На Марс за 45 днів? Як і навіщо NASA планує відродити розробку ракети на ядерній тязі
Інновації23 січня 2023, 21:02
У середині минулого століття США та СРСР розпочали перші експерименти щодо встановлення ядерних реакторів на космічні апарати.
Сьогодні марсохід Curiosity використовує радіоізотопний термоелектричний генератор для вироблення електроенергії за рахунок тепла від радіоактивного розпаду плутонію. У NASA прогнозують, що це джерело енергії працюватиме близько 14 років.
Окремий напрям розробок — створення ядерного ракетного двигуна. Різні вчені припускають, що ракета-носій на ядерній тязі дасть змогу значно скоротити час міжпланетних подорожей і навіть уможливити міжзоряні польоти.
Дослідні зразки ядерних ракетних енергоустановок були у США та СРСР, але всі перспективні проєкти закрили у 1970−1980-х через їхню небезпеку та високу вартість.
Нещодавно представники NASA підтвердили початок першого етапу розробки модифікованої концепції, в основі якої лежить ядерна електросилова установка NERVA. Цей проєкт згорнули 1971-го.
Автори нової концепції кажуть, що їхній ядерний двигун дасть можливість виконувати пілотовані місії на Марс приблизно за 45 днів. Сьогодні політ до сусідньої планети триває близько семи місяців.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Бімодальний NTP/NEP
Розробку «ядерної теплової та ядерної електричної силової установки (NTP/NEP)» схвалили експерти Інституту передових концепцій NASA (NIAC).
Ініціатором проєкту став керівник програми гіперзвукового руху Університету Флориди професор Раян Ґоссе. Його ідею включили до 14 концепцій, відібраних NIAC для надання дослідницьких грантів.
«Цей бімодальний дизайн забезпечує швидкий перехід для пілотованих місій (45 днів до Марса) і революціонізує дослідження далекого космосу нашої Сонячної системи», — заявив Ґоссе.
Нова установка заснована на закритому більш ніж 50 років тому проєкті ядерного двигуна для ракетних транспортних засобів NERVA, який став одним із перших твердопаливних ядерних двигунів, що пройшли успішні випробування.
Суть роботи цього двигуна полягає в нагріванні рідкого водневого палива (LH2) в ядерному реакторі для його перетворення на іонізований газоподібний водень-плазму, який створює реактивну тягу при подальшому спалюванні в соплах.
Ґоссе планує об'єднати таку технологію з ядерно-електричною силовою установкою (NEP), ядерний реактор у якій забезпечує електроенергією двигун для створення електромагнітного поля. Це дає змогу іонізувати та прискорювати інертний газ (наприклад, ксенон) для створення тяги.
Ключовим показником ефективності таких двигунів є питомий імпульс тяги (Isp), який демонструє відношення тяги двигуна до масової витрати палива та вимірюється в секундах. Цей показник використовують для вимірювання ефективності традиційних ракетних двигунів на хімічному паливі.
Питомий імпульс одного з найефективніших сучасних ракетних двигунів Raptor компанії SpaceX становить близько 350 секунд. Розробники проєкту NERVA й інших ядерних установок заявляли про досягнення питомого імпульсу більш ніж 10 тис. секунд.
У своїй концепції Ґоссе планує вирішити проблему відведення тепла установки NERVA, а також забезпечити питомий імпульс 1400—2000 секунд завдяки бімодальній тепловій та електричній ядерній конструкції NTP/NEP.
Поки що головним нововведенням американського інженера є пропозиція використовувати хвильовий ротор, який повинен значно підвищити ефективність згоряння палива в результаті стиснення всмоктуваного повітря.
«У поєднанні з циклом NEP робочий цикл Isp може бути додатково збільшений до 1800−4000 секунд із мінімальним додаванням сухої маси», — пояснив автор концепції.
Використання такого двигуна має скоротити тривалість пілотованих місій на Марс із кількох років до кількох місяців. Такий прорив може вирішити ключові проблеми відправлення людей на сусідню планету, як-от радіаційне опромінення, тривалий уплив мікрогравітації на організм
Крім цього, ефективна силова установка для ракети-носія на основі ядерного реактора також зможе забезпечити енергією тривалі наземні місії, у межах яких не можна буде використовувати сонячну або вітрову енергію.
Ядерний Orion
Ні, ідеться не про новий космічний корабель, на якому NASA планує колонізувати Місяць.
1955 року американські вчені представили вкрай незвичайний проєкт «вибухольоту» Orion. Це був перспективний ядерно-імпульсний космічний корабель для дослідження міжпланетного та міжзоряного простору.
Ініціатор проєкту — американський фізик-теоретик і один із засновників квантової електродинаміки Фрімен Дайсон — запропонував буквально викидати за космічним кораблем невеликі ядерні заряди, які розганяють його за допомогою вибухової хвилі.
Передбачалася контрольована детонація 140-кілограмових атомних бомб потужністю близько 0,15 кілотонн на відстані 20−30 метрів від захисного екрану корабля. У такий спосіб Orion мав прискоритися до 40 тис. км/год приблизно за 10 хвилин.
У хвості корабля передбачена величезна плита-штовхач (Pusher), яка, залежно від конфігурації, могла важити від 500 до 1000 тонн, а її діаметр становив від 10 до 20 метрів. Автори проєкту підрахували, що такий носій зможе виводити до 1600 тонн корисного вантажу на низьку навколоземну орбіту.
Але головне його завдання — міжпланетні та міжзоряні подорожі. Для цього в окремих модулях проєктували спальні каюти, вбиральні, роздільні душові для чоловіків і жінок, а також перукарський стілець.
Завдяки дешевому й ефективному графітовому паливу творці Orion заявляли про можливість досягти орбіти Сатурна за кілька років. Проте, після запуску радянського Супутник-1 1957-го і виходу першої людини в космос 1962-го, уряд США сконцентрувався на практичніших цілях.
Використання «вибухольоту» також могло нашкодити планеті і людям: сумарні вибухи в атмосфері загальною потужністю близько 10 кілотонн могли значно збільшити радіоактивне забруднення. Хоча проєкт не дожив до стадії тестових випробувань.
Однією з головних причин є обмеження випробувань ядерної зброї, про які домовилися США та СРСР.