Uusi avaruustutkimuksen aikakausi fuusiorakettimoottorien takana

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

NASA ja Elon Musk haaveilevat Marsista, ja miehitetyt syväavaruustehtävät tulevat pian todeksi. Tulet todennäköisesti yllättymään, mutta nykyaikaiset raketit lentävät hieman nopeammin kuin menneisyyden raketit.

Nopeat avaruusalukset ovat kätevämpiä useista syistä, ja paras tapa kiihtyä on ydinvoimalla toimivat raketit. Niillä on monia etuja verrattuna perinteisiin polttoaineella toimiviin raketteihin tai nykyaikaisiin aurinkovoimalla toimiviin sähköraketteihin, mutta viimeisten 40 vuoden aikana Yhdysvallat on laukaistanut vain kahdeksan ydinvoimalla toimivaa rakettia.

Kuluneen vuoden aikana ydinavaruusmatkailua koskevat lait kuitenkin muuttuivat, ja työ seuraavan sukupolven rakettien parissa on jo alkanut.

Miksi nopeutta tarvitaan?

Jokaisen avaruuteen lennon ensimmäisessä vaiheessa tarvitaan kantoraketti - se vie aluksen kiertoradalle. Nämä suuret moottorit toimivat palavilla polttoaineilla - ja yleensä rakettien laukaisussa niitä tarkoitetaan. Ne eivät ole menossa minnekään lähiaikoina - kuten myös painovoima.

Mutta kun laiva saapuu avaruuteen, asiat muuttuvat mielenkiintoisemmiksi. Maan painovoiman voittamiseksi ja syvälle avaruuteen menemiseksi alus tarvitsee lisäkiihdytystä. Tässä ydinjärjestelmät tulevat peliin. Jos astronautit haluavat tutkia jotain Kuun tai vielä enemmän Marsin ulkopuolella, heidän on kiirehdittävä. Kosmos on valtava, ja etäisyydet ovat melko suuria.

On kaksi syytä, miksi nopeat raketit sopivat paremmin pitkän matkan avaruusmatkoille: turvallisuus ja aika.

Matkalla Marsiin astronautit kohtaavat erittäin korkeita säteilytasoja, jotka ovat täynnä vakavia terveysongelmia, mukaan lukien syöpä ja hedelmättömyys. Säteilysuojaus voi auttaa, mutta se on erittäin raskas ja mitä pidempi tehtävä, sitä tehokkaampaa suojausta tarvitaan. Siksi paras tapa pienentää säteilyannosta on päästä perille nopeammin.

Mutta miehistön turvallisuus ei ole ainoa etu. Mitä kauempana lentoja suunnittelemme, sitä nopeammin tarvitsemme tietoja miehittämättömistä tehtävistä. Voyager 2:lla kesti 12 vuotta päästä Neptunukseen - ja lentäessään ohi se nappasi uskomattomia kuvia. Jos Voyagerissa olisi tehokkaampi moottori, nämä valokuvat ja tiedot olisivat ilmestyneet tähtitieteilijöille paljon aikaisemmin.

Nopeus on siis etu. Mutta miksi ydinjärjestelmät ovat nopeampia?

Tämän päivän järjestelmät

Painovoiman voitettuaan aluksen on otettava huomioon kolme tärkeää näkökohtaa.

Työntövoima- minkä kiihtyvyyden alus saa.

Painon tehokkuus- kuinka paljon työntövoimaa järjestelmä voi tuottaa tietyllä polttoainemäärällä.

Ominaisenergiankulutus- kuinka paljon energiaa tietty määrä polttoainetta luovuttaa.

Nykyään yleisimmät kemialliset moottorit ovat perinteiset polttoainekäyttöiset raketit ja aurinkovoimalla toimivat sähköraketit.

Kemialliset propulsiojärjestelmät tarjoavat paljon työntövoimaa, mutta eivät ole erityisen tehokkaita, ja rakettipolttoaine ei ole kovin energiaintensiivinen. Astronautit kuuhun kuljettanut Saturn 5 -raketti toimitti 35 miljoonaa newtonia lentoonlähdön aikana ja kuljetti 950 000 gallonaa (4 318 787 litraa) polttoainetta. Suurin osa siitä meni raketin saamiseen kiertoradalle, joten rajoitukset ovat ilmeiset: minne menetkin, tarvitset paljon raskasta polttoainetta.

Sähkökäyttöiset propulsiojärjestelmät tuottavat työntövoimaa aurinkopaneeleista tulevalla sähköllä. Yleisin tapa saavuttaa tämä on käyttää sähkökenttää ionien kiihdyttämiseen, kuten esimerkiksi Hall-induktiopotkurissa. Näitä laitteita käytetään satelliittien virtalähteenä, ja niiden painoteho on viisinkertainen kemiallisiin järjestelmiin verrattuna. Mutta samalla ne antavat paljon vähemmän työntövoimaa - noin 3 newtonia. Tämä riittää vain kiihdyttämään auton nollasta sataan kilometriin tunnissa noin kahdessa ja puolessa tunnissa. Aurinko on pohjimmiltaan pohjaton energianlähde, mutta mitä kauemmaksi laiva siirtyy siitä pois, sitä vähemmän se on hyödyllinen.

Yksi syy siihen, miksi ydinohjukset ovat erityisen lupaavia, on niiden uskomaton energiaintensiteetti. Ydinreaktoreissa käytettävän uraanipolttoaineen energiapitoisuus on 4 miljoonaa kertaa suurempi kuin hydratsiinin, tyypillisen kemiallisen rakettipolttoaineen. Ja uraania on paljon helpompi saada avaruuteen kuin satoja tuhansia gallonoita polttoainetta.

Entä veto- ja painotehokkuus?

Kaksi ydinvaihtoehtoa

Avaruusmatkailua varten insinöörit ovat kehittäneet kaksi päätyyppiä ydinjärjestelmiä.

Ensimmäinen on lämpöydinmoottori. Nämä järjestelmät ovat erittäin tehokkaita ja erittäin tehokkaita. He käyttävät pientä ydinfissioreaktoria - kuten ydinsukellusveneiden reaktorit - kaasun (kuten vedyn) lämmittämiseen. Tätä kaasua kiihdytetään sitten rakettisuuttimen läpi työntövoiman aikaansaamiseksi. NASAn insinöörit ovat laskeneet, että matka Marsiin lämpöydinmoottorilla on 20-25 % nopeampi kuin kemiallisella moottorilla varustettu raketti.

Fuusiomoottorit ovat yli kaksi kertaa tehokkaampia kuin kemialliset. Tämä tarkoittaa, että ne tuottavat kaksinkertaisen työntövoiman samalla polttoainemäärällä – jopa 100 000 Newtonia. Tämä riittää kiihdyttämään auton nopeuteen 100 kilometriä tunnissa noin neljänneksessä sekunnissa.

Toinen järjestelmä on ydinsähköinen rakettimoottori (NEPE). Yhtään näistä ei ole vielä luotu, mutta ajatuksena on käyttää voimakasta fissioreaktoria sähkön tuottamiseen, joka sitten syöttää sähköä Hall-moottorin kaltaiseen propulsiojärjestelmään. Se olisi erittäin tehokasta - noin kolme kertaa tehokkaampi kuin fuusiomoottori. Koska ydinreaktorin teho on valtava, voi useita erillisiä sähkömoottoreita 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. Kaikesta lupaavasta luonteestaan huolimatta ydinvoiman propulsiojärjestelmässä on edelleen paljon teknisiä ongelmia, jotka on ratkaistava ennen käyttöönottoa.

Miksi ydinkäyttöisiä ohjuksia ei vieläkään ole?

Lämpöydinmoottoreita on tutkittu 1960-luvulta lähtien, mutta ne eivät ole vielä lentäneet avaruuteen.

1970-luvun peruskirjan mukaan jokaista ydinavaruusprojektia harkittiin erikseen, eikä sitä voitu jatkaa ilman useiden valtion virastojen ja presidentin itsensä hyväksyntää. Ydinohjusjärjestelmien tutkimuksen rahoituksen puutteen ohella tämä on haitannut avaruudessa käytettävien ydinreaktorien jatkokehitystä.

Mutta kaikki muuttui elokuussa 2019, kun Trumpin hallinto julkaisi presidentin muistion. Vaikka uusi direktiivi vaatii ydinlaukaisujen maksimaalista turvallisuutta, se sallii silti ydinoperaatiot pienillä määrillä radioaktiivista ainetta ilman monimutkaista virastojen välistä hyväksyntää. Sponsoroivan viraston, kuten NASA:n, vahvistus siitä, että tehtävä on turvallisuussuositusten mukainen, riittää. Suuret ydintehtävät käyvät läpi samat menettelyt kuin ennenkin.

Tämän sääntöjen tarkistuksen myötä NASA sai 100 miljoonaa dollaria vuoden 2019 budjetista lämpöydinmoottoreiden kehittämiseen. Defence Advanced Research Projects Agency kehittää myös lämpöydinavaruusmoottoria kansallisen turvallisuuden operaatioihin Maan kiertoradan ulkopuolella.

60 vuoden pysähtyneisyyden jälkeen on mahdollista, että ydinraketti pääsee avaruuteen kymmenen vuoden sisällä. Tämä uskomaton saavutus käynnistää avaruustutkimuksen uuden aikakauden. Ihminen menee Marsiin, ja tieteelliset kokeet johtavat uusiin löytöihin koko aurinkokunnassa ja sen ulkopuolella.