С мечтите за колонизиране на Марс на НАСА и Илон Мъск се появяват и първите планове за мисии на далечни разстояния в Космоса. Но може да се изненадате да научите, че съвременните ракети не се движат много по-бързо от тези от миналото.
Има много причини по-бързият космически кораб да е по-добър, като определено ракетите, задвижвани с атомна енергия, са начинът това да бъде постигнато сравнително лесно. Те предлагат много предимства спрямо традиционните, изгарящи гориво, както и спрямо все още рядко срещащите се електрически ракети, използващи слънчевата енергия, но за съжаление през последните 40 години има само осем американски космически изстрелвания, използващи ядрени реактори.
Позитивните новини от миналата година: законите, регулиращи и възпиращи употребата на ракети с ядрен двигател, бяха отменени и работата над ракети от следващо поколение с атомна енергия започна.
Защо имаме нуждата от скорост?
Първата стъпка от космическото пътуване включва използването на спомагателна ракета, която да изведе кораба в околоземна орбита. Това са големите двигатели, задвижвани чрез изгаряне на гориво, които хората най-вероятно си представят, когато мислят за мисии в Космоса. Заради ограниченията на гравитацията няма особена вероятност те да изчезнат в обозримо бъдеще.
След като корабът достигне космическото пространство, нещата вече стават интересни. За да избяга от земната гравитация и да достигне далечни дестинации в дълбокия Космос, той се нуждае от допълнително ускорение. Тук ще влезе в действие системата за задвижване, базирана на ядрената енергия. Ако астронавтите искат да изследват нещо, намиращо се по-далеч от Марс, те ще трябва да се движат много бързо, защото космическото пространството е огромно и разстоянията са колосални.
Има две причини по-бързите ракети да са по-добри за пътуване в Космоса на дълги разстояния: безопасност и време.
При пътуване до Марс астронавтите биха били изложени на много високи нива на радиация, което вероятно ще причини сериозни дългосрочни здравословни проблеми като рак и стерилност. Радиационната защитна екипировка може да помогне, но тя е изключително тежка и колкото по-дълга е мисията, толкова повече трябва да се носи облечена. Доста по-лесен начин за намаляване на радиационното облъчване е просто да се стигне по-бързо дотам, накъдето е насочена мисията.
Но безопасността на хората не е единствената полза за NASA и Space X. Тъй като взорът на космическите агенции е отправен все по-далеч в Космоса, е важно те да получават данните от безпилотните си мисии възможно най-бързо. На Voyager 2 отне 12 години, за да стигне до Нептун, където направи няколко невероятни снимки, докато прелетя край планетата. Ако Voyager 2 имаше по-бърза задвижваща система, астрономите биха могли да имат тези снимки и информацията, която съдържат, доста години по-рано.
Така че скоростта е важна. Но защо корабите с ядрени двигатели са по-бързи?
Системите на днешния ден
След като космическият кораб излезе извън зоната на влияние на земната гравитация, има три важни аспекта, които трябва да се вземат предвид:
Тяга - колко бързо дадената система може да ускори космическия кораб;
Ефективност на масата - колко тяга може да произведе системата с дадено количество гориво;
Енергийна плътност - колко енергия може да произведе дадено количество гориво.
Днес най-често използваните задвижващи системи са химически, тоест обикновени ракети с гориво или електрически задвижващи системи със слънчева енергия.
Химическите задвижващи системи осигуряват много тяга, но самите ракети не са особено ефективни и ракетното гориво не създава достатъчно мощност. Ракетата "Сатурн V", която отведе астронавтите на Луната, произведе 35 милиона нютона при излитане, като носеше 30 000 тона гориво на борда си. И тъй като по-голямата част от горивото е използвана за извеждането на ракетата в орбита, ограниченията са очевидни: за да се стигне до където и да е, е необходимо голямо количество тежко гориво.
Електрическите задвижващи системи генерират тяга, използвайки електричество, произведено от слънчеви панели. Най-разпространеният начин да направите това е да използвате електрическо поле за ускоряване на йони, като например в дросела на Хол. Тези устройства обикновено се използват обаче само за захранване на сателити, макар и да имат повече от пет пъти по-висока ефективност на масата от химическите системи. Но пък произвеждат много, много по-малка тяга - около три нютона. Или казано по-разбираемо - достатъчно само за ускоряване на... земен автомобил! Освен това енергийният източник - Слънцето, е по същество безкраен. Но става все по-малко полезен, колкото по-далеч от него се намира 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 типичното химическо ракетно гориво. Много по-лесно е да изведете малко количество уран в Космоса, отколкото стотици хиляди тонове гориво.
А какво да кажем за тягата и ефективността на масата?
Инженерите до момента са проектирали два основни типа ядрени системи за космически пътувания.
Първият 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, който след това се ускорява през ракетна дюза, за да осигури необходимата тяга. Инженерите от НАСА изчисляват, че мисията до Марс, захранвана от ядрено термично задвижване, ще бъде с 20-25% по-бърза спрямо пътуването на хора, ползващи кораб с химическо задвижване.
Ядрените термични задвижващи системи са повече от два пъти по-ефективни от химическите, което означава, че генерират два пъти повече тяга, използвайки същото количество горивна маса и могат да доставят тяга от 100 000 нютона. Това е достатъчно много сила, за да ускорите кола от 0 до 100 км/ч за около четвърт от секундата.
Втората ракетна система на атомна база се нарича ядрено-електрическо задвижване. Реално все още не са изградени такива 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 дросела на Хол. Това би било много ефективно: около три пъти по-добро от ядрена система с термично задвижване. Тъй като ядреният реактор може да създаде много мощност, голям брой отделни електрически системи могат да работят едновременно, за да генерират значително количество тяга.
Ядрените електрически системи биха били най-добрият избор за мисии с голям обсег на действие, тъй като не се нуждаят от слънчева енергия, имат много висока ефективност и могат да произведат 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.
Защо все още няма ракети с ядрена мощност?
Ядрените термични задвижващи системи се изучават от 60-те години на миналия век, но все още не са летели в Космоса.
Регламентите, въведени за първи път в САЩ през 70-те години, по същество изискват проверка за всеки конкретен случай и одобрение на всеки ядрен космически проект от множество правителствени агенции и изрично одобрение от президента. Наред с липсата на финансиране за изследвания на ядрени ракетни системи, тази среда попречи на по-нататъшното подобряване на ядрените реактори за използване в космически мисии.
Всичко това се промени, когато администрацията на Тръмп издаде меморандум през август 2019 г. Макар да отстоява необходимостта ядрените изстрелвания да бъдат възможно най-безопасни, новата директива позволява мисии с по-ниско количество ядрен материал да пропускат процеса на одобрение от много агенции. Единствено водещата агенция, като НАСА например, трябва да удостовери, че мисията отговаря на препоръките за безопасност. По-големите ядрени мисии ще преминават през същия процес като преди.
Заедно с това преразглеждане на регламентите, НАСА получи 100 милиона долара в бюджета за 2019 г. за разработване на ядрено топлинно задвижване. Развойната агенция на военните DARPA също така разработва космическа ядрена система за термично задвижване, за да позволи операции по национална сигурност в околоземна орбита.
След 60 години застой е възможно ракета с ядрена енергия да се насочи към Космоса след по-малко от десетилетие. Това вълнуващо постижение ще донесе нова ера в космическото изследване, благодарение на която хората ще стигнат до Марс и ще направят вълнуващи нови открития из цялата ни Слънчева система и извън нея.
