Amerikkalainen professori selittää, miksi ydinrakettimoottorit ovat tehokkaampia kuin kemialliset. Siksi he ovat niitä, jotka auttavat tutkimaan Marsia ja kaikkea sen ulkopuolella olevaa. Mutta hän ei ajattele kysymystä siitä, onko NASA: lla tarpeeksi rahaa tällaisten moottorien kehittämiseen, jos Pentagon myös harjoittaa niitä, ja hänelle annetaan ensin.
NASA ja Elon Musk haaveilevat Marsista, ja miehitetyt syväavaruusoperaatiot tulevat pian todellisuudeksi. Saatat yllättyä, mutta modernit raketit lentävät hiukan nopeammin kuin menneisyyden raketit.
Nopeat avaruusalukset ovat kätevämpiä monista syistä, ja paras tapa kiihdyttää on ydinvoimalla toimivia raketteja. Heillä on monia etuja verrattuna tavanomaisiin polttoainekäyttöisiin raketteihin tai moderneihin aurinkoenergialla toimiviin sähköraketteihin, mutta viimeisen 40 vuoden aikana Yhdysvallat on käynnistänyt vain kahdeksan ydinvoimaloita käyttävää rakettia.
Ydinavaruusmatkaa koskevaa lakia muutettiin kuitenkin viime vuonna, ja seuraavan sukupolven rakettien käsittely on jo aloitettu.
Miksi nopeutta tarvitaan?
Minkä tahansa avaruuteen tapahtuvan lennon ensimmäisessä vaiheessa tarvitaan laukaisuajoneuvo - se vie laivan kiertoradalle. Nämä suuret moottorit käyttävät palavaa polttoainetta - ja yleensä rakettien laukaistaessa ne tarkoittavat niitä. Ne eivät ole menossa minnekään pian - samoin kuin painovoima.
Mutta kun alus saapuu avaruuteen, asiat muuttuvat mielenkiintoisemmiksi. Maan painovoiman voittamiseksi ja syvään avaruuteen pääsemiseksi alus tarvitsee lisäkiihtyvyyttä. Ydinjärjestelmät tulevat tänne pelaamaan. Jos astronautit haluavat tutkia jotain Kuun tai vielä enemmän Marsin ulkopuolella, heidän on kiirehdittava. Kosmos on valtava, ja etäisyydet ovat melko suuret.
Mainosvideo:
On kaksi syytä, miksi nopeat raketit sopivat paremmin pitkän matkan avaruusmatkoihin: turvallisuus ja aika.
Matkalla Marsiin astronautit kohtaavat erittäin korkeaa säteilytasoa, joka on täynnä vakavia terveysongelmia, mukaan lukien syöpä ja hedelmättömyys. Säteilysuojaus voi auttaa, mutta se on erittäin raskas ja mitä pidempi tehtävä, sitä voimakkaampaa suojausta tarvitaan. Siksi paras tapa vähentää säteilyannosta on yksinkertaisesti päästä määränpäähänsi nopeammin.
Mutta miehistön turvallisuus ei ole ainoa etu. Mitä kauempana olevia lentoja suunnittelemme, sitä nopeammin tarvitsemme tietoja miehittämättömistä operaatioista. Voyager 2: lla kesti 12 vuotta saavuttaakseen Neptunuksen - ja lentääkseen se otti uskomattomia kuvia. Jos Voyagerilla olisi tehokkaampi moottori, nämä valokuvat ja tiedot olisivat ilmestyneet tähtitieteilijöille paljon aikaisemmin.
Joten nopeus on etu. Mutta miksi ydinjärjestelmät ovat nopeampia?
Tämän päivän järjestelmät
Saatuaan voimaan painovoiman, aluksen on otettava huomioon kolme tärkeää näkökohtaa.
Nykyisin yleisimmät ovat kemialliset moottorit - ts. Tavanomaiset polttoainekäyttöiset raketit ja aurinkoenergialla toimivat sähköraketit.
Kemialliset työntövoimajärjestelmät tarjoavat paljon työntövoimaa, mutta eivät ole erityisen tehokkaita, ja rakettipolttoaine ei ole kovin energiaintensiivistä. Saturn 5 -raketti, joka kuljetti astronautteja kuuhun, toimitti 35 miljoonaa newtonia voimaa lentoonlähdössä ja kantoi 950 000 gallonaa (4 318 787 litraa) polttoainetta. Suurin osa siitä meni raketin pääsylle kiertoradalle, joten rajoitukset ovat ilmeiset: minne ikinä menetkin, tarvitset paljon raskaata polttoainetta.
Sähkökäyttöiset järjestelmät tuottavat työntövoimaa aurinkopaneeleista tulevalla sähköllä. Yleisin tapa saavuttaa tämä on käyttää sähkökenttää ionien kiihdyttämiseen, kuten Hallin induktioprosessorissa. Näitä laitteita käytetään satelliittien syöttämiseen, ja niiden painohyötysuhde on viisinkertainen kemiallisiin järjestelmiin verrattuna. Mutta samaan aikaan ne antavat paljon vähemmän työntövoimaa - noin 3 newtonia. Tämä riittää vain kiihdyttämään autoa 0: sta 100: een kilometriin tunnissa noin kahden ja puolen tunnin sisällä. Aurinko on pohjimmiltaan pohjaton energialähde, mutta mitä kauemmas alus liikkuu siitä, sitä vähemmän hyödyllistä se on.
Yksi syy siihen, miksi ydinaseet ovat erityisen lupaavia, on niiden uskomaton energiaintensiteetti. Ydinreaktoreissa käytetyn uraanipolttoaineen energiasisältö on 4 miljoonaa kertaa hydratsiinin, tyypillisen kemiallisen rakettipolttoaineen, energiapitoisuus. Ja on paljon helpompaa saada uraania avaruuteen kuin satoja tuhansia galloneita polttoainetta.
Entä pito ja paino tehokkuus?
Kaksi ydinvaihtoehtoa
Avaruusmatkoihin insinöörit ovat kehittäneet kaksi päätyyppiä ydinjärjestelmiä.
Ensimmäinen on lämpöydinmoottori. Nämä järjestelmät ovat erittäin tehokkaita ja erittäin tehokkaita. He käyttävät pientä ydinfissioreaktoria - kuten ydinsukellusveneissäkin - kaasun (kuten vedyn) lämmittämiseen. Tätä kaasua kiihdytetään sitten raketin suuttimen läpi työntövoiman aikaansaamiseksi. NASA: n insinöörit ovat laskenut, että matka Marsiin lämpöydinmoottoria käyttäen on 20-25% nopeampaa kuin kemikaalimoottorilla varustettu raketti.
Fuusiomoottorit ovat yli kaksi kertaa tehokkaampia kuin kemialliset. Tämä tarkoittaa, että ne toimittavat kaksinkertaisesti enemmän työntövoimaa samalla polttoainemäärällä - jopa 100 000 newtonia työntövoimaa. Tämä riittää kiihdyttämään auton nopeuteen 100 kilometriä tunnissa noin neljänneksen sekunnissa.
Toinen järjestelmä on ydinsähköinen rakettimoottori (NEP). Mikään näistä ei ole vielä luotu, mutta idea on käyttää tehokasta fissioreaktoria sähkön tuottamiseen, joka sitten toimittaa sähkökäyttöistä järjestelmää kuten Hall-moottori. Se olisi erittäin tehokas - noin kolme kertaa tehokkaampi kuin fuusiokone. Koska ydinreaktorin teho on valtava, useat erilliset sähkömoottorit voivat toimia samanaikaisesti, ja työntövoima osoittautuu kiinteäksi.
Ydinrakettimoottorit ovat ehkä paras valinta erittäin pitkän kantaman tehtäviin: ne eivät vaadi aurinkoenergiaa, ovat erittäin tehokkaita ja tarjoavat suhteellisen suuren työntövoiman. Mutta kaikella lupaavalla luonteeltaan ydinvoiman käyttöjärjestelmässä on edelleen monia teknisiä ongelmia, jotka on ratkaistava ennen käyttöönottoa.
Miksi ydinkäyttöisiä ohjuksia ei vieläkään ole?
Fuusiomoottoreita on tutkittu 1960-luvulta lähtien, mutta niitä ei ole vielä lentänyt avaruuteen.
1970-luvun peruskirjan nojalla jokaista ydinavaruushanketta tarkasteltiin erikseen, eikä sitä voitu viedä pidemmälle ilman useiden valtion virastojen ja presidentin suostumusta. Yhtenäisen ohjusjärjestelmien tutkimuksen rahoituksen puutteen kanssa tämä on estänyt avaruudessa käytettävien ydinreaktorien kehittämisen edelleen.
Mutta kaikki muuttui elokuussa 2019, kun Trumpin hallinto antoi presidentin muistion. Vaikka uusi direktiivi vaatii ydinlaitosten maksimaalista turvallisuutta, se sallii silti ydinoperaatioiden, joissa on vähän radioaktiivista ainetta, ilman monimutkaista toimielinten välistä hyväksyntää. NASAn kaltaisen sponsoroivan viraston vakuutus siitä, että operaatio on turvallisuussuositusten mukainen, riittää. Suuret ydinlaitokset käyvät läpi samat menettelyt kuin ennen.
Sääntöjen tarkistuksen yhteydessä NASA sai 100 miljoonaa dollaria vuoden 2019 talousarviosta lämpöydinmoottorien kehittämiseen. Puolustustutkimuksen edistyneiden tutkimushankkeiden virasto kehittää myös ydinvoima-avaruusmoottoria kansallisen turvallisuuden operaatioihin maan radan ulkopuolella.
60 vuoden pysähtymisen jälkeen on mahdollista, että ydinrakettia menee avaruuteen kymmenen vuoden kuluessa. Tämä uskomaton saavutus avaa uuden avaruustutkimuksen aikakauden. Ihminen menee Marsille, ja tieteelliset kokeilut johtavat uusiin löytöihin koko aurinkokunnassa ja sen ulkopuolella.
Iain Boyd on ilmailu- ja avaruustekniikan professori Coloradon yliopistossa Boulderissa