NASA arendab tuumaraketti, mis jõuab Marsile vaid 45 päevaga

Elame uuendatud kosmoseuuringute ajastul, kus mitmed agentuurid kavatsevad lähiaastatel astronaudid Kuule saata. Järgmisel kümnendil saadavad NASA ja Hiina meeskonnad Marsile ning peagi võivad nendega liituda ka teised riigid. Need ja muud missioonid, mis viivad astronaudid kaugemale madalast Maa orbiidist (LOO) ja Maa-Kuu süsteemist, nõuavad uusi tehnoloogiaid, mis ulatuvad elu toetamisest ja kiirguskaitsest kuni energia ja tõukejõuni. Ja kui rääkida viimasest, siis tuumasoojus- ja tuumaelektriajam (NTP/NEP) on peamine võidupretendent!

2023. aasta NASA uuenduslike täiustatud kontseptsioonide (NIAC) programmi osana on NASA valinud esimeseks arendusfaasiks tuumakontseptsiooni. See uus bimodaalsete tuumaelektrijaamade klass kasutab "rootori kiirenduslaine tsüklit" ja võib vähendada lennuaega Marsile 45 päevani.

Ettepaneku nimega Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Acceleration Cycle esitas professor Ryan Gosse, Florida ülikooli hüpersoonika programmi direktor ja Florida inseneri rakendusuuringute programmi (FLARE) meeskonnaliige. Gosse'i ettepanek on üks 14-st, mille NAIC valis sel aastal esimeseks arendusfaasiks, mis sisaldab 12 500 dollari suurust toetust projektiga seotud tehnoloogiate ja meetodite väljatöötamiseks. Muud pakkumised hõlmasid uuenduslikke andureid, mõõteriistu, tootmistehnoloogiaid, toitesüsteeme ja palju muud.

Tuumaenergia taandub sisuliselt kahele kontseptsioonile, mis mõlemad põhinevad tehnoloogiatel, mida on põhjalikult testitud ja kontrollitud. Nuclear Thermal Propulsion (NTP) puhul koosneb tsükkel tuumareaktorist, mis soojendab vedelat vesinikku (LH2), muutes selle ioniseeritud vesinikgaasiks (plasmaks), mis seejärel suunatakse läbi düüside tõukejõu tekitamiseks. Selle tõukejõusüsteemi, sealhulgas projekti katseversiooni loomiseks on tehtud mitmeid katseid vanemskaut, USA õhujõudude ja aatomienergiakomisjoni ühisprojekt, mis käivitati 1955. aastal.

1959. aastal võttis NASA üle USA õhujõududelt ja programm astus uude kosmoselendude rakendustele pühendatud faasi. Lõppkokkuvõttes viis see raketisõidukite tuumajõuseadmeni (NERVA), tahke tuumaga tuumareaktorini, mida edukalt testiti. Apollo ajastu lõppedes 1973. aastal kärbiti programmi rahastamist järsult, mis viis selle tühistamiseni enne lennukatsetuste tegemist.

Seevastu tuumaelektriline tõukejõud (NEP) toetub tuumareaktorile Halli efektiga tõukuri (ioontõukuri) toiteks, mis tekitab elektromagnetvälja, mis ioniseerib ja kiirendab inertgaasi (nt ksenooni), et tekitada tõukejõudu. Selle tehnoloogia arendamise jõupingutused hõlmavad NASA Prometheuse projekti tuumasüsteemide algatuse (NSI) raames.

Mõlemal süsteemil on traditsiooniliste keemiamootorite ees märkimisväärsed eelised, sealhulgas suurem eriimpulss (Isp), kütusesäästlikkus ja praktiliselt piiramatu energiatihedus. Kuigi kontseptsioonid erinevad selle poolest, et annavad spetsiifilise impulsi üle 10 tuhande sekundi ehk suudavad säilitada tõukejõudu ligi kolm tundi, on tõukejõu tase tavaliste rakettide ja NTP-dega võrreldes üsna madal.

Vajadus elektritoiteallika järele tõstatab Gosse sõnul ka soojuse hajumise probleemi ruumis, kus soojusenergia muundamine on ideaaltingimustes 30-40%. Ja kuigi NERVA NTP kujundused on parim meetod mehitatud missioonideks Marsile ja mujale, on sellel meetodil probleeme ka piisavate alg- ja lõplike massifraktsioonide tagamisega suure delta-lainega missioonide jaoks.

Seetõttu eelistatakse ettepanekuid, mis sisaldavad mõlemat liikumisviisi (bimodaalne), kuna need ühendavad mõlema eelised. Gosse'i ettepanek hõlmab NERVA tahkekütuse reaktoril põhinevat bimodaalset konstruktsiooni, mis annaks 900-sekundilise eriimpulsi (Isp), mis on kaks korda suurem kui keemiliste rakettide praegune jõudlus.

Gosse pakutud tsükkel sisaldab ka lainerõhuvõimendit ehk lainerootorit (WR), sisepõlemismootorites kasutatavat tehnoloogiat, mis kasutab sisselaskeõhu kokkusurumisreaktsioonil tekkivaid rõhulaineid.

NTP mootoriga ühendatud WR kasutab reaktsioonimassi edasiseks kokkusurumiseks rõhku, mis tekib LH2 kütuse kuumutamisel reaktoris. Nagu Gosse lubab, tagab see tõukejõu, mis on võrreldav NERVA-klassi NTP kontseptsiooniga, kuid käivitamisajaga 1400–2000 sekundit. NEP-tsükliga kombineerituna suureneb Gosse sõnul iha veelgi.

Kui kasutatakse tavamootoreid, võib mehitatud missioon Marsile kesta kuni kolm aastat. Need missioonid käivituvad iga 26 kuu järel, kui Maa ja Marss on kõige lähemal (nn Marsi opositsioon), ja veedavad transiidil vähemalt kuus kuni üheksa kuud.

45-päevane (kuus ja pool nädalat) transiit lühendaks missiooni koguaja aastate asemel kuudele. See vähendaks oluliselt peamisi Marsi-missioonidega seotud riske, sealhulgas kiirgusega kokkupuudet, mikrogravitatsioonis viibitud aega ja sellega seotud terviseprobleeme.

Lisaks elektrijaamadele on tehtud ettepanekuid uute reaktoriprojektide kohta, mis tagaksid stabiilse toiteallika pikaajalisteks maapealseteks missioonideks, kus päikese- ja tuuleenergia pole alati saadaval.

Näited hõlmavad NASA kilovatireaktorit, mis kasutab sterlingitehnoloogiat (KRUSTY) ja tuumasünteesi hübriidreaktorit, mis on valitud NASA esimeseks arendusfaasiks programmi NAIC 2023 raames. Need ja muud tuumatehnoloogiad võivad ühel päeval võimaldada mehitatud missioone Marsile ja mujale süvakosmoses. , võib-olla varem, kui me arvame!

Huvitav ka:

• Miks nimetas NASA Veenust Maa "kurjaks kaksikuks"?
• NASA Webbi teleskoop avastas oma esimese eksoplaneedi