Az űrkutatás új korszaka a fúziós rakétahajtóművek mögött

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A NASA és Elon Musk a Marsról álmodoznak, és az emberes mélyűr-küldetések hamarosan valósággá válnak. Valószínűleg meg fog lepődni, de a modern rakéták egy kicsit gyorsabban repülnek, mint a múlt rakétái.

A gyors űrhajók számos okból kényelmesebbek, és a gyorsulás legjobb módja az atommeghajtású rakéták. Számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos tüzelésű rakétákkal vagy a modern napenergiával működő elektromos rakétákkal szemben, de az elmúlt 40 évben az Egyesült Államok mindössze nyolc nukleáris meghajtású rakétát lőtt fel.

Az elmúlt évben azonban megváltoztak a nukleáris űrutazásra vonatkozó törvények, és már megkezdődött a munka a rakéták következő generációján.

Miért van szükség sebességre?

Az űrbe való repülés első szakaszában hordozórakétára van szükség - ez viszi pályára a hajót. Ezek a nagy motorok éghető tüzelőanyaggal működnek – és általában a rakéták kilövéséről van szó. Egyhamar nem mennek sehova – akárcsak a gravitációs erő.

De amikor a hajó belép az űrbe, a dolgok érdekesebbé válnak. A Föld gravitációjának leküzdéséhez és a mélyűrbe jutáshoz a hajónak további gyorsításra van szüksége. Itt jönnek képbe a nukleáris rendszerek. Ha az űrhajósok a Holdon vagy még inkább a Marson túl szeretnének felfedezni valamit, akkor sietniük kell. A kozmosz hatalmas, és a távolságok meglehetősen nagyok.

Két oka van annak, hogy a gyors rakéták jobban megfelelnek a nagy távolságú űrutazásnak: a biztonság és az idő.

A Mars felé vezető úton az űrhajósok nagyon magas szintű sugárzással szembesülnek, és tele vannak súlyos egészségügyi problémákkal, beleértve a rákot és a meddőséget. A sugárárnyékolás segíthet, de rendkívül nehéz, és minél hosszabb a küldetés, annál erősebb árnyékolásra lesz szükség. Ezért a sugárdózis csökkentésének legjobb módja az, ha egyszerűen gyorsabban eléri célját.

De a személyzet biztonsága nem az egyetlen előny. Minél távolabbi repüléseket tervezünk, annál hamarabb lesz szükségünk pilóta nélküli küldetések adataira. A Voyager 2-nek 12 évbe telt, mire elérte a Neptunust – és ahogy elrepült, elképesztő képeket készített. Ha a Voyagernek erősebb motorja lenne, akkor ezek a fényképek és adatok sokkal korábban megjelentek volna a csillagászoknál.

A gyorsaság tehát előny. De miért gyorsabbak a nukleáris rendszerek?

A mai rendszerek

A gravitációs erő leküzdése után a hajónak három fontos szempontot kell figyelembe vennie.

Tolóerő- milyen gyorsulást kap a hajó.

Súlyhatékonyság- adott üzemanyagmennyiség mellett mekkora tolóerőt tud a rendszer kifejteni.

Fajlagos energiafogyasztás- adott mennyiségű üzemanyag mennyi energiát ad le.

Manapság a legelterjedtebb vegyi hajtóművek a hagyományos üzemanyag-üzemanyagú rakéták és a napenergiával működő elektromos rakéták.

A vegyi meghajtó rendszerek nagy tolóerőt biztosítanak, de nem különösebben hatékonyak, és a rakéta-üzemanyag nem túl energiaigényes. Az űrhajósokat a Holdra szállító Saturn 5 rakéta felszálláskor 35 millió newton erőt adott, és 950 000 gallon (4 318 787 liter) üzemanyagot szállított. A legtöbb a rakéta pályára állítására ment, így a korlátok nyilvánvalóak: bárhová mész, sok nehéz üzemanyagra van szükséged.

Az elektromos meghajtási rendszerek napelemekből származó villamos energiával állítják elő a tolóerőt. Ennek legáltalánosabb módja az, hogy elektromos mezőt használnak az ionok gyorsítására, például egy Hall indukciós tológépnél. Ezeket az eszközöket műholdak táplálására használják, és súlyhatékonyságuk ötszöröse a vegyi rendszerekének. Ugyanakkor sokkal kevesebb tolóerőt adnak ki - körülbelül 3 newtont. Ez csak arra elég, hogy körülbelül két és fél óra alatt felgyorsítsa az autót 0-ról 100 kilométer per órás sebességre. A Nap alapvetően feneketlen energiaforrás, de minél távolabb kerül tőle a hajó, annál kevésbé hasznos.

Az egyik ok, amiért a nukleáris rakéták különösen ígéretesek, hihetetlen energiaintenzitásuk. Az atomreaktorokban használt urán üzemanyag energiatartalma 4 milliószorosa a hidrazinénak, amely egy tipikus kémiai rakéta-üzemanyag. És sokkal könnyebb uránt juttatni az űrbe, mint több százezer gallon üzemanyagot.

Mi a helyzet a vonóerővel és a súlyhatékonysággal?

Két nukleáris lehetőség

Az űrutazáshoz a mérnökök két fő típusú nukleáris rendszert fejlesztettek ki.

Az első egy termonukleáris motor. Ezek a rendszerek nagyon erősek és rendkívül hatékonyak. Egy kis atommaghasadási reaktort használnak - mint az atomtengeralattjárókon - egy gáz (például a hidrogén) felmelegítésére. Ezt a gázt azután a rakétafúvókán keresztül felgyorsítják, hogy tolóerőt biztosítsanak. A NASA mérnökei számításai szerint egy termonukleáris hajtóművel a Marsra való utazás 20-25%-kal gyorsabb lesz, mint egy vegyi hajtóművel felszerelt rakéta.

A fúziós motorok több mint kétszer olyan hatékonyak, mint a vegyi motorok. Ez azt jelenti, hogy kétszer akkora tolóerőt adnak le azonos mennyiségű üzemanyag mellett – akár 100 000 Newton tolóerőt is. Ez elég ahhoz, hogy körülbelül negyed másodperc alatt 100 kilométeres óránkénti sebességre gyorsítsa fel az autót.

A második rendszer egy nukleáris elektromos rakétamotor (NEPE). Ezek közül még egyiket sem hozták létre, de az ötlet az, hogy egy erős hasadási reaktort használjanak elektromos áram előállítására, amely aztán egy Hall-motorhoz hasonló elektromos meghajtó rendszert fog meghajtani. Ez nagyon hatékony lenne – körülbelül háromszor hatékonyabb, mint egy fúziós motor. Mivel egy atomreaktor teljesítménye hatalmas, több különálló villanymotor is működhet egyszerre, és a tolóerő szilárd lesz.

A nukleáris rakétamotorok talán a legjobb választás rendkívül nagy hatótávolságú küldetésekhez: nem igényelnek napenergiát, nagyon hatékonyak és viszonylag nagy tolóerőt biztosítanak. De minden ígéretes jellegük ellenére az atomenergia-meghajtó rendszernek még mindig sok műszaki problémája van, amelyeket meg kell oldani az üzembe helyezés előtt.

Miért nincsenek még mindig nukleáris meghajtású rakéták?

A termonukleáris hajtóműveket az 1960-as évek óta vizsgálják, de még nem repültek az űrbe.

Az 1970-es évek chartája szerint minden egyes nukleáris űrprojektet külön-külön vizsgáltak meg, és nem mehettek tovább számos kormányzati szerv és maga az elnök jóváhagyása nélkül. A nukleáris rakétarendszerekkel kapcsolatos kutatások finanszírozásának hiányával együtt ez akadályozta az űrben használható atomreaktorok további fejlesztését.

De mindez megváltozott 2019 augusztusában, amikor a Trump-kormányzat elnöki memorandumot adott ki. Miközben ragaszkodik a nukleáris kilövések maximális biztonságához, az új irányelv továbbra is lehetővé teszi a kis mennyiségű radioaktív anyaggal végzett nukleáris küldetéseket bonyolult ügynökségközi jóváhagyás nélkül. Elegendő egy támogató ügynökség, például a NASA megerősítése, hogy a küldetés megfelel a biztonsági ajánlásoknak. A nagy nukleáris küldetések ugyanazon az eljárásokon mennek keresztül, mint korábban.

A szabályok ezen felülvizsgálatával együtt a NASA 100 millió dollárt kapott a 2019-es költségvetésből termonukleáris hajtóművek fejlesztésére. A Defense Advanced Research Projects Agency termonukleáris űrmotort is fejleszt a Föld pályáján túli nemzetbiztonsági műveletekhez.

60 év stagnálás után elképzelhető, hogy egy nukleáris rakéta egy évtizeden belül a világűrbe kerül. Ez a hihetetlen eredmény az űrkutatás új korszakát nyitja meg. Az ember a Marsra megy, és a tudományos kísérletek új felfedezésekhez vezetnek az egész Naprendszerben és azon túl is.