Solsystemet er et rigtig stort sted, og det tager for evigt at rejse fra verden til verden med traditionelle kemiske raketter. Men en teknik, der blev udviklet tilbage i 1960'erne, kan muligvis give en måde at dramatisk forkorte vores rejsetider på: atomraketter.
Afsætning af en raket drevet af radioaktivt materiale har selvfølgelig også sine egne risici. Skal vi forsøge det?
Lad os sige, at du ville besøge Mars ved hjælp af en kemisk raket. Du ville sprænge dig fra Jorden og gå i en lav Jorden-bane. Derefter på det rigtige tidspunkt ville du skyde din raket og hæve din bane fra solen. Den nye elliptiske bane, du følger, krydser Mars med otte måneders flyvning.
Dette er kendt som Hohmann-overførsel, og det er den mest effektive måde, hvorpå vi ved, hvordan man rejser i rummet ved hjælp af det mindste antal drivmidler og det største nyttelast. Problemet er selvfølgelig den tid, det tager. Gennem rejsen vil astronauter forbruge mad, vand, luft og blive udsat for den langsigtede stråling af det dybe rum. Derefter fordobler en returmission behovet for ressourcer og fordobler strålingsbelastningen.
Vi er nødt til at gå hurtigere.
Det viser sig, at NASA har tænkt på, hvad der kommer efter kemiske raketter i næsten 50 år.
Nukleare termiske raketter. De fremskynder bestemt rejsen, men de er ikke uden deres egne risici, hvorfor du ikke har set dem. Men måske er deres tid her.
I 1961 arbejdede NASA og Atomenergikommissionen sammen om ideen om nuklear termisk fremdrift, eller NTP. Dette blev pioner af Werner von Braun, der håbede, at menneskelige missioner ville flyve til Mars i 1980'erne på vingerne fra nukleære raketter.
Det skete ikke. Men de udførte nogle vellykkede tests af nuklear termisk fremdrift og demonstrerede, at det fungerer.
Mens en kemisk raket virker ved at antænde en slags brandfarligt kemikalie og derefter tvinge udstødningsgasserne ud af en dyse. Takket være den gode gamle Newtons tredje lov, ved du, for hver handling er der en lige og modsat reaktion, raketten modtager et skub i den modsatte retning fra de uddrivede gasser.
En nuklear raket fungerer på en lignende måde. En kugle af uranbrændstof i marmorstørrelse gennemgår splittningsprocessen og frigiver en enorm mængde varme. Dette opvarmer et brint til næsten 2.500 C, som derefter udvises bagpå raketten med høj hastighed. Meget meget høj hastighed, hvilket giver raketten to til tre gange fremdrivningseffektiviteten af en kemisk raket.
Kan du huske de 8 måneder, jeg nævnte for en kemisk raket? En nuklear termisk raket kunne skære transittiden i halve, måske endda 100 dages ture til Mars. Hvilket betyder mindre ressourcer, der forbruges af astronauterne, og en lavere strålingsbelastning.
Og der er en anden stor fordel. Fremskridt fra en nuklear raket kunne tillade missioner at gå, når Jorden og Mars ikke er perfekt på linje. Lige nu, hvis du går glip af dit vindue, skal du vente i to år til, men en nuklear raket kan give dig trækket til at tackle flyforsinkelser.
De første test af nukle raketter startede i 1955 med Project Rover på Los Alamos Scientific Laboratory. Den vigtigste udvikling var miniaturisering af reaktorerne nok til at være i stand til at sætte dem på en raket. I løbet af de næste par år byggede og testede ingeniører mere end et dusin reaktorer i forskellige størrelser og effektudgange.
Med succes Rover satte NASA sine synspunkter på de menneskelige missioner til Mars, der ville følge Apollo-landerne på Månen. På grund af afstanden og flyvetiden besluttede de, at nukle raketter ville være nøglen til at gøre missionerne mere dygtige.
Atomraketter er naturligvis ikke uden deres risici. En reaktor om bord ville være en lille strålingskilde for astronautbesætningen om bord, dette ville opvejes af den nedsatte flyvetid. Selve dybe rum er en enorm strålingsfare, idet den konstante galaktiske kosmiske stråling skader astronaut-DNA.
I slutningen af 1960'erne oprettede NASA programmet Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, eller NERVA, for at udvikle de teknologier, der ville blive de nukleære raketter, der ville føre mennesker til Mars.
De testede større, mere magtfulde atomraketeter i Nevada-ørkenen og udluftede brintgas med høj hastighed lige ud i atmosfæren. Miljølovgivningen var meget mindre streng dengang.
Den første NERVA NRX blev til sidst testet i næsten to timer med 28 minutter ved fuld effekt. Og en anden motor blev startet 28 gange og kørt i 115 minutter.
I slutningen testede de den mest kraftfulde atomreaktor, der nogensinde er blevet bygget, Phoebus-2A-reaktoren, der er i stand til at generere 4.000 megawatt kraft. Tryk i 12 minutter.
Selvom de forskellige komponenter aldrig rent faktisk blev samlet i en flyveklar raket, var ingeniørerne tilfredse med, at en nuklear raket ville imødekomme behovene for en flyvning til Mars.
Men så besluttede USA, at de ikke ville gå til Mars mere. De ville have rumfærgen i stedet.
Programmet blev lukket ned i 1973, og ingen testede atomraketeter siden da.
Men de nylige fremskridt inden for teknologi har gjort nuklear termisk fremdrift mere tiltalende. Tilbage i 1960'erne var den eneste brændstofskilde, de kunne bruge, meget beriget uran. Men nu tror ingeniører, at de kan klare sig med uran med lavt beriget.
Dette ville være sikrere at arbejde med og ville give flere raketfaciliteter mulighed for at køre test. Det ville også være lettere at fange de radioaktive partikler i udstødningen og bortskaffe dem korrekt. Det ville bringe de samlede omkostninger ved at arbejde med teknologien ned.
Den 22. maj 2019 godkendte den amerikanske kongres $ 125 millioner dollars til finansiering af udviklingen af nukleare termiske fremdrivningsraketter. Selvom dette program ikke har nogen rolle at spille i NASAs Artemis 2024-tilbagevenden til Månen, opfordrer det - citat - NASA til at udvikle en flerårig plan, der muliggør en demonstration af termisk fremdrift, herunder den tidslinie, der er knyttet til rumdemonstrationen og en beskrivelse af fremtidige missioner og fremdrivnings- og kraftsystemer aktiveret med denne kapacitet. ”
Nuklear fission er en måde at udnytte atomets kraft på. Naturligvis kræver det beriget uran og genererer giftigt radioaktivt affald. Hvad med fusion? Hvor atomer af brint presses til helium og frigiver energi?
Solen har fusion udarbejdet takket være sin enorme masse og kernetemperatur, men bæredygtig, energipositiv fusion er blevet undvikende af os ulykkelige mennesker.
Kæmpe eksperimenter som ITER i Europa håber på at opretholde fusionsenergi inden for det næste årti. Derefter kan du forestille dig, at fusionsreaktorer bliver miniaturiserede, så de kan tjene den samme rolle som en fissionsreaktor i en nuklear raket. Men selv hvis du ikke kan få fusionsreaktorer til det punkt, at de er netto energipositive, kan de stadig give en enorm acceleration for mængden af masse.
Og måske behøver vi ikke vente i årtier. En forskergruppe på Princeton Plasma Physics Laboratory arbejder på et koncept kaldet Direct Fusion Drive, som de mener kunne være klar meget før.
Den er baseret på Princeton Field-Reversed Configuration-fusionsreaktoren udviklet i 2002 af Samuel Cohen. Varmt plasma af helium-3 og deuterium er indeholdt i en magnetbeholder. Helium-3 er sjælden på Jorden og værdifuld, fordi fusionsreaktioner med den ikke genererer den samme mængde farlig stråling eller nukleart affald som andre fusions- eller fissionsreaktorer.
Ligesom med fission raket, opvarmer en fusion raket et drivmiddel til høje temperaturer og sprænger den derefter ud bagpå og frembringer tryk.
Det fungerer ved at foretage en række lineære magneter, der indeholder og spinder meget varmt plasma. Antenner omkring plasmaet er indstillet til ionenes specifikke frekvens og skaber en strøm i plasmaet. Deres energi pumpes op til det punkt, at atomerne smelter sammen og frigiver nye partikler. Disse partikler vandrer gennem indeslutningsfeltet, indtil de er fanget af magnetfeltlinierne, og de bliver accelereret ud af raketens bagside.
I teorien ville en fusionsraket være i stand til at tilvejebringe 2,5 til 5 Newton-træk pr. Megawatt, med en specifik impuls på 10.000 sekunder - husk 850 fra fission raketter og 450 fra kemiske raketter. Det ville også generere elektricitet, som rumfartøjet har brug for langt fra Solen, hvor solcellepaneler ikke er særlig effektive.
Et direkte fusionsdrev ville være i stand til at udføre en 10 ton mission til Saturn på kun 2 år eller et 1 ton rumfartøj fra Jorden til Pluto på cirka 4 år. Nye horisonter havde brug for næsten 10.
Da det også er en 1 megawatt fusionsreaktor, ville den også give strøm til alle rumfartøjets instrumenter, når det ankommer. Meget meget mere end de nukleare batterier, der i øjeblikket transporteres af dybe rumopgaver som Voyager og New Horizons.
Forestil dig, hvilke slags interstellære missioner der også kan være på bordet med denne teknologi.
Og Princeton Satellite Systems er ikke den eneste gruppe, der arbejder på systemer som denne. Anvendte fusionssystemer har ansøgt om et patent på en nukleær fusionsmotor, der kunne levere tryk til rumfartøjer.
Jeg ved, at det er årtier siden, at NASA seriøst testede atomraketeter som en måde at forkorte flyvetider på, men det ser ud til, at teknologien er tilbage. I de næste par år forventer jeg at se ny hardware og nye test af nukleare termiske fremdrivningssystemer. Og jeg er utrolig begejstret over muligheden for, at faktiske fusionsdrivende fører os til andre verdener. Som altid, hold dig tunet, jeg vil fortælle dig, når man faktisk flyver.
