A NASA atomrakétát fejleszt, amely mindössze 45 napon belül eléri a Marsot

A megújult űrkutatás korszakát éljük, és több ügynökség is azt tervezi, hogy a következő években űrhajósokat küld a Holdra. A következő évtizedben a NASA és Kína legénységet küld a Marsra, és hamarosan más országok is csatlakozhatnak hozzájuk. Ezek és más küldetések, amelyek túlmutatják az űrhajósokat az alacsony Föld körüli pályán (LOO) és a Föld-Hold rendszeren, új technológiákat igényelnek, az életfenntartástól és a sugárvédelemtől az energiáig és a meghajtásig. És ha ez utóbbiról van szó, akkor a nukleáris termikus és nukleáris elektromos hajtás (NTP/NEP) a fő esélyes a győzelemre!

A NASA 2023-as Innovative Advanced Concepts (NIAC) programjának részeként a NASA egy nukleáris koncepciót választott ki a fejlesztés első fázisához. A bimodális atomerőművek új osztálya "rotor gyorsulási hullámciklust" használ, és 45 napra csökkentheti a Marsra való repülési időt.

A Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Acceleration Cycle elnevezésű javaslatot Ryan Gosse professzor, a Floridai Egyetem hiperszonikus programjának igazgatója és a Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE) csapatának tagja terjesztette elő. Gosse javaslata egyike annak a 14-nek, amelyet a NAIC idén kiválasztott a fejlesztés első szakaszára, amely 12 500 dolláros támogatást tartalmaz a projekthez kapcsolódó technológiák és módszerek fejlesztésére. Az egyéb ajánlatok között szerepeltek innovatív érzékelők, műszerek, gyártási technológiák, energiarendszerek és még sok más.

Az atomenergia lényegében két fogalomból áll, amelyek mindegyike alaposan tesztelt és ellenőrzött technológiákon alapul. A Nuclear Thermal Propulsion (NTP) esetében a ciklus egy atomreaktorból áll, amely a folyékony hidrogént (LH2) melegíti, és ionizált hidrogéngázzá (plazmává) alakítja, amelyet aztán fúvókákon keresztül vezetnek, hogy tolóerőt hozzanak létre. Számos kísérlet történt ennek a meghajtórendszernek a tesztverziójának létrehozására, beleértve a projektet is vándor, az amerikai légierő és az Atomenergia Bizottság közös projektje, amelyet 1955-ben indítottak el.

1959-ben a NASA átvette az Egyesült Államok légierejét, és a program az űrrepülési alkalmazásoknak szentelt új szakaszba lépett. Végül ez vezetett a Nuclear Propulsion for Rocket Vehicles (NERVA) nevű szilárdmagos nukleáris reaktorhoz, amelyet sikeresen teszteltek. Az Apollo-korszak 1973-as végével a program finanszírozását drasztikusan megnyirbálták, ami a repülési tesztek elvégzése előtt törléséhez vezetett.

A nukleáris elektromos meghajtás (NEP) viszont egy nukleáris reaktorra támaszkodik a Hall-hatású tolómotor (ionhajtómű) meghajtására, amely elektromágneses teret hoz létre, amely ionizál és felgyorsít egy inert gázt (például xenont), hogy tolóerőt hozzon létre. A technológia fejlesztésére tett erőfeszítések közé tartozik a NASA Prometheus projektje a Nuclear Systems Initiative (NSI) keretében.

Mindkét rendszer jelentős előnyökkel rendelkezik a hagyományos vegyi motorokhoz képest, beleértve a nagyobb fajlagos impulzus (Isp), az üzemanyag-hatékonyságot és a gyakorlatilag korlátlan energiasűrűséget. Bár a koncepciók abban különböznek egymástól, hogy több mint 10 ezer másodperces fajlagos impulzust adnak, vagyis közel három órán át képesek fenntartani a tolóerőt, a tolóerő szintje meglehetősen alacsony a hagyományos rakétákhoz és NTP-khöz képest.

Az elektromos áramforrás szükségessége Gosse szerint felveti a hőleadás kérdését is az űrben, ahol ideális körülmények között 30-40%-os a hőenergia-átalakítás. És bár a NERVA NTP-tervei a legjobb módszer a Marsra és azon túli emberes küldetésekre, ez a módszer is problémákat okoz a megfelelő kezdeti és végső tömeghányad biztosításával a nagy delta túlfeszültségű küldetésekhez.

Éppen ezért előnyben részesítik azokat a javaslatokat, amelyek mindkét mozgásmódot (bimodális) tartalmazzák, mivel ezek a kettő előnyeit egyesítik. Gosse javaslata a NERVA szilárd tüzelésű reaktoron alapuló bimodális tervezést foglal magában, amely 900 másodperces fajlagos impulzust (Isp) biztosítana, ami kétszerese a vegyi rakéták jelenlegi teljesítményének.

A Gosse által javasolt ciklus egy hullámnyomásfokozót vagy hullámrotort (WR) is tartalmaz, egy belső égésű motorokban használt technológiát, amely a beszívott levegő kompressziós reakciója által létrehozott nyomáshullámokat használja fel.

Az NTP motorral párosítva a WR a reaktorban lévő LH2 tüzelőanyag melegítése által létrehozott nyomást használja fel a reakciótömeg további tömörítésére. Ahogy Gosse ígéri, ez a NERVA-osztályú NTP-koncepcióhoz hasonló tolóerőt biztosít, de 1400-2000 másodperces indítási idővel. Gosse szerint a NEP-ciklussal kombinálva a sóvárgás szintje még jobban megnő.

Ha hagyományos motorokat használnak, egy emberes küldetés a Marsra akár három évig is eltarthat. Ezek a küldetések 26 havonta indulnak el, amikor a Föld és a Mars a legközelebbi távolságra vannak (az úgynevezett marsi ellenzék), és legalább hat-kilenc hónapot töltenek átutazásban.

Egy 45 napos (hat és fél hetes) átutazás évek helyett hónapokra csökkentené a küldetés teljes idejét. Ez nagymértékben csökkentené a Mars-küldetésekkel kapcsolatos fő kockázatokat, beleértve a sugárterhelést, a mikrogravitációban eltöltött időt és a kapcsolódó egészségügyi problémákat.

Az erőművek mellett olyan új reaktorkonstrukciókra is vannak javaslatok, amelyek stabil áramellátást biztosítanának a hosszú távú földi küldetésekhez, ahol nem mindig áll rendelkezésre nap- és szélenergia.

Ilyen például a NASA Sterling technológiát használó Kilowatt Reactor (KRUSTY) és a NASA első fejlesztési fázisához a NAIC 2023 program keretében kiválasztott hasadó/fúziós hibrid reaktor. Ezek és más nukleáris technológiák egy napon lehetővé tehetik a Marsra és más mélyűri helyekre irányított küldetéseket. , talán hamarabb, mint gondolnánk!

Szintén érdekes:

• Miért nevezte a NASA a Vénuszt a Föld „gonosz ikerpárjának”?
• A NASA Webb teleszkópja felfedezte első exobolygóját