Solsystemet er et veldig stort sted, og det tar alltid å reise fra verden til verden med tradisjonelle kjemiske raketter. Men en teknikk utviklet på 1960-tallet kan være en måte å forkorte reisetidene dramatisk på: kjernefysiske raketter.
Selvfølgelig har også en egen rakett å skyte en rakett drevet av radioaktivt materiale. Bør vi forsøke det?
La oss si at du ønsket å besøke Mars ved hjelp av en kjemisk rakett. Du ville sprenge av fra Jorden og gå inn i lav jordbane. Da, i riktig øyeblikk, ville du avfyrt raketten din og løftet banen fra solen. Den nye elliptiske banen du følger, krysser Mars etter åtte måneders flyreise.
Dette er kjent som Hohmann-overføring, og det er den mest effektive måten vi vet hvordan vi ferdes i verdensrommet, ved å bruke minst mulig drivmiddel og størst mengde nyttelast. Problemet er selvfølgelig tiden det tar. Gjennom reisen vil astronauter konsumere mat, vann, luft og bli utsatt for langvarig stråling av dype rom. Da dobler et returoppdrag behovet for ressurser og dobler strålingsbelastningen.
Vi må gå raskere.
Det viser seg at NASA har tenkt på hva som kommer etter kjemiske raketter i nesten 50 år.
Kjernefysiske raketter. De setter definitivt fart på reisen, men de er ikke uten egen risiko, og det er derfor du ikke har sett dem. Men kanskje deres tid er her.
I 1961 arbeidet NASA og Atomenergikommisjonen sammen om ideen om kjernefysisk termisk fremdrift, eller NTP. Dette ble pioner av Werner von Braun, som håpet at menneskelige oppdrag skulle fly til Mars på 1980-tallet, på vingene til kjernefysiske raketter.
Det skjedde ikke. Men de utførte noen vellykkede tester av kjernefysisk termisk fremdrift og demonstrerte at det fungerer.
Mens en kjemisk rakett virker ved å tenne på et slags brennbart kjemisk stoff og deretter tvinge avgassene ut et munnstykke. Takket være den gode gamle Newtons tredje lov, vet du, for hver handling er det en like og motsatt reaksjon, raketten får et skyv i motsatt retning fra de utviste gassene.
En kjernefysisk rakett fungerer på lignende måte. En kule med uranbrensel i marmorstørrelse gjennomgår fisjonen og slipper ut enorme mengder varme. Dette varmer opp et hydrogen til nesten 2500 C som deretter blir utvist ut baksiden av raketten med høy hastighet. Meget veldig høy hastighet, noe som gir raketten to til tre ganger fremdriftseffektiviteten til en kjemisk rakett.
Husker du de 8 månedene jeg nevnte for en kjemisk rakett? En kjernefysisk termisk rakett kan kutte transittiden i to, kanskje til og med 100 dagsturer til Mars. Noe som betyr mindre ressurser forbrukt av astronautene, og en lavere strålingsbelastning.
Og det er en annen stor fordel. Drevet av en kjernefysisk rakett kan tillate oppdrag å gå når Jorden og Mars ikke er perfekt på linje. Akkurat nå, hvis du går glipp av vinduet ditt, må du vente i ytterligere 2 år, men en kjernefysisk rakett kan gi deg styrken til å takle forsinkelser.
De første testene av kjernefysiske raketter startet i 1955 med Project Rover ved Los Alamos Scientific Laboratory. Nøkkelutviklingen var å minimere reaktorene nok til å kunne sette dem på en rakett. I løpet av de neste årene bygde og testet ingeniører mer enn et dusin reaktorer i forskjellige størrelser og kraftuttak.
Med suksessen til Project Rover satte NASA sine synspunkter på de menneskelige oppdragene til Mars som ville følge Apollo-landerne på Månen. På grunn av avstand og flytid bestemte de seg for at atomraketter skulle være nøkkelen til å gjøre oppdragene mer kapable.
Atomraketter er selvfølgelig ikke uten risiko. En reaktor om bord ville være en liten kilde til stråling for astronautpersonalet om bord, dette ville oppveies av den reduserte flytiden. Selve dype rom er en enorm strålingsfare, med den konstante galaktiske kosmiske strålingen som skader astronaut-DNA.
På slutten av 1960-tallet satte NASA opp programmet Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, eller NERVA, for å utvikle teknologiene som ville bli kjernefysiske raketter som ville ta mennesker til Mars.
De testet større, kraftigere kjernefysiske raketter, i Nevada-ørkenen, og luftet hydrogengassen med høy hastighet rett ut i atmosfæren. Miljølovene var mye mindre strenge den gang.
Den første NERVA NRX ble til slutt testet i nesten to timer, med 28 minutter på full effekt. Og en andre motor ble startet opp 28 ganger og kjørt i 115 minutter.
På slutten testet de den kraftigste atomreaktoren som noen gang er blitt bygd, Phoebus-2A-reaktoren, som er i stand til å generere 4000 megawatt kraft. Trykk i 12 minutter.
Selv om de forskjellige komponentene aldri egentlig ble satt sammen i en flyklar klar rakett, var ingeniørene fornøyd med at en kjernefysisk rakett ville dekke behovene til en flyreise til Mars.
Men da bestemte USA seg for at de ikke ville dra til Mars mer. De ville ha romfergen i stedet.
Programmet ble lagt ned i 1973, og ingen testet kjernefysiske raketter siden den gang.
Men nyere fremskritt innen teknologi har gjort kjernefysisk termisk fremdrift mer tiltalende. Tilbake på 1960-tallet var den eneste drivstoffkilden de kunne bruke sterkt beriket uran. Men nå tror ingeniører at de kan klare seg med lavanriket uran.
Dette ville være tryggere å jobbe med, og vil tillate flere rakettanlegg å kjøre tester. Det ville også være lettere å fange opp de radioaktive partiklene i eksosen og kaste dem ordentlig. Det ville redusere de samlede kostnadene ved å jobbe med teknologien.
22. mai 2019 godkjente den amerikanske kongressen $ 125 millioner dollar i finansiering for utvikling av kjernefysiske termiske fremdriftsraketter. Selv om dette programmet ikke har noen rolle å spille i NASAs Artemis 2024-retur til månen, ber det - sitat - "NASA om å utvikle en flerårig plan som muliggjør en demonstrasjon av termisk fremdrift, inkludert tidslinjen knyttet til romdemonstrasjonen og en beskrivelse av fremtidige oppdrag og fremdrifts- og kraftsystemer aktivert av denne evnen. "
Kjernefysjon er en måte å utnytte atomets kraft på. Selvfølgelig krever det anriket uran og genererer giftig radioaktivt avfall. Hva med fusjon? Hvor atomer av hydrogen presses inn i helium og frigjør energi?
Sola har fusjon utarbeidet, takket være sin enorme masse og kjernetemperatur, men bærekraftig, energipositiv fusjon har vært unnvikende av oss tunge mennesker.
Store eksperimenter som ITER i Europa håper å opprettholde fusjonsenergi i løpet av det neste tiåret. Etter det kan du tenke deg at fusjonsreaktorer blir miniaturiserte til et punkt at de kan tjene den samme rollen som en fisjonreaktor i en kjernefysisk rakett. Men selv om du ikke kan få fusjonsreaktorer til et punkt at de er netto energipositive, kan de fortsatt gi en enorm akselerasjon for mengden masse.
Og kanskje trenger vi ikke vente flere tiår. En forskergruppe ved Princeton Plasma Physics Laboratory jobber med et konsept kalt Direct Fusion Drive, som de tror kan være klart mye tidligere.
Den er basert på Princeton Field-Reversed Configuration-fusjonsreaktoren utviklet i 2002 av Samuel Cohen. Varmt plasma av helium-3 og deuterium er inneholdt i en magnetbeholder. Helium-3 er sjelden på jorden, og verdifull fordi fusjonsreaksjoner med den ikke vil generere den samme mengden farlig stråling eller atomavfall som andre fusjons- eller fisjonreaktorer.
Som med fisjon-raketten, varmer en fusjonsrakett opp et drivmiddel til høye temperaturer og sprenger den deretter ut på baksiden og produserer skyvekraft.
Det fungerer ved å samle en haug med lineære magneter som inneholder og spinner veldig varmt plasma. Antenner rundt plasmaet er innstilt på den spesifikke frekvensen til ionene, og skaper en strøm i plasmaet. Energien deres blir pumpet opp til at atomene smelter sammen og frigjør nye partikler. Disse partiklene vandrer gjennom inneslutningsfeltet til de blir fanget opp av magnetfeltlinjene og blir akselerert ut bak på raketten.
I teorien ville en fusjonsrakett være i stand til å tilveiebringe 2,5 til 5 Newtons skyvekraft per megawatt, med en spesifikk impuls på 10.000 sekunder - husk 850 fra fisjon raketter, og 450 fra kjemiske raketter. Det ville også være å generere strøm som kreves av romfartøyet langt fra solen, der solcellepaneler ikke er veldig effektive.
En Direct Fusion Drive ville være i stand til å frakte et 10-tonns oppdrag til Saturn på bare 2 år, eller et 1-tonns romfartøy fra Jorden til Pluto om cirka 4 år. Nye horisonter trengte nesten 10.
Siden det også er en fusjonsreaktor på 1 megawatt, vil den også gi strøm til alle romfartøyets instrumenter når den ankommer. Mye mye mer enn de nukleære batteriene som for øyeblikket fraktes av dype romoppdrag som Voyager og New Horizons.
Se for deg hva slags interstellare oppdrag som kan være på bordet med denne teknologien også.
Og Princeton Satellite Systems er ikke den eneste gruppen som jobber med systemer som dette. Applied Fusion Systems har søkt patent på en atomfusjonsmotor som kan gi trykk til romskip.
Jeg vet at det har gått flere tiår siden NASA seriøst testet kjernefysiske raketter som en måte å forkorte flytider på, men det ser ut som teknologien er tilbake. I løpet av de neste årene forventer jeg å se ny maskinvare og nye tester av kjernefysiske termiske fremdriftssystemer. Og jeg er utrolig spent på muligheten for at faktiske fusjonsdrivende fører oss til andre verdener. Forbli innstilt, som alltid, vil jeg gi deg beskjed når en faktisk flyr.
