Kosmické Lodě Musí Být Jaderně Poháněny, Aby Prozkoumaly Vesmír - Alternativní Pohled

Obsah:

Kosmické Lodě Musí Být Jaderně Poháněny, Aby Prozkoumaly Vesmír - Alternativní Pohled
Kosmické Lodě Musí Být Jaderně Poháněny, Aby Prozkoumaly Vesmír - Alternativní Pohled
Anonim

Americký profesor vysvětluje, proč jsou jaderné raketové motory účinnější než chemické. Proto jsou to ti, kdo pomohou prozkoumat Mars a všechno mimo něj. Nemyslí si však na otázku, zda bude mít NASA dostatek peněz na vývoj takových motorů, pokud je do nich zapojen i Pentagon, a dostane první.

Sny NASA a Elon Musk o Marsu a vesmírných misích s posádkou se brzy stanou skutečností. Pravděpodobně budete překvapeni, ale moderní rakety létají trochu rychleji než rakety minulosti.

Rychlé kosmické lodě jsou výhodnější z různých důvodů a nejlepší způsob, jak urychlit, je u jaderných raket. Mají mnoho výhod oproti konvenčním palivovým raketám nebo moderním solárním elektrickým raketám, ale v posledních 40 letech Spojené státy uvedly na trh pouze osm jaderných raket.

V uplynulém roce se však změnily zákony týkající se cestování jaderným vesmírem a práce na další generaci raket již začala.

Proč je potřeba rychlost?

V první etapě jakéhokoli letu do vesmíru je potřeba startovací vozidlo - vezme loď na oběžné dráhy. Tyto velké motory běží na hořlavé palivo - a pokud jde o vypouštění raket, obvykle je mají na mysli. Brzy se nikam nedostanou - ani gravitační síla.

Ale když loď vstoupí do vesmíru, věci se stávají zajímavějšími. K překonání gravitace Země a do hlubokého vesmíru potřebuje loď další zrychlení. To je místo, kde začínají hrát jaderné systémy. Pokud chtějí astronauti prozkoumat něco za Měsícem nebo ještě více Marsem, musí si pospíšit. Vesmír je obrovský a vzdálenosti jsou poměrně velké.

Propagační video:

Existují dva důvody, proč jsou rychlé rakety vhodnější pro cestování na velké vzdálenosti: bezpečnost a čas.

Na cestě na Mars čelí astronauti velmi vysoké úrovni radiace, která je plná závažných zdravotních problémů, včetně rakoviny a neplodnosti. Radiační stínění může pomoci, ale je extrémně těžké a čím delší je mise, bude potřeba silnější stínění. Proto nejlepším způsobem, jak snížit dávku záření, je rychle se dostat do cíle.

Ale bezpečnost posádky není jedinou výhodou. Čím více letů plánujeme, tím dříve potřebujeme data z bezpilotních misí. Trvalo Voyageru 2 12 let, než se dostal do Neptunu - a jak to prolétlo, pořídilo několik neuvěřitelných obrázků. Kdyby měl Voyager silnější motor, tyto fotografie a data by se objevily u astronomů mnohem dříve.

Rychlost je tedy výhodou. Ale proč jsou jaderné systémy rychlejší?

Dnešní systémy

Po překonání gravitační síly musí loď zvážit tři důležité aspekty.

Nejběžnější dnes jsou chemické motory - to jsou konvenční palivové rakety a solární elektrické rakety.

Chemické pohonné systémy poskytují hodně tahu, ale nejsou příliš účinné a raketové palivo není příliš energeticky náročné. Raketa Saturn 5, která nesla astronauty na Měsíc, dodala při vzletu 35 milionů newtonů a nesla 950 000 galonů (4 318 787 litrů) paliva. Většina z toho směřovala k tomu, aby se raketa dostala na orbitu, takže omezení jsou zřejmá: kamkoli jdete, potřebujete hodně těžkého paliva.

Elektrické pohonné systémy generují tah pomocí elektřiny ze solárních panelů. Nejběžnějším způsobem, jak toho dosáhnout, je použití elektrického pole ke zrychlení iontů, jako je například Hallův indukční pohon. Tato zařízení se používají k napájení satelitů a jejich hmotnostní účinnost je pětkrát vyšší než u chemických systémů. Zároveň však vydávají mnohem méně tahu - asi 3 newtony. To stačí k urychlení vozu z 0 na 100 kilometrů za hodinu během asi dvou a půl hodin. Slunce je v podstatě bezedným zdrojem energie, ale čím dále se loď od ní vzdálí, tím méně je užitečná.

Jedním z důvodů, proč jsou jaderné rakety zvláště nadějné, je jejich neuvěřitelná energetická náročnost. Uranové palivo používané v jaderných reaktorech má energetickou náročnost 4 miliónkrát vyšší než hydrazin, typické chemické raketové palivo. A je mnohem snazší dostat nějaký uran do vesmíru než stovky tisíc galonů paliva.

A co trakční a hmotnostní účinnost?

Dvě jaderné varianty

Pro vesmírné cestování vyvinuli inženýři dva hlavní typy jaderných systémů.

První je termonukleární motor. Tyto systémy jsou velmi výkonné a vysoce efektivní. Používají malý jaderný štěpný reaktor - jako ty na jaderných ponorkách - k ohřevu plynu (jako je vodík). Tento plyn je pak urychlován skrz trysku rakety, aby poskytl tah. Inženýři NASA vypočítali, že cesta na Mars pomocí termonukleárního motoru bude o 20-25% rychlejší než raketa s chemickým motorem.

Fúzní motory jsou více než dvakrát účinnější než chemické. To znamená, že dodávají dvakrát tolik tahu za stejné množství paliva - až 100 000 newtonů tahu. To stačí ke zrychlení vozu na 100 kilometrů za hodinu během čtvrtiny sekundy.

Druhým systémem je jaderný elektrický raketový motor (NEP). Žádný z nich dosud nebyl vytvořen, ale myšlenkou je použít výkonný štěpný reaktor k výrobě elektřiny, který pak bude řídit elektrický pohonný systém jako Hallův motor. To by bylo velmi efektivní - asi třikrát účinnější než fúzní motor. Protože energie jaderného reaktoru je obrovská, může pracovat několik samostatných elektromotorů současně a tah se ukáže jako pevný.

Jaderné raketové motory jsou možná nejlepší volbou pro extrémně dlouhé úkoly: nevyžadují sluneční energii, jsou velmi účinné a poskytují relativně vysoký tah. Ale pro celou svou slibnou povahu má pohonný systém jaderné energie stále mnoho technických problémů, které bude třeba vyřešit před uvedením do provozu.

Proč ještě neexistují jaderné rakety?

Fúzní motory byly studovány od šedesátých let, ale dosud nepronikly do vesmíru.

Podle charty sedmdesátých let byl každý jaderný vesmírný projekt posuzován samostatně a nemohl jít dále bez schválení řady vládních agentur a samotného prezidenta. Ve spojení s nedostatkem financování výzkumu jaderných raketových systémů to zabránilo dalšímu vývoji jaderných reaktorů pro použití ve vesmíru.

To se ale změnilo v srpnu 2019, když Trumpova správa vydala prezidentské memorandum. Nová směrnice, která trvá na maximální bezpečnosti vypouštění jaderných zbraní, stále umožňuje jaderné mise s nízkým množstvím radioaktivního materiálu bez komplikovaného schvalování mezi agenturami. Postačuje potvrzení sponzorující agenturou, jako je NASA, že mise splňuje bezpečnostní doporučení. Velké jaderné mise procházejí stejnými postupy jako dříve.

Spolu s touto revizí pravidel získala NASA z rozpočtu na rok 2019 100 milionů dolarů na vývoj termonukleárních motorů. Agentura obrany pro pokročilé výzkumné projekty také vyvíjí termonukleární kosmický motor pro operace národní bezpečnosti mimo orbitu Země.

Po 60 letech stagnace je možné, že jaderná raketa vstoupí do vesmíru během deseti let. Tento neuvěřitelný úspěch bude znamenat novou éru výzkumu vesmíru. Člověk půjde na Mars a vědecké experimenty povedou k novým objevům v celé sluneční soustavě i mimo ni.

Iain Boyd je profesorem leteckého inženýrství na University of Colorado v Boulderu