Jauns kosmosa izpētes laikmets aiz kodolsintēzes raķešu dzinējiem

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

NASA un Elons Masks sapņo par Marsu, un pilotētas dziļās kosmosa misijas drīz kļūs par realitāti. Jūs droši vien būsiet pārsteigti, taču mūsdienu raķetes lido nedaudz ātrāk nekā pagātnes raķetes.

Ātri kosmosa kuģi ir ērtāki dažādu iemeslu dēļ, un labākais veids, kā paātrināt, ir ar kodolenerģiju darbināmas raķetes. Tām ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar tradicionālajām raķetēm, ko darbina ar degvielu, vai mūsdienu ar saules enerģiju darbināmām elektriskām raķetēm, taču pēdējo 40 gadu laikā ASV ir palaidušas tikai astoņas ar kodolenerģiju darbināmas raķetes.

Tomēr pagājušajā gadā ir mainījušies likumi par kodolieroču kosmosa ceļojumiem, un jau ir sākts darbs pie nākamās paaudzes raķetēm.

Kāpēc vajadzīgs ātrums?

Jebkura lidojuma kosmosā pirmajā posmā ir nepieciešama nesējraķete - tā nogādā kuģi orbītā. Šie lielie dzinēji darbojas ar degošu degvielu – un parasti, kad runa ir par raķešu palaišanu, tie ir domāti. Viņi drīzumā nekur nebrauks - tāpat kā gravitācijas spēks.

Bet, kad kuģis ieiet kosmosā, lietas kļūst interesantākas. Lai pārvarētu Zemes gravitāciju un dotos dziļā kosmosā, kuģim nepieciešams papildu paātrinājums. Šeit tiek izmantotas kodolsistēmas. Ja astronauti vēlas izpētīt kaut ko ārpus Mēness vai vēl jo vairāk Marsa, viņiem būs jāsteidzas. Kosmoss ir milzīgs, un attālumi ir diezgan lieli.

Ir divi iemesli, kāpēc ātras raķetes ir labāk piemērotas tālsatiksmes ceļojumiem kosmosā: drošība un laiks.

Ceļā uz Marsu astronauti saskaras ar ļoti augstu radiācijas līmeni, kas ir pilns ar nopietnām veselības problēmām, tostarp vēzi un neauglību. Radiācijas vairogs var palīdzēt, taču tas ir ārkārtīgi smags, un, jo ilgāka misija, jo jaudīgāks ekranējums būs vajadzīgs. Tāpēc labākais veids, kā samazināt starojuma devu, ir vienkārši ātrāk nokļūt galamērķī.

Taču apkalpes drošība nav vienīgais ieguvums. Jo tālākus lidojumus plānojam, jo ātrāk mums būs nepieciešami dati no bezpilota misijām. Bija nepieciešami Voyager 2 12 gadi, lai sasniegtu Neptūnu, un, lidojot garām, tas uzņēma dažus neticamus attēlus. Ja Voyager būtu jaudīgāks dzinējs, šīs fotogrāfijas un dati astronomu rīcībā būtu parādījušies daudz agrāk.

Tātad ātrums ir priekšrocība. Bet kāpēc kodolsistēmas ir ātrākas?

Mūsdienu sistēmas

Pārvarot gravitācijas spēku, kuģim jāņem vērā trīs svarīgi aspekti.

Grūdiens- kādu paātrinājumu kuģis saņems.

Svara efektivitāte- cik lielu vilces spēku sistēma spēj radīt noteiktam degvielas daudzumam.

Īpatnējais enerģijas patēriņš- cik daudz enerģijas izdala konkrētais degvielas daudzums.

Mūsdienās visizplatītākie ķīmiskie dzinēji ir parastās ar degvielu darbināmas raķetes un ar saules enerģiju darbināmas elektriskās raķetes.

Ķīmiskās piedziņas sistēmas nodrošina lielu vilci, taču tās nav īpaši efektīvas, un raķešu degviela nav īpaši energoietilpīga. Raķete Saturn 5, kas astronautus nogādāja uz Mēnesi, pacelšanās laikā piegādāja 35 miljonus ņūtonu spēka un pārvadāja 950 000 galonu (4 318 787 litrus) degvielas. Lielākā daļa no tā tika izmantota, lai raķete nonāktu orbītā, tāpēc ierobežojumi ir acīmredzami: lai kur jūs dotos, jums ir nepieciešams daudz smagās degvielas.

Elektriskās piedziņas sistēmas rada vilci, izmantojot elektrību no saules paneļiem. Visizplatītākais veids, kā to panākt, ir izmantot elektrisko lauku, lai paātrinātu jonus, piemēram, piemēram, Hola indukcijas dzineklī. Šīs ierīces izmanto satelītu barošanai, un to svara efektivitāte ir piecas reizes lielāka nekā ķīmiskajām sistēmām. Bet tajā pašā laikā tie rada daudz mazāku vilci - apmēram 3 ņūtonus. Ar to pietiek, lai auto paātrinātu no 0 līdz 100 kilometriem stundā aptuveni divarpus stundās. Saule būtībā ir bezdibena enerģijas avots, taču, jo tālāk kuģis no tās attālinās, jo mazāk noderīgs tas ir.

Viens no iemesliem, kāpēc kodolraķetes ir īpaši daudzsološas, ir to neticamā enerģijas intensitāte. Kodolreaktoros izmantotās urāna degvielas enerģijas saturs ir 4 miljonus reižu lielāks nekā hidrazīnam, kas ir tipiska ķīmiska raķešu degviela. Un ir daudz vieglāk nogādāt urānu kosmosā nekā simtiem tūkstošu galonu degvielas.

Kā ar vilces un svara efektivitāti?

Divas kodolenerģijas iespējas

Kosmosa ceļošanai inženieri ir izstrādājuši divus galvenos kodolsistēmu veidus.

Pirmais ir kodoltermiskais dzinējs. Šīs sistēmas ir ļoti jaudīgas un ļoti efektīvas. Gāzes (piemēram, ūdeņraža) sildīšanai viņi izmanto mazu kodola skaldīšanas reaktoru, piemēram, kodolzemūdenēs. Pēc tam šo gāzi paātrina caur raķetes sprauslu, lai nodrošinātu vilci. NASA inženieri ir aprēķinājuši, ka ceļojums uz Marsu, izmantojot kodoltermisko dzinēju, būs par 20-25% ātrāks nekā raķete ar ķīmisko dzinēju.

Kodolsintēzes dzinēji ir vairāk nekā divas reizes efektīvāki nekā ķīmiskie. Tas nozīmē, ka tie nodrošina divreiz lielāku vilces spēku ar tādu pašu degvielas daudzumu - līdz 100 000 ņūtonu vilces spēku. Ar to pietiek, lai aptuveni ceturtdaļas sekundes laikā auto paātrinātu līdz 100 kilometriem stundā.

Otrā sistēma ir kodolelektriskais raķešu dzinējs (NEPE). Neviens no tiem vēl nav izveidots, bet ideja ir izmantot jaudīgu skaldīšanas reaktoru, lai ražotu elektroenerģiju, kas pēc tam darbinās elektrisko piedziņas sistēmu, piemēram, Hola motoru. Tas būtu ļoti efektīvi - apmēram trīs reizes efektīvāk nekā kodolsintēzes dzinējs. Tā kā kodolreaktora jauda ir milzīga, vienlaikus var darboties vairāki atsevišķi elektromotori, un vilce izrādīsies stabila.

Kodolraķešu motori, iespējams, ir labākā izvēle ārkārtīgi liela attāluma misijām: tiem nav nepieciešama saules enerģija, tie ir ļoti efektīvi un nodrošina salīdzinoši lielu vilci. Taču, neskatoties uz to daudzsološo raksturu, kodolenerģijas piedziņas sistēmai joprojām ir daudz tehnisku problēmu, kas būs jāatrisina pirms tās nodošanas ekspluatācijā.

Kāpēc joprojām nav ar kodolenerģiju darbināmu raķešu?

Kodoltermodzinēji ir pētīti kopš pagājušā gadsimta 60. gadiem, taču tie vēl nav lidojuši kosmosā.

Saskaņā ar 1970. gadu hartu katrs kodolieroču kosmosa projekts tika izskatīts atsevišķi, un to nevarēja turpināt bez vairāku valdības aģentūru un paša prezidenta apstiprinājuma. Kopā ar finansējuma trūkumu kodolraķešu sistēmu izpētei, tas ir kavējis turpmāku kodolreaktoru attīstību izmantošanai kosmosā.

Taču tas viss mainījās 2019. gada augustā, kad Trampa administrācija izdeva prezidenta memorandu. Lai gan jaunā direktīva uzstāj uz maksimālu kodoliekārtu palaišanas drošību, tā joprojām atļauj kodolmisijas ar nelielu radioaktīvo materiālu daudzumu bez sarežģīta starpaģentūru apstiprinājuma. Pietiek ar sponsorējošās aģentūras, piemēram, NASA, apstiprinājumu, ka misija atbilst drošības ieteikumiem. Lielas kodolieroču misijas veic tās pašas procedūras kā iepriekš.

Līdz ar šo noteikumu pārskatīšanu NASA saņēma 100 miljonus USD no 2019. gada budžeta kodoltermisko dzinēju izstrādei. Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra arī izstrādā kodoltermiskā kosmosa dzinēju valsts drošības operācijām ārpus Zemes orbītas.

Pēc 60 stagnācijas gadiem, iespējams, desmit gadu laikā kosmosā nonāks kodolraķete. Šis neticamais sasniegums ievadīs jaunu kosmosa izpētes laikmetu. Cilvēks dosies uz Marsu, un zinātniskie eksperimenti novedīs pie jauniem atklājumiem visā Saules sistēmā un ārpus tās.