaruusaluksen välineille saapuessaan. Paljon enemmän kuin ydinakut, joita tällä hetkellä kuljettavat syvän avaruuden operaatiot, kuten Voyager ja New Horizons.
Kuvittele, millaisia tähtienvälisiä tehtäviä saattaa olla pöydällä tämän tekniikan kanssa.
Ja Princeton Satellite Systems ei ole ainoa ryhmä, joka työskentelee tällaisten järjestelmien parissa. Sovelletut fuusiojärjestelmät ovat hakeneet patenttia ydinfuusiomoottorille, joka voisi antaa työntövoiman avaruusaluksille.
Tiedän, että on kulunut vuosikymmeniä siitä, kun NASA testasi vakavasti ydinaseita keinona lyhentää lentoaikaa, mutta näyttää siltä, että tekniikka on palannut. Muutaman seuraavan vuoden aikana odotan näkevänsä uusia laitteita ja uusia ydinvoiman lämpövoimajärjestelmien testejä. Ja olen erittäin innoissani mahdollisuudesta, että todelliset fuusioasemat vievät meidät muihin maailmoihin. Kuten aina, pysy kuulolla, ilmoitan sinulle milloin todella lentää.
