Μια νέα εποχή εξερεύνησης του διαστήματος πίσω από κινητήρες πυραύλων σύντηξης

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Η NASA και ο Έλον Μασκ ονειρεύονται τον Άρη και οι επανδρωμένες αποστολές στο βαθύ διάστημα θα γίνουν σύντομα πραγματικότητα. Μάλλον θα εκπλαγείτε, αλλά οι σύγχρονοι πύραυλοι πετούν λίγο πιο γρήγορα από τους πύραυλους του παρελθόντος.

Τα γρήγορα διαστημόπλοια είναι πιο βολικά για διάφορους λόγους και ο καλύτερος τρόπος για επιτάχυνση είναι μέσω πυρηνικών πυραύλων. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών πυραύλων με καύσιμο ή των σύγχρονων ηλεκτρικών πυραύλων με ηλιακή ενέργεια, αλλά τα τελευταία 40 χρόνια, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν εκτοξεύσει μόνο οκτώ πυρηνικούς πυραύλους.

Ωστόσο, τον περασμένο χρόνο, οι νόμοι σχετικά με τα πυρηνικά διαστημικά ταξίδια άλλαξαν και οι εργασίες για την επόμενη γενιά πυραύλων έχουν ήδη ξεκινήσει.

Γιατί χρειάζεται ταχύτητα;

Στο πρώτο στάδιο οποιασδήποτε πτήσης στο διάστημα, χρειάζεται ένα όχημα εκτόξευσης - παίρνει το πλοίο σε τροχιά. Αυτοί οι μεγάλοι κινητήρες λειτουργούν με εύφλεκτα καύσιμα - και συνήθως όταν πρόκειται για εκτόξευση πυραύλων, εννοούνται. Δεν πάνε πουθενά σύντομα - όπως είναι η δύναμη της βαρύτητας.

Όταν όμως το πλοίο μπαίνει στο διάστημα, τα πράγματα γίνονται πιο ενδιαφέροντα. Για να ξεπεράσει τη βαρύτητα της Γης και να πάει στο βαθύ διάστημα, το πλοίο χρειάζεται επιπλέον επιτάχυνση. Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι τα πυρηνικά συστήματα. Αν οι αστροναύτες θέλουν να εξερευνήσουν κάτι πέρα από τη Σελήνη ή ακόμα περισσότερο τον Άρη, θα πρέπει να βιαστούν. Ο κόσμος είναι τεράστιος και οι αποστάσεις είναι μάλλον μεγάλες.

Υπάρχουν δύο λόγοι για τους οποίους οι γρήγοροι πύραυλοι είναι πιο κατάλληλοι για διαστημικά ταξίδια μεγάλων αποστάσεων: ασφάλεια και χρόνος.

Στο δρόμο προς τον Άρη, οι αστροναύτες αντιμετωπίζουν πολύ υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας, γεμάτα με σοβαρά προβλήματα υγείας, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου και της στειρότητας. Η θωράκιση από την ακτινοβολία μπορεί να βοηθήσει, αλλά είναι εξαιρετικά βαριά και όσο μεγαλύτερη είναι η αποστολή, τόσο πιο ισχυρή θωράκιση θα χρειαστεί. Επομένως, ο καλύτερος τρόπος για να μειώσετε τη δόση ακτινοβολίας είναι απλώς να φτάσετε στον προορισμό σας πιο γρήγορα.

Αλλά η ασφάλεια του πληρώματος δεν είναι το μόνο όφελος. Όσο πιο απομακρυσμένες πτήσεις σχεδιάζουμε, τόσο πιο γρήγορα χρειαζόμαστε δεδομένα από μη επανδρωμένες αποστολές. Το Voyager 2 χρειάστηκε 12 χρόνια για να φτάσει στον Ποσειδώνα - και καθώς περνούσε, τράβηξε μερικές απίστευτες φωτογραφίες. Εάν το Voyager είχε έναν πιο ισχυρό κινητήρα, αυτές οι φωτογραφίες και τα δεδομένα θα είχαν εμφανιστεί στους αστρονόμους πολύ νωρίτερα.

Άρα η ταχύτητα είναι πλεονέκτημα. Γιατί όμως τα πυρηνικά συστήματα είναι πιο γρήγορα;

Τα σημερινά συστήματα

Έχοντας ξεπεράσει τη δύναμη της βαρύτητας, το πλοίο πρέπει να εξετάσει τρεις σημαντικές πτυχές.

Ωθηση- τι επιτάχυνση θα λάβει το πλοίο.

Αποδοτικότητα βάρους- πόση ώση μπορεί να παράγει το σύστημα για μια δεδομένη ποσότητα καυσίμου.

Ειδική κατανάλωση ενέργειας- πόση ενέργεια εκπέμπει μια δεδομένη ποσότητα καυσίμου.

Σήμερα, οι πιο συνηθισμένοι χημικοί κινητήρες είναι οι συμβατικοί πύραυλοι με καύσιμο και οι ηλεκτρικοί πύραυλοι με ηλιακή ενέργεια.

Τα χημικά συστήματα πρόωσης παρέχουν μεγάλη ώθηση, αλλά δεν είναι ιδιαίτερα αποδοτικά και τα καύσιμα πυραύλων δεν είναι πολύ ενεργοβόρα. Ο πύραυλος Saturn 5 που μετέφερε αστροναύτες στο φεγγάρι παρέδωσε 35 εκατομμύρια newton δύναμη κατά την απογείωση και μετέφερε 950.000 γαλόνια (4.318.787 λίτρα) καυσίμου. Το μεγαλύτερο μέρος του έγινε για να φτάσει ο πύραυλος σε τροχιά, επομένως οι περιορισμοί είναι προφανείς: όπου κι αν πάτε, χρειάζεστε πολύ βαρύ καύσιμο.

Τα ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης παράγουν ώση χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια από ηλιακούς συλλέκτες. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η χρήση ηλεκτρικού πεδίου για την επιτάχυνση ιόντων, για παράδειγμα, όπως σε έναν επαγωγικό προωθητή Hall. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία δορυφόρων και η απόδοση βάρους τους είναι πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή των χημικών συστημάτων. Αλλά ταυτόχρονα δίνουν πολύ λιγότερη ώθηση - περίπου 3 newton. Αυτό αρκεί μόνο για να επιταχύνει το αυτοκίνητο από τα 0 στα 100 χιλιόμετρα την ώρα σε περίπου δυόμιση ώρες. Ο ήλιος είναι ουσιαστικά μια πηγή ενέργειας χωρίς πάτο, αλλά όσο το πλοίο απομακρύνεται από αυτόν, τόσο λιγότερο χρήσιμο είναι.

Ένας από τους λόγους για τους οποίους οι πυρηνικοί πύραυλοι είναι ιδιαίτερα υποσχόμενοι είναι η απίστευτη ενεργειακή τους ένταση. Το καύσιμο ουρανίου που χρησιμοποιείται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες έχει ενεργειακό περιεχόμενο 4 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από αυτό της υδραζίνης, ενός τυπικού χημικού καυσίμου πυραύλων. Και είναι πολύ πιο εύκολο να πάρεις λίγο ουράνιο στο διάστημα παρά εκατοντάδες χιλιάδες γαλόνια καυσίμου.

Τι γίνεται με την απόδοση πρόσφυσης και βάρους;

Δύο πυρηνικές επιλογές

Για τα διαστημικά ταξίδια, οι μηχανικοί έχουν αναπτύξει δύο βασικούς τύπους πυρηνικών συστημάτων.

Ο πρώτος είναι ένας θερμοπυρηνικός κινητήρας. Αυτά τα συστήματα είναι πολύ ισχυρά και εξαιρετικά αποδοτικά. Χρησιμοποιούν έναν μικρό αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης -όπως αυτοί στα πυρηνικά υποβρύχια- για να θερμάνουν ένα αέριο (όπως το υδρογόνο). Αυτό το αέριο στη συνέχεια επιταχύνεται μέσω του ακροφυσίου του πυραύλου για να παρέχει ώθηση. Οι μηχανικοί της NASA υπολόγισαν ότι ένα ταξίδι στον Άρη με χρήση θερμοπυρηνικής μηχανής θα είναι 20-25% ταχύτερο από έναν πύραυλο με χημική μηχανή.

Οι κινητήρες σύντηξης είναι περισσότερο από δύο φορές πιο αποδοτικοί από τους χημικούς. Αυτό σημαίνει ότι παρέχουν διπλάσια ώθηση για την ίδια ποσότητα καυσίμου - έως και 100.000 Newton ώσης. Αυτό είναι αρκετό για να επιταχύνει το αυτοκίνητο σε ταχύτητα 100 χιλιομέτρων την ώρα σε περίπου ένα τέταρτο του δευτερολέπτου.

Το δεύτερο σύστημα είναι ένας πυρηνικός ηλεκτροκινητήρας πυραύλων (NEPE). Κανένα από αυτά δεν έχει δημιουργηθεί ακόμη, αλλά η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί ένας ισχυρός αντιδραστήρας σχάσης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ο οποίος στη συνέχεια θα τροφοδοτεί ένα ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης όπως ένας κινητήρας Hall. Αυτό θα ήταν πολύ αποτελεσματικό - περίπου τρεις φορές πιο αποδοτικό από έναν κινητήρα σύντηξης. Δεδομένου ότι η ισχύς ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι τεράστια, αρκετοί ξεχωριστοί ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα και η ώθηση θα αποδειχθεί συμπαγής.

Οι πυρηνικοί πυραυλοκινητήρες είναι ίσως η καλύτερη επιλογή για αποστολές εξαιρετικά μεγάλης εμβέλειας: δεν απαιτούν ηλιακή ενέργεια, είναι πολύ αποδοτικοί και παρέχουν σχετικά υψηλή ώθηση. Ωστόσο, παρά την πολλά υποσχόμενη φύση τους, το σύστημα πυρηνικής πρόωσης εξακολουθεί να έχει πολλά τεχνικά προβλήματα που θα πρέπει να επιλυθούν πριν τεθεί σε λειτουργία.

Γιατί δεν υπάρχουν ακόμα πυρηνικοί πύραυλοι;

Οι θερμοπυρηνικοί κινητήρες έχουν μελετηθεί από τη δεκαετία του 1960, αλλά δεν έχουν ακόμη πετάξει στο διάστημα.

Σύμφωνα με τον χάρτη της δεκαετίας του 1970, κάθε πυρηνικό διαστημικό έργο εξετάστηκε ξεχωριστά και δεν μπορούσε να προχωρήσει περαιτέρω χωρίς την έγκριση ορισμένων κυβερνητικών υπηρεσιών και του ίδιου του προέδρου. Σε συνδυασμό με την έλλειψη χρηματοδότησης για την έρευνα σε πυρηνικά πυραυλικά συστήματα, αυτό έχει εμποδίσει την περαιτέρω ανάπτυξη πυρηνικών αντιδραστήρων για χρήση στο διάστημα.

Αλλά όλα άλλαξαν τον Αύγουστο του 2019, όταν η κυβέρνηση Τραμπ εξέδωσε ένα προεδρικό μνημόνιο. Ενώ επιμένει στη μέγιστη ασφάλεια των πυρηνικών εκτοξεύσεων, η νέα οδηγία εξακολουθεί να επιτρέπει πυρηνικές αποστολές με χαμηλές ποσότητες ραδιενεργού υλικού χωρίς περίπλοκη διυπηρεσιακή έγκριση. Η επιβεβαίωση από έναν χορηγό οργανισμό όπως η NASA ότι η αποστολή συμμορφώνεται με τις συστάσεις ασφαλείας είναι επαρκής. Οι μεγάλες πυρηνικές αποστολές περνούν από τις ίδιες διαδικασίες όπως πριν.

Μαζί με αυτή την αναθεώρηση των κανόνων, η NASA έλαβε 100 εκατομμύρια δολάρια από τον προϋπολογισμό του 2019 για την ανάπτυξη θερμοπυρηνικών κινητήρων. Η Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας αναπτύσσει επίσης μια θερμοπυρηνική διαστημική μηχανή για επιχειρήσεις εθνικής ασφάλειας πέρα από την τροχιά της Γης.

Μετά από 60 χρόνια στασιμότητας, είναι πιθανό ένας πυρηνικός πύραυλος να πάει στο διάστημα μέσα σε μια δεκαετία. Αυτό το απίστευτο επίτευγμα θα εγκαινιάσει μια νέα εποχή εξερεύνησης του διαστήματος. Ο άνθρωπος θα πάει στον Άρη και τα επιστημονικά πειράματα θα οδηγήσουν σε νέες ανακαλύψεις σε όλο το ηλιακό σύστημα και όχι μόνο.