От Земли до Марса за 100 дней? Мощь ядерных ракет

Художественное изображение бимодальной ядерной ракеты на низкой околоземной орбите. Авторы и права: NASA.

Солнечная система настолько огромна, что путешествия между мирами с помощью так называемых химических ракет (работающих на простом химическом топливе) занимали бы целую вечность. Но разработанная ещё в 1960-х годах технология ядерных ракет может значительно сократить время наших путешествий.

Разумеется, что запуск ракет, ведомых радиоактивными материалами, сопровождается очевидными рисками. Стоит ли тогда их использовать?

Допустим, что вы хотите добраться до Марса на химической ракете. Вы бы оторвались от поверхности планеты и направились на низкую околоземную орбиту. Затем, в правильно рассчитанный момент вы бы запустили следующую ступень своего корабля и по эллиптической траектории направились бы прочь от Солнца. Таким образом вы бы достигли Марса через 8 месяцев полета.

Этот метод использования орбит планет для запуска космических кораблей известен как орбитальный манёвр или переход Гомана. Это самый эффективный из известных нам способов путешествия в космосе, позволяющий используя минимум топлива, переносить максимум полезной нагрузки. Главный минус – количество занимаемого времени. Но ведь на протяжении всего полета астронавтам нужно кушать, пить и чем-то дышать. Добавим к этому ещё и длительное воздействие космической радиации на экипаж. А обратный путь удвоит количество необходимых ресурсов.

Сверхтяжёлая ракета
Художественное изображение запуска сверхтяжёлой ракеты SLS. Она разрабатывается НАСА для пилотируемых полётов за пределами земной орбиты и станет самой мощной ракетой из когда-либо созданных человеком. Авторы и права: NASA.

Нам нужно ускориться!

Как оказалось, НАСА искало эффективное решение этой задачи последние 50 лет.

Ядерный ракетный двигатель. Этот метод однозначно ускорит путешествия, хотя он и влечёт за собой определённые риски, а потому ещё не использовался. Возможно, его время настало.

В 1961 году НАСА совместно с Комиссией по атомной энергии разработала идею о применении ядерного топлива для питания ракетоносителей. Вернер фон Браун, пионер этой отрасли, надеялся, что благодаря этому методу первые пилотируемые миссии на Марс состоятся уже в 1980-х годах.

Ну, этого не произошло. Зато команда провела ряд успешных тестов и продемонстрировала состоятельность разработки.

Вкратце, химические ракеты работают следующим образом: при сжигании горючих химических веществ происходит выброс газа из сопла. Согласно старому доброму третьему закону Ньютона, ракета получает толчок в противоположную от выброса сторону.

Ядерная ракета работает похожим образом. Шарик уранового топлива подвергается расщеплению, выделяя чудовищное количество тепла. Из-за этой реакции водород нагревается до 2500oC, затем он с высокой скоростью вырывается из задней части ракеты. С очень, ОЧЕНЬ высокой скоростью, что даёт ускорение ракете в три раза эффективнее, чем химический двигатель.

Помните про 8 месяцев полёта для химической ракеты? Ядерная сократит время транзита в два раза, вплоть до 100 дней. Это приведёт к меньшему расходу ресурсов астронавтами и меньшей радиационной нагрузке.

Есть еще одно преимущество: мощность ядерного двигателя исключит необходимость ожидания момента, когда планеты достигнут идеальной для запуска траектории. Сейчас промежуток между окнами составляет два года.

Первые испытания ядерных ракет начались в 1955 году с проекта “Ровер”, которым занимались в научной лаборатории Лос Аламос. Ключевой разработкой было уменьшение реактора до размеров, подходящих для установки на ракету. В следующие несколько лет инженеры построили и испытали дюжину установок разных размеров и мощностей.

Первый экспериментальный ядерный ракетный двигатель XE. Станция разработки ядерных ракет в Джекес Флетс, Невада. Авторы и права: NASA.

Успех проекта заставил НАСА задуматься об использовании ядерного реактора для пилотируемой миссии на Марс, которой планировали заняться после возвращения Аполлона с Луны.

Ядерные ракеты, само собой, небезопасны. Реактор на борту станет маленьким источником радиации для астронавтов, но это меньшее из зол. Глубокий космос сам по себе угрожает чудовищной радиацией, которая разрушает ДНК экипажа. Поэтому предпочтительней использовать источник меньшего излучения, лишь бы сократить время перелёта.

Итак, в конце 1960-х годов НАСА запускает программу NERVA, целью которой как раз являлась разработка ядерного ракетоносителя для марсианской миссии. Они тестировали мощнейшие установки прямо посреди пустыни Невада, направляя струю раскалённого водородного газа в атмосферу (законы о сохранении окружающей среды в то время были гораздо мягче).

NERVA NRX (первый прототип проекта) тестировали почти два часа, из них 28 минут на полной мощности. Второй двигатель испытывали 28 раз.

В конце концов, инженеры создали самый мощный ядерный двигатель из когда-либо созданных – Фивос 2А. Он выдал 4000 мегаватт и работал на полной мощности в течение 12 минут.

Несмотря на то, что многие компоненты так и не были установлены на готовую к полету ракету, учёные остались довольны своими достижениями и ожидали старта марсианской миссии.

Однако правительство США отказалось от неё, вместо этого решив финансировать разработку и строительство космических шаттлов.

Шаттл
Шаттл “Атлантис” над Космическим центром Кеннеди, Флорида. Авторы и права: NASA.

Программа была закрыта в 1973 году и с тех пор никто больше не испытывал ядерные ракеты.

Но недавние технологические достижения вернули привлекательность ядерных ускорителей. В 1960-х годах единственным источником для реакции был обогащённый уран. Сейчас инженеры пробуют использовать обеднённый.

Такой подход гораздо безопаснее, а значит больше лабораторий смогут участвовать в исследованиях и разработках. К тому же станет проще захватывать радиоактивные частицы из выхлопного газа и использовать их. Все эти возможности приведут к существенному удешевлению технологии.

22 мая 2019 года конгресс США выделил 125 миллионов долларов на финансирование новых разработок в области ядерных ракетных двигателей. От НАСА теперь ждут план на ближайшие несколько лет по реализации этих средств, который, помимо прочего, должен включать в себя непосредственно демонстрацию готового двигателя в открытом космосе, а также разработку будущих миссий с использованием этих установок.

Солнце
Наше Солнце – звезда второй популяции возрастом около пяти миллиардов лет. Она включает в себя элементы, которые тяжелее водорода и гелия, а также кислород, углерод, неон и железо. Авторы и права: NASA / Solar Dynamics Observatory.

Ядерное расщепление вот-вот даст нам власть над атомом. Но что насчёт синтеза? Куда атомы водорода, превращённые в гелий, высвобождают энергию?

Внутри Солнца происходит реакция ядерного синтеза благодаря огромной массе и температуре ядра. Для нас, тщедушных людишек, контроль подобного процесса долгое время был недостижим.

Крупные эксперименты вроде европейского ITER дают надежду на то, что уже в следующем десятилетии нам это удастся. Нетрудно представить, как позднее реакторы ядерного синтеза будут подвергаться миниатюризации до тех пор, пока их можно будет установить в качестве двигателя на космическую ракету.

Ядерный комплекс
Строительство комплекса ядерного синтеза ITER в Европе. Авторы и права: ITER.

И нам, возможно, даже не придётся так долго ждать. Группа исследователей Лаборатории физики плазмы из Принстона прямо сейчас работает над концептом двигателя прямого синтеза, который, по их расчётам, будет готов гораздо раньше.

Разработка базируется на принстонском реакторе синтеза с обращённым полем, созданным в 2002 году Самуэлем Коэном. Горячая плазма гелия-3 и дейтерий помещаются в магнитный контейнер. Гелий-3 на Земле встречается крайне редко, а ценность его заключается в том, что при ядерном синтезе этот изотоп выделяет мало опасной радиации и с меньшей потерей энергии, чем при использовании других элементов.

Как и в случае с расщеплением атома, синтез нагревает ракетное топливо до экстремально высоких температур, затем этот горячий газ вырывается из сопла и придаёт кораблю ускорение.

Такой реактор работает следующим образом: ряд магнитов удерживает и вращает очень горячую плазму. Антенны внутри резервуара настроены на определённую частоту ионов и создают ток внутри плазмы. Энергия этих ионов повышается до уровня ядерного синтеза, что приводит к производству новых частиц. Эти частицы блуждают внутри камеры, пока не оказываются пойманными магнитным полем, после чего они под ускорением выбрасываются из ракеты.

Спутник
Концепт-арт спутниковой системы, использующей энергию синтеза. Авторы и права: Princeton Satellite Systems.

Теоретически, ракета на синтезе сможет достигать 2,5-5 ньютонов тяги на 1 мегаватт. Результатом станет удельный импульс в 10 000 секунд против 850 для реактора расщепления и 450 для химических ракет. Кроме того, это позволит производить электричество для космических кораблей вдалеке от Солнца, где солнечные панели становятся неэффективными.

Двигатель прямого синтеза позволит десятитонному кораблю долететь до Сатурна за два года, а полёт однотонного от Земли до Плутона займет всего 4 года. Станции “Новые горизонты” на это потребовалось 10 лет.

Учитывая мощность реактора в 1 мегаватт, он сможет обеспечить энергией все инструменты миссий после прибытия на целевой объект. Энергией гораздо, ГОРАЗДО большей мощности, чем нынешние ядерные батареи.

Только представьте, какие космические операции станут доступны с этой технологией.

Перевод: Дмитрий Гришин (специально для ресурса UniverseTodayRu).

Вы могли пропустить:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *