Идват ли космически кораби с ядрени двигатели?

С мечти за Марс в умовете НАСА и Илън Мъск готвят мисии на дълги разстояния в космоса. Но може да се изненадате да научите, че съвременните ракети не са много по-бързи от ракетите в миналото.

Има много причини по-бързият космически кораб да е по-добър, а ракетите с атомна енергия са начин да се подобри съществено бързината на пътуване в космоса. Те предлагат много предимства пред традиционните ракети за изгаряне на гориво или модерните електрически ракети със слънчева енергия, но досега е имало само осем космически полета в САЩ на базата на ядрени реактори през последните 40 години.

Въпреки това миналата година законите, регулиращи ядрените космически полети, се промениха и позволиха да започне работа по ракети от следващо поколение.

Първата стъпка от космическото пътуване включва използването на изстрелващи ракети за извеждане на кораб в орбита. Това са големите двигатели за изгаряне на гориво, които хората си представят, когато мислят за изстрелване на ракети и няма вероятност да изчезнат в обозримо бъдеще поради ограниченията на гравитацията.

След като корабът достигне космическото пространство, нещата стават интересни. За да избягат от земната гравитация и да достигнат дестинации в дълбокия космос, корабите се нуждаят от допълнително ускорение. Тук влизат в действие ядрените системи. Ако астронавтите искат да изследват нещо намиращо се по-далеч от Луната и може би Марс, те ще трябва да се движат много бързо. Космосът е необятен и всичко е далеч.

Има две причини, по-бързите ракети да са по-добри за пътуване в космоса на дълги разстояния: безопасност и време.

Астронавтите при пътуване до Марс биха били изложени на много високи нива на радиация, което може да причини сериозни дългосрочни здравословни проблеми като рак и стерилност. Радиационното екраниране може да помогне, но то е изключително тежко и колкото по-дълга е мисията, толкова повече е необходимо екранирането. По-добър начин за намаляване на радиационното облъчване е просто да се стигне по-бързо там, за където се пътува.

Безопасността на хората не е единствената полза от по-бързите космически кораби. Тъй като космическите агенции проучват по-далечния космос, важно е да се получат данни от безпилотни мисии възможно най-скоро. На Вояджър-2 бяха необходими 12 години, за да стигне до Нептун, където направи няколко невероятни снимки, докато прелетя около планетата. Ако Вояджър-2 имаше по-бърза задвижваща система, астрономите биха могли да имат тези снимки и информацията, която съдържат години по-рано.

След като корабът се измъкне от гравитацията на Земята, има три важни аспекта, които трябва да се вземат предвид при сравняването на която и да е задвижваща система:

Първо, тягата или колко системата може да ускори кораб;

Второ, ефективността или колко тяга може да произведе система с дадено количество гориво;

И трето, енергийна плътност – колко енергия може да произведе дадено количество гориво;

Днес най-често използваните двигатели са с химическо задвижване – тоест обикновените ракети с гориво и електрически задвижващи системи със слънчева енергия.

Химическите задвижващи системи осигуряват много тяга, но химическите ракети не са особено ефективни. Ракетата „Сатурн V“, която отведе астронавтите от Аполо на Луната, е произвела 35 милиона нютон сила при издигането и е носела 950 000 галона гориво. Докато по-голямата част от горивото е използвана за извеждането на ракетата в орбита, ограниченията са очевидни: За да стигне до което и да е място, е необходимо много гориво, което се превръща в най-тежкия товар на кораба.

Електрическите задвижващи системи генерират тяга, използвайки електричество, произведено от слънчеви панели. Най-разпространеният начин да се направи това е използването на електрическо поле за ускоряване на йони, като например с дросела на Хол. Тези устройства обикновено се използват за захранване на спътници и могат да имат повече от пет пъти по-висока масова ефективност от химическите системи. Но те произвеждат много по-малко тяга – около три нютона, или достатъчно само за ускоряване на автомобил от 0-100 км/час за около два часа и половина. Енергийният източник – Слънцето, е по същество безкраен, но става по-малко полезен, колкото по-далеч от Слънцето пътува корабът.

Една от причините ракетите с ядрена мощност да са обещаващи е, защото те предлагат невероятна плътност на енергията. Урановото гориво, използвано в ядрените реактори, има енергийна плътност, която е 4 милиона пъти по-висока от тази на типичното химическо ракетно гориво. Много по-лесно е да се използва малко количество уран в космоса, отколкото стотици хиляди галони гориво.

Инженерите са проектирали два основни типа ядрени системи за космически пътувания.

Първата се нарича ядрено термично задвижване. Тези системи са много мощни и умерено ефективни. Те използват малък реактор за ядрено делене – подобен на този в ядрените подводници – за загряване на газ, като водород, и този газ след това се ускорява през ракетна дюза, за да осигури тяга. Инженери от НАСА изчисляват, че пътуване до Марс, задвижвано от ядрено термична система, ще бъде с 20% -25% по-кратко от пътуване с ракета с химическо гориво.

Ядрените термични задвижващи системи са повече от два пъти по-ефективни от химическите задвижващи системи – което означава, че генерират два пъти по-голяма тяга, използвайки същото количество горивна маса – и могат да доставят 100 000 нютона тяга. Това е достатъчна сила, за да се изминат с кола 100 км за около четвърт от секундата.

Втората ракетна система на ядрена база се нарича ядрено електрическо задвижване. Все още не са изградени ядрени електрически системи, но идеята е да се използва реактивен реактор с голяма мощност, за да се генерира електроенергия, която след това да захранва електрическа задвижваща система, подобно на дросел на Хол. Това би било много ефективно, около три пъти по-добро от ядрена система за термично задвижване. Тъй като ядреният реактор може да създаде много мощност, много индивидуални електрически тласкачи могат да работят едновременно, за да генерират добро количество тяга.

Ядрените електрически системи биха били най-добрият избор за мисии с изключително голям обсег, тъй като не се нуждаят от слънчева енергия, имат много висока ефективност и могат да дадат относително висока тяга. Но докато ядрените електрически ракети са изключително обещаващи, все още има много технически проблеми, които трябва да бъдат решени, преди да бъдат пуснати в употреба.

Ядрените термични задвижващи системи се изучават от 60-те години на миналия век, но все още не са полетели в космоса. След 60 години застой е възможно ракета с ядрена енергия да се насочи към космоса през това десетилетие. Това вълнуващо постижение ще представлява нова ера в космическите полети. Хората ще отидат на Марс а научните експерименти ще направят нови открития в цялата Слънчева система и извън нея.