Το Ηλιακό Σύστημα είναι ένα πραγματικά μεγάλο μέρος και χρειάζεται για πάντα για να ταξιδέψετε από κόσμο σε κόσμο με παραδοσιακούς χημικούς πυραύλους. Αλλά μια τεχνική, που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960 μπορεί να προσφέρει έναν τρόπο να συντομεύσουμε δραματικά τους χρόνους ταξιδιού μας: οι πυρηνικοί πύραυλοι.
Φυσικά, η εκτόξευση ενός πυραύλου που τροφοδοτείται από ραδιενεργό υλικό έχει και τους δικούς του κινδύνους. Να το επιχειρήσουμε;
Ας πούμε ότι θέλατε να επισκεφτείτε τον Άρη χρησιμοποιώντας έναν χημικό πύραυλο. Θα εκτιναχθείς από τη Γη και θα πήγαινες σε χαμηλή τροχιά της Γης. Στη συνέχεια, την κατάλληλη στιγμή, θα εκτοξεύσετε τον πύραυλο σας, υψώνοντας την τροχιά σας από τον Ήλιο. Η νέα ελλειπτική τροχιά που ακολουθείτε τέμνεται με τον Άρη μετά από οκτώ μήνες πτήσης.
Αυτό είναι γνωστό ως μεταφορά Hohmann και είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος που γνωρίζουμε πώς να ταξιδεύουμε στο διάστημα, χρησιμοποιώντας τη μικρότερη ποσότητα προωθητικού και τη μεγαλύτερη ποσότητα ωφέλιμου φορτίου. Το πρόβλημα φυσικά είναι ο χρόνος που χρειάζεται. Καθ' όλη τη διάρκεια του ταξιδιού, οι αστροναύτες θα καταναλώνουν τροφή, νερό, αέρα και θα εκτίθενται στη μακροπρόθεσμη ακτινοβολία του βαθέως διαστήματος. Στη συνέχεια, μια αποστολή επιστροφής διπλασιάζει την ανάγκη για πόρους και διπλασιάζει το φορτίο ακτινοβολίας.
Απεικόνιση καλλιτέχνη για την εκτόξευση του Space Launch System, που θα είναι τελικά ο πιο ισχυρός πύραυλος που κατασκευάστηκε ποτέ. Πίστωση: NASA
Πρέπει να πάμε πιο γρήγορα.
Αποδεικνύεται ότι η NASA σκέφτεται για το τι θα ακολουθήσει μετά τους χημικούς πυραύλους για σχεδόν 50 χρόνια.
Πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι. Σίγουρα επιταχύνουν το ταξίδι, αλλά δεν είναι χωρίς τους δικούς τους κινδύνους, γι' αυτό δεν τους έχετε δει. Αλλά ίσως είναι εδώ η ώρα τους.
Το 1961, η NASA και η Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας συνεργάστηκαν για την ιδέα της πυρηνικής θερμικής πρόωσης ή NTP. Αυτό πρωτοστάτησε από τον Werner von Braun, ο οποίος ήλπιζε ότι οι ανθρώπινες αποστολές θα πετούσαν στον Άρη τη δεκαετία του 1980, στα φτερά των πυρηνικών πυραύλων.
Λοιπόν αυτό δεν συνέβη. Αλλά πραγματοποίησαν μερικές επιτυχημένες δοκιμές πυρηνικής θερμικής πρόωσης και απέδειξαν ότι λειτουργεί.
Η ιδέα του καλλιτέχνη για έναν διτροπικό πυρηνικό θερμικό πύραυλο σε χαμηλή τροχιά της γης. Πίστωση: NASA
Ενώ ένας χημικός πύραυλος λειτουργεί αναφλέγοντας κάποιο είδος εύφλεκτης χημικής ουσίας και στη συνέχεια αναγκάζοντας τα καυσαέρια έξω από ένα ακροφύσιο. Χάρη στον παλιό καλό τρίτο νόμο του Νεύτωνα, ξέρετε, για κάθε ενέργεια υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση, ο πύραυλος δέχεται μια ώθηση προς την αντίθετη κατεύθυνση από τα εκδιωχθέντα αέρια.
Ένας πυρηνικός πύραυλος λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο. Μια μπάλα καυσίμου ουρανίου μεγέθους μαρμάρου υφίσταται τη διαδικασία της σχάσης, απελευθερώνοντας μια τεράστια ποσότητα θερμότητας. Αυτό θερμαίνει ένα υδρογόνο στους σχεδόν 2.500 C το οποίο στη συνέχεια αποβάλλεται από το πίσω μέρος του πυραύλου με υψηλή ταχύτητα. Πολύ πολύ υψηλή ταχύτητα, δίνοντας στον πύραυλο δύο έως τρεις φορές μεγαλύτερη απόδοση πρόωσης από έναν χημικό πύραυλο.
Θυμάστε τους 8 μήνες που ανέφερα για έναν χημικό πύραυλο; Ένας πυρηνικός θερμικός πύραυλος θα μπορούσε να μειώσει το χρόνο διέλευσης στο μισό , ίσως και 100 ημερήσιες εκδρομές στον Άρη. Αυτό σημαίνει λιγότερους πόρους που καταναλώνουν οι αστροναύτες και χαμηλότερο φορτίο ακτινοβολίας.
Και υπάρχει ένα άλλο μεγάλο όφελος. Η ώθηση ενός πυρηνικού πυραύλου θα μπορούσε να επιτρέψει την εκτέλεση αποστολών όταν η Γη και ο Άρης δεν είναι τέλεια ευθυγραμμισμένοι. Αυτή τη στιγμή, αν χάσετε το παράθυρό σας, πρέπει να περιμένετε άλλα 2 χρόνια, αλλά ένας πυρηνικός πύραυλος θα μπορούσε να σας δώσει την ώθηση να αντιμετωπίσετε τις καθυστερήσεις πτήσεων.
Οι πρώτες δοκιμές πυρηνικών πυραύλων ξεκίνησαν το 1955 με το Project Rover στο Επιστημονικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος. Η βασική εξέλιξη ήταν η σμίκρυνση των αντιδραστήρων αρκετά ώστε να μπορέσουν να τους τοποθετήσουν σε έναν πύραυλο. Τα επόμενα χρόνια, οι μηχανικοί κατασκεύασαν και δοκίμασαν περισσότερους από δώδεκα αντιδραστήρες διαφορετικών μεγεθών και ισχύος.
Το πρώτο συγκρότημα επίγειας πειραματικής πυρηνικής μηχανής πυραύλων (XE), σε διαμόρφωση «ψυχρής ροής», παρουσιάζεται να είναι εγκατεστημένο στη βάση δοκιμής κινητήρα Νο. 1 στον Σταθμό Ανάπτυξης Πυρηνικών Πυραύλων στο Jackass Flats της Νεβάδα.
Με την επιτυχία του Project Rover, η NASA έθεσε το βλέμμα της στις ανθρώπινες αποστολές στον Άρη που θα ακολουθούσαν τα προσεδάφια Apollo στη Σελήνη. Λόγω της απόστασης και του χρόνου πτήσης, αποφάσισαν ότι οι πυρηνικοί πύραυλοι θα ήταν το κλειδί για να γίνουν πιο ικανές οι αποστολές.
Οι πυρηνικοί πύραυλοι δεν είναι χωρίς κινδύνους, φυσικά. Ένας αντιδραστήρας επί του σκάφους θα ήταν μια μικρή πηγή ακτινοβολίας για το πλήρωμα των αστροναυτών, αυτό θα αντισταθμιζόταν από τον μειωμένο χρόνο πτήσης. Το ίδιο το βαθύ διάστημα είναι ένας τεράστιος κίνδυνος ακτινοβολίας, με τη συνεχή γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία να καταστρέφει το DNA των αστροναυτών.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, η NASA δημιούργησε το πρόγραμμα εφαρμογής Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, ή NERVA, αναπτύσσοντας τις τεχνολογίες που θα γίνονταν οι πυρηνικοί πύραυλοι που θα πήγαιναν τους ανθρώπους στον Άρη.
Σχεδιασμός της NASA για μια εφαρμογή πυρηνικής μηχανής για πυραυλικά οχήματα (NERVA). Πίστωση: NASA
Δοκίμασαν μεγαλύτερους, πιο ισχυρούς πυρηνικούς πυραύλους, στην έρημο της Νεβάδα, εξαερίζοντας το αέριο υδρογόνο υψηλής ταχύτητας απευθείας στην ατμόσφαιρα. Οι περιβαλλοντικοί νόμοι ήταν πολύ λιγότερο αυστηροί τότε.
Το πρώτο NERVA NRX δοκιμάστηκε τελικά για σχεδόν δύο ώρες, με 28 λεπτά σε πλήρη ισχύ. Και ένας δεύτερος κινητήρας τέθηκε σε λειτουργία 28 φορές και λειτούργησε για 115 λεπτά.
Μέχρι το τέλος, δοκίμασαν τον πιο ισχυρό πυρηνικό αντιδραστήρα που κατασκευάστηκε ποτέ, τον αντιδραστήρα Phoebus-2A, ικανό να παράγει 4.000 μεγαβάτ ισχύος. Σπρώξιμο για 12 λεπτά.
Αν και τα διάφορα εξαρτήματα δεν συναρμολογήθηκαν ποτέ σε έναν πύραυλο έτοιμο για πτήση, οι μηχανικοί ήταν ικανοποιημένοι ότι ένας πυρηνικός πύραυλος θα κάλυπτε τις ανάγκες μιας πτήσης στον Άρη.
Αλλά μετά, οι ΗΠΑ αποφάσισαν ότι δεν ήθελαν να πάνε πια στον Άρη. Αντ' αυτού ήθελαν το διαστημικό λεωφορείο.
Το διαστημικό λεωφορείο Atlantis ολοκληρώνει το πρόγραμμα του λεωφορείου με μια πρόωρη επιστροφή στο Διαστημικό Κέντρο Κένεντι στη Φλόριντα. Φωτογραφία: Mike Deep για το Universe Today
Το πρόγραμμα έκλεισε το 1973 και από τότε κανείς δεν έκανε δοκιμή πυρηνικών πυραύλων.
Αλλά οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία έχουν κάνει πιο ελκυστική η πυρηνική θερμική πρόωση . Πίσω στη δεκαετία του 1960, η μόνη πηγή καυσίμου που μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ήταν το ουράνιο υψηλής εμπλουτισμού. Αλλά τώρα οι μηχανικοί πιστεύουν ότι μπορούν να τα βγάλουν πέρα με ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού.
Αυτό θα ήταν ασφαλέστερο για εργασία και θα επέτρεπε σε περισσότερες εγκαταστάσεις πυραύλων να πραγματοποιούν δοκιμές. Θα ήταν επίσης ευκολότερο να συλλάβουμε τα ραδιενεργά σωματίδια στα καυσαέρια και να τα απορρίψουμε σωστά. Αυτό θα μειώσει το συνολικό κόστος της εργασίας με την τεχνολογία.
Στις 22 Μαΐου 2019, το Κογκρέσο των ΗΠΑ ενέκρινε 125 εκατομμύρια δολάρια στη χρηματοδότηση για την ανάπτυξη πυρηνικών πυραύλων θερμικής πρόωσης. Αν και αυτό το πρόγραμμα δεν παίζει κανέναν ρόλο στην επιστροφή της NASA Artemis 2024 στη Σελήνη, – απόσπασμα – «καλεί τη NASA να αναπτύξει ένα πολυετές σχέδιο που να επιτρέπει μια επίδειξη πυρηνικής θερμικής πρόωσης, συμπεριλαμβανομένου του χρονοδιαγράμματος που σχετίζεται με τη διαστημική επίδειξη και μια περιγραφή των μελλοντικών αποστολών και των συστημάτων πρόωσης και ισχύος που θα επιτρέψει αυτή η ικανότητα».
Η πυρηνική σχάση είναι ένας τρόπος για να αξιοποιηθεί η δύναμη του ατόμου. Φυσικά, απαιτεί εμπλουτισμένο ουράνιο και δημιουργεί τοξικά ραδιενεργά απόβλητα. Τι γίνεται με τη σύντηξη; Πού τα άτομα υδρογόνου συμπιέζονται σε ήλιο, απελευθερώνοντας ενέργεια;
Ο Ήλιος μας είναι ένα αστέρι του πληθυσμού II ηλικίας περίπου 5 δισεκατομμυρίων ετών. Περιέχει στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο, συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου, του άνθρακα, του νέον και του σιδήρου, αν και μόνο σε μικροσκοπικά ποσοστά. Εικόνα: NASA/Solar Dynamics Observatory.
Η σύντηξη του Ήλιου λειτούργησε, χάρη στην τεράστια μάζα και τη θερμοκρασία του πυρήνα του, αλλά η βιώσιμη, ενεργειακά θετική σύντηξη ήταν άπιαστη από εμάς τους μικρούς ανθρώπους.
Τεράστια πειράματα όπως το ITER στην Ευρώπη ελπίζουν να διατηρήσουν την ενέργεια σύντηξης μέσα στην επόμενη δεκαετία περίπου. Μετά από αυτό, μπορείτε να φανταστείτε τους αντιδραστήρες σύντηξης να μικροποιούνται σε σημείο που να μπορούν να έχουν τον ίδιο ρόλο με έναν αντιδραστήρα σχάσης σε έναν πυρηνικό πύραυλο. Αλλά ακόμα κι αν δεν μπορείτε να φτάσετε τους αντιδραστήρες σύντηξης στο σημείο να είναι θετικοί στην καθαρή ενέργεια, μπορούν να παρέχουν τεράστια επιτάχυνση για την ποσότητα της μάζας.
Κατασκευή της εγκατάστασης πυρηνικής σύντηξης ITER στην Ευρώπη. Πίστωση: ITER
Και ίσως δεν χρειάζεται να περιμένουμε δεκαετίες. Μια ερευνητική ομάδα στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Πρίνστον εργάζεται πάνω σε ένα concept που ονομάζεται Direct Fusion Drive, το οποίο πιστεύουν ότι θα μπορούσε να είναι έτοιμο πολύ νωρίτερα.
Βασίζεται στον αντιδραστήρα σύντηξης του Princeton Field-Reversed Configuration που αναπτύχθηκε το 2002 από τον Samuel Cohen. Το ζεστό πλάσμα ηλίου-3 και δευτερίου περιέχονται σε ένα μαγνητικό δοχείο. Το ήλιο-3 είναι σπάνιο στη Γη και πολύτιμο επειδή οι αντιδράσεις σύντηξης με αυτό δεν θα δημιουργήσουν την ίδια ποσότητα επικίνδυνης ακτινοβολίας ή πυρηνικών αποβλήτων με άλλους αντιδραστήρες σύντηξης ή σχάσης.
Απεικόνιση εικόνας του πυραύλου σύντηξης έννοιας δορυφορικών συστημάτων Princeton. Πίστωση: Δορυφορικά Συστήματα Πρίνστον
Όπως και με τον πύραυλο σχάσης, ένας πύραυλος σύντηξης θερμαίνει ένα προωθητικό σε υψηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια το εκτοξεύει προς τα έξω, παράγοντας ώθηση.
Λειτουργεί ευθυγραμμίζοντας μια δέσμη γραμμικών μαγνητών που περιέχουν και περιστρέφουν πολύ καυτό πλάσμα. Οι κεραίες γύρω από το πλάσμα συντονίζονται στη συγκεκριμένη συχνότητα των ιόντων και δημιουργούν ρεύμα στο πλάσμα. Η ενέργειά τους αντλείται μέχρι το σημείο που τα άτομα συντήκονται, απελευθερώνοντας νέα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια περιφέρονται μέσα στο πεδίο περιορισμού μέχρι να συλληφθούν από τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου και να επιταχυνθούν στο πίσω μέρος του πυραύλου.
Θεωρητικά, ένας πύραυλος σύντηξης θα ήταν ικανός να παρέχει ώση 2,5 έως 5 Newton ανά μεγαβάτ, με συγκεκριμένη ώθηση 10.000 δευτερολέπτων – θυμηθείτε 850 από πυραύλους σχάσης και 450 από χημικούς πυραύλους. Θα παράγει επίσης ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται το διαστημόπλοιο μακριά από τον Ήλιο, όπου τα ηλιακά πάνελ δεν είναι πολύ αποδοτικά.
Ένα Direct Fusion Drive θα μπορούσε να μεταφέρει μια αποστολή 10 τόνων στον Κρόνο σε μόλις 2 χρόνια ή Διαστημόπλοιο 1 τόνου από τη Γη στον Πλούτωνα σε περίπου 4 χρόνια . Το New Horizons χρειαζόταν σχεδόν 10.
Δεδομένου ότι είναι επίσης ένας αντιδραστήρας σύντηξης 1 μεγαβάτ, θα παρέχει επίσης ισχύ για όλα τα όργανα του διαστημικού σκάφους όταν φτάσει. Πολύ περισσότερο από τις πυρηνικές μπαταρίες που μεταφέρονται αυτή τη στιγμή από αποστολές στο βαθύ διάστημα όπως το Voyager και το New Horizons.
Φανταστείτε τι είδους διαστρικές αποστολές μπορεί να υπάρχουν στο τραπέζι και με αυτήν την τεχνολογία.
Και η Princeton Satellite Systems δεν είναι η μόνη ομάδα που εργάζεται σε συστήματα όπως αυτό. Η Applied Fusion Systems έχει υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν κινητήρα πυρηνικής σύντηξης που θα μπορούσε να παρέχει ώθηση σε διαστημόπλοια.
Ξέρω ότι έχουν περάσει δεκαετίες από τότε που η NASA δοκίμασε σοβαρά πυρηνικούς πυραύλους ως τρόπο να συντομεύσει τους χρόνους πτήσης, αλλά φαίνεται ότι η τεχνολογία επέστρεψε. Τα επόμενα χρόνια αναμένω να δω νέο υλικό και νέες δοκιμές συστημάτων πυρηνικής θερμικής πρόωσης. Και είμαι απίστευτα ενθουσιασμένος με την πιθανότητα πραγματικών fusion drives να μας μεταφέρουν σε άλλους κόσμους. Όπως πάντα, μείνετε συντονισμένοι, θα σας ενημερώσω όταν κάποιος πετάξει πραγματικά.