Seorang profesor Amerika menerangkan mengapa enjin roket nuklear lebih cekap daripada mesin kimia. Oleh itu, merekalah yang akan membantu menjelajah Marikh dan segala yang ada di luarnya. Tetapi dia tidak memikirkan soal apakah NASA akan memiliki cukup uang untuk mengembangkan mesin seperti itu, jika Pentagon juga terlibat di dalamnya, dan pertama-tama dia diberikan.
NASA dan Elon Musk mengimpikan Marikh, dan misi ruang angkasa yang dalam akan segera menjadi kenyataan. Anda mungkin akan terkejut, tetapi roket moden terbang sedikit lebih cepat daripada roket masa lalu.
Kapal angkasa yang pantas lebih senang dengan pelbagai sebab, dan cara terbaik untuk memecut adalah dengan roket berkuasa nuklear. Mereka mempunyai banyak kelebihan daripada roket berbahan bakar konvensional atau roket elektrik berkuasa solar moden, tetapi dalam 40 tahun terakhir, Amerika Syarikat melancarkan hanya lapan roket berkuasa nuklear.
Namun, pada tahun lalu, undang-undang mengenai perjalanan angkasa nuklear berubah dan kerja-kerja roket generasi akan datang.
Mengapa kelajuan diperlukan?
Pada tahap pertama penerbangan ke angkasa, diperlukan kenderaan pelancar - membawa kapal ke orbit. Enjin besar ini menggunakan bahan bakar yang mudah terbakar - dan biasanya ketika melancarkan roket, mereka bermaksud mereka. Mereka tidak akan pergi ke mana-mana dalam masa terdekat - begitu juga dengan kekuatan graviti.
Tetapi ketika kapal memasuki ruang angkasa, perkara menjadi menarik. Untuk mengatasi graviti Bumi dan masuk ke angkasa lepas, kapal memerlukan pecutan tambahan. Di sinilah sistem nuklear dimainkan. Sekiranya angkasawan ingin meneroka sesuatu di luar Bulan, atau lebih-lebih lagi Mars, mereka harus tergesa-gesa. Kosmos sangat besar dan jaraknya agak besar.
Video promosi:
Terdapat dua sebab mengapa roket pantas lebih sesuai untuk perjalanan jarak jauh: keselamatan dan masa.
Dalam perjalanan ke Mars, angkasawan menghadapi tahap radiasi yang sangat tinggi, penuh dengan masalah kesihatan yang serius, termasuk barah dan kemandulan. Pelindung radiasi dapat membantu, tetapi sangat berat dan semakin lama misinya, perisai yang lebih kuat akan diperlukan. Oleh itu, kaedah terbaik untuk mengurangkan dos radiasi adalah dengan sampai ke destinasi anda dengan lebih cepat.
Tetapi keselamatan kru bukan satu-satunya faedah. Semakin jauh penerbangan yang kita rancangkan, semakin cepat kita memerlukan data dari misi tanpa pemandu. Diperlukan Voyager 2 12 tahun untuk sampai ke Neptune - dan ketika terbang, ia mengambil beberapa gambar yang luar biasa. Sekiranya Voyager mempunyai enjin yang lebih kuat, gambar dan data ini akan muncul di para astronom lebih awal.
Jadi kelajuan adalah kelebihan. Tetapi mengapa sistem nuklear lebih cepat?
Sistem hari ini
Setelah mengatasi kekuatan graviti, kapal mesti mempertimbangkan tiga aspek penting.
Yang paling biasa pada masa ini adalah mesin kimia - iaitu, roket berbahan bakar konvensional dan roket elektrik berkuasa solar.
Sistem pendorong kimia memberikan banyak daya tuju, tetapi tidak begitu efisien, dan bahan bakar roket tidak memerlukan banyak tenaga. Roket Saturn 5, yang membawa angkasawan ke bulan, mengirimkan 35 juta ton kekuatan pada saat lepas landas dan membawa 950,000 gelen (4,318,787 liter) bahan bakar. Sebahagian besarnya membuat roket memasuki orbit, jadi batasannya jelas: ke mana sahaja anda pergi, anda memerlukan banyak bahan bakar berat.
Sistem pendorong elektrik menghasilkan tujahan menggunakan elektrik dari panel solar. Cara yang paling biasa untuk melakukannya adalah dengan menggunakan medan elektrik untuk mempercepat ion, seperti dalam dorong induksi Hall. Peranti ini digunakan untuk menggerakkan satelit, dan kecekapan beratnya lima kali ganda dari sistem kimia. Tetapi pada masa yang sama, mereka memberikan daya tarikan yang lebih sedikit - sekitar 3 newton. Ini hanya cukup untuk mempercepat kereta dari 0 hingga 100 kilometer sejam dalam kira-kira dua setengah jam. Matahari pada asasnya adalah sumber tenaga tanpa dasar, tetapi semakin jauh kapal menjauh darinya, semakin kurang berguna.
Salah satu sebab mengapa peluru berpandu nuklear sangat menjanjikan adalah intensiti tenaga yang luar biasa. Bahan bakar uranium yang digunakan dalam reaktor nuklear mempunyai intensitas energi 4 juta kali ganda daripada hidrazin, bahan bakar roket kimia khas. Dan jauh lebih mudah untuk memasukkan sedikit uranium ke ruang angkasa daripada ratusan ribu gelen bahan bakar.
Bagaimana dengan daya tarikan dan kecekapan berat badan?
Dua pilihan nuklear
Untuk perjalanan angkasa, jurutera telah mengembangkan dua jenis sistem nuklear utama.
Yang pertama adalah enjin termonuklear. Sistem ini sangat berkuasa dan sangat cekap. Mereka menggunakan reaktor pembelahan nuklear kecil - seperti yang ada di kapal selam nuklear - untuk memanaskan gas (seperti hidrogen). Gas ini kemudian dipercepat melalui muncung roket untuk memberikan tujahan. Jurutera NASA telah mengira bahawa perjalanan ke Mars menggunakan enjin termonuklear akan 20-25% lebih cepat daripada roket dengan mesin kimia.
Enjin fusi lebih daripada dua kali lebih efisien daripada mesin kimia. Ini bermakna bahawa mereka menghasilkan daya dorong dua kali lebih banyak untuk jumlah bahan bakar yang sama - hingga 100,000 Newton daya tuju. Ini cukup untuk mempercepat kereta hingga 100 kilometer sejam dalam masa seperempat saat.
Sistem kedua adalah enjin roket elektrik nuklear (DEB). Belum ada yang dibuat, tetapi idenya adalah menggunakan reaktor pembelahan yang kuat untuk menjana elektrik, yang kemudian akan menggerakkan sistem pendorong elektrik seperti motor Hall. Itu akan sangat berkesan - kira-kira tiga kali lebih cekap daripada mesin fusi. Oleh kerana kekuatan reaktor nuklear sangat besar, beberapa motor elektrik yang berasingan dapat berfungsi pada masa yang sama, dan daya tuju akan menjadi padat.
Enjin roket nuklear mungkin merupakan pilihan terbaik untuk misi jarak jauh: mereka tidak memerlukan tenaga suria, sangat cekap dan memberikan daya tuju yang agak tinggi. Tetapi untuk semua sifatnya yang menjanjikan, sistem penggerak tenaga nuklear masih mempunyai banyak masalah teknikal yang harus diselesaikan sebelum dioperasikan.
Mengapa masih tidak ada peluru berpandu berkuasa nuklear?
Mesin fusion telah dipelajari sejak tahun 1960-an, tetapi belum terbang ke angkasa.
Di bawah piagam tahun 1970-an, setiap projek ruang nuklear dipertimbangkan secara berasingan dan tidak dapat melangkah lebih jauh tanpa persetujuan sejumlah agensi pemerintah dan presiden itu sendiri. Ditambah dengan kekurangan dana untuk penyelidikan sistem peluru berpandu nuklear, ini telah mencegah pengembangan reaktor nuklear untuk digunakan di ruang angkasa.
Tetapi semua itu berubah pada bulan Ogos 2019 ketika pentadbiran Trump mengeluarkan memorandum presiden. Walaupun menegaskan keselamatan maksimum pelancaran nuklear, arahan baru masih membenarkan misi nuklear dengan jumlah bahan radioaktif yang rendah tanpa persetujuan antara agensi yang rumit. Pengesahan oleh agensi penaja seperti NASA bahawa misi mematuhi cadangan keselamatan sudah memadai. Misi nuklear besar menjalani prosedur yang sama seperti sebelumnya.
Seiring dengan semakan peraturan ini, NASA menerima $ 100 juta dari anggaran 2019 untuk pembangunan mesin termonuklear. Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan juga mengembangkan enjin ruang termonuklear untuk operasi keselamatan negara di luar orbit Bumi.
Setelah 60 tahun genangan, kemungkinan roket nuklear akan masuk ke angkasa dalam satu dekad. Pencapaian luar biasa ini akan membawa era penerokaan angkasa baru. Manusia akan pergi ke Marikh, dan eksperimen saintifik akan membawa kepada penemuan baru di seluruh sistem suria dan seterusnya.
Iain Boyd adalah profesor kejuruteraan aeroangkasa di University of Colorado di Boulder
