Nová éra vesmírneho prieskumu za fúznymi raketovými motormi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

NASA a Elon Musk snívajú o Marse a misie do hlbokého vesmíru s ľudskou posádkou sa čoskoro stanú realitou. Asi vás to prekvapí, ale moderné rakety lietajú o niečo rýchlejšie ako rakety minulosti.

Rýchle vesmírne lode sú pohodlnejšie z rôznych dôvodov a najlepší spôsob, ako zrýchliť, sú rakety s jadrovým pohonom. Majú mnoho výhod oproti konvenčným raketám poháňaným palivom alebo moderným solárnym elektrickým raketám, ale za posledných 40 rokov vypustili Spojené štáty len osem rakiet na jadrový pohon.

V minulom roku sa však zákony týkajúce sa cestovania jadrovým vesmírom zmenili a práce na ďalšej generácii rakiet sa už začali.

Prečo je potrebná rýchlosť?

V prvej fáze akéhokoľvek letu do vesmíru je potrebná nosná raketa - vynesie loď na obežnú dráhu. Tieto veľké motory bežia na horľavé palivá - a zvyčajne, keď príde na odpaľovanie rakiet, sú myslené. Tak skoro nikam nepôjdu – rovnako ako gravitačná sila.

Ale keď loď vstúpi do vesmíru, veci sa stanú zaujímavejšie. Aby loď prekonala gravitáciu Zeme a dostala sa do hlbokého vesmíru, potrebuje dodatočné zrýchlenie. Tu vstupujú do hry jadrové systémy. Ak chcú astronauti preskúmať niečo za Mesiacom alebo ešte viac za Marsom, budú sa musieť poponáhľať. Kozmos je obrovský a vzdialenosti sú dosť veľké.

Existujú dva dôvody, prečo sú rýchle rakety vhodnejšie na cestovanie vesmírom na veľké vzdialenosti: bezpečnosť a čas.

Na ceste na Mars čelia astronauti veľmi vysokej úrovni radiácie, ktorá je plná vážnych zdravotných problémov vrátane rakoviny a neplodnosti. Pomôcť môže radiačné tienenie, ale je extrémne ťažké a čím dlhšia misia, tým výkonnejšie tienenie bude potrebné. Preto najlepším spôsobom, ako znížiť dávku žiarenia, je jednoducho sa rýchlejšie dostať do cieľa.

Bezpečnosť posádky však nie je jedinou výhodou. Čím vzdialenejšie lety plánujeme, tým skôr potrebujeme údaje z bezpilotných misií. Voyageru 2 trvalo 12 rokov, kým sa dostal k Neptúnu – a keď preletel okolo, urobil niekoľko neuveriteľných obrázkov. Ak by mal Voyager výkonnejší motor, tieto fotografie a údaje by sa u astronómov objavili oveľa skôr.

Rýchlosť je teda výhodou. Prečo sú však jadrové systémy rýchlejšie?

Dnešné systémy

Po prekonaní gravitačnej sily musí loď zvážiť tri dôležité aspekty.

Ťah- aké zrýchlenie loď dostane.

Účinnosť hmotnosti- koľko ťahu dokáže systém vyvinúť na dané množstvo paliva.

Špecifická spotreba energie- koľko energie vydáva dané množstvo paliva.

Dnes sú najbežnejšími chemickými motormi konvenčné rakety poháňané palivom a elektrické rakety na solárny pohon.

Chemické pohonné systémy poskytujú veľký ťah, ale nie sú obzvlášť efektívne a raketové palivo nie je energeticky veľmi náročné. Raketa Saturn 5, ktorá vyniesla astronautov na Mesiac, dodala pri štarte silu 35 miliónov newtonov a vyniesla 950 000 galónov (4 318 787 litrov) paliva. Väčšina z toho išla na to, aby sa raketa dostala na obežnú dráhu, takže obmedzenia sú zrejmé: kamkoľvek idete, potrebujete veľa ťažkého paliva.

Elektrické pohonné systémy generujú ťah pomocou elektriny zo solárnych panelov. Najbežnejším spôsobom, ako to dosiahnuť, je použitie elektrického poľa na urýchlenie iónov, napríklad ako v Hallovej indukčnej tryske. Tieto zariadenia sa používajú na napájanie satelitov a ich hmotnostná účinnosť je päťkrát vyššia ako u chemických systémov. Zároveň však vydávajú oveľa menší ťah - asi 3 newtony. To stačí na zrýchlenie auta z 0 na 100 kilometrov za hodinu za približne dve a pol hodiny. Slnko je v podstate bezodný zdroj energie, no čím ďalej sa od neho loď vzďaľuje, tým je menej užitočná.

Jedným z dôvodov, prečo sú jadrové strely obzvlášť perspektívne, je ich neuveriteľná energetická náročnosť. Uránové palivo používané v jadrových reaktoroch má energetický obsah 4 miliónkrát väčší ako hydrazín, typické chemické raketové palivo. A je oveľa jednoduchšie dostať trochu uránu do vesmíru ako státisíce galónov paliva.

A čo trakcia a efektívnosť hmotnosti?

Dve jadrové možnosti

Pre vesmírne cesty inžinieri vyvinuli dva hlavné typy jadrových systémov.

Prvým je termonukleárny motor. Tieto systémy sú veľmi výkonné a vysoko efektívne. Používajú malý jadrový štiepny reaktor – ako tie na jadrových ponorkách – na ohrev plynu (napríklad vodíka). Tento plyn sa potom urýchľuje cez trysku rakety, aby sa zabezpečil ťah. Inžinieri NASA vypočítali, že cesta na Mars pomocou termonukleárneho motora bude o 20-25 % rýchlejšia ako raketa s chemickým motorom.

Fusion motory sú viac ako dvakrát účinnejšie ako chemické. To znamená, že pri rovnakom množstve paliva dodávajú dvojnásobný ťah – až 100 000 Newtonov ťahu. To stačí na zrýchlenie auta na rýchlosť 100 kilometrov za hodinu za približne štvrť sekundy.

Druhým systémom je jadrový elektrický raketový motor (NEPE). Žiadna z nich ešte nebola vytvorená, ale myšlienkou je použiť výkonný štiepny reaktor na výrobu elektriny, ktorá potom bude poháňať elektrický pohonný systém ako Hallov motor. To by bolo veľmi efektívne – asi trikrát účinnejšie ako fúzny motor. Keďže výkon jadrového reaktora je obrovský, môže pracovať niekoľko samostatných elektromotorov súčasne a ťah sa ukáže ako solídny.

Jadrové raketové motory sú možno najlepšou voľbou pre misie s extrémne dlhým dosahom: nevyžadujú slnečnú energiu, sú veľmi účinné a poskytujú relatívne vysoký ťah. Ale napriek všetkej ich sľubnej povahe má pohonný systém jadrovej energie stále veľa technických problémov, ktoré bude potrebné vyriešiť pred uvedením do prevádzky.

Prečo stále neexistujú rakety s jadrovým pohonom?

Termonukleárne motory sa skúmajú od 60. rokov minulého storočia, no do vesmíru ešte nelietali.

Podľa charty zo 70. rokov bol každý jadrový vesmírny projekt posudzovaný samostatne a nemohol ísť ďalej bez súhlasu viacerých vládnych agentúr a samotného prezidenta. Spolu s nedostatkom financií na výskum jadrových raketových systémov to brzdilo ďalší vývoj jadrových reaktorov na použitie vo vesmíre.

Všetko sa však zmenilo v auguste 2019, keď Trumpova administratíva vydala prezidentské memorandum. Hoci nová smernica trvá na maximálnej bezpečnosti jadrových štartov, stále umožňuje jadrové misie s nízkymi množstvami rádioaktívneho materiálu bez zložitého medzirezortného schvaľovania. Postačuje potvrdenie sponzorskej agentúry, ako je NASA, že misia je v súlade s bezpečnostnými odporúčaniami. Veľké jadrové misie prechádzajú rovnakými procedúrami ako predtým.

Spolu s touto revíziou pravidiel dostala NASA 100 miliónov dolárov z rozpočtu na rok 2019 na vývoj termonukleárnych motorov. Agentúra pre obranné pokročilé výskumné projekty tiež vyvíja termonukleárny vesmírny motor pre národné bezpečnostné operácie mimo obežnej dráhy Zeme.

Po 60 rokoch stagnácie je možné, že jadrová raketa pôjde do vesmíru v priebehu desaťročia. Tento neuveriteľný úspech zaháji novú éru prieskumu vesmíru. Človek pôjde na Mars a vedecké experimenty povedú k novým objavom v celej slnečnej sústave aj mimo nej.