En ny era av rymdutforskning bakom fusionsraketmotorer

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

NASA och Elon Musk drömmer om Mars, och bemannade rymduppdrag kommer snart att bli verklighet. Du kommer förmodligen att bli förvånad, men moderna raketer flyger lite snabbare än tidigare raketer.

Snabba rymdskepp är bekvämare av olika anledningar, och det bästa sättet att accelerera är genom kärnkraftsdrivna raketer. De har många fördelar jämfört med konventionella raketer eller moderna soldrivna elektriska raketer, men under de senaste 40 åren har USA bara skjutit upp åtta kärnkraftsdrivna raketer.

Men under det senaste året ändrades lagarna för kärntekniska rymdresor, och arbetet med nästa generation raketer har redan börjat.

Varför behövs hastighet?

I det första skedet av varje flygning ut i rymden behövs ett bärraket - det tar skeppet i omloppsbana. Dessa stora motorer går på brännbara bränslen – och oftast när det kommer till uppskjutning av raketer är de menade. De går ingenstans när som helst snart - liksom tyngdkraften.

Men när skeppet kommer in i rymden blir det mer intressant. För att övervinna jordens gravitation och gå ut i rymden behöver skeppet ytterligare acceleration. Det är här kärnkraftssystem kommer in i bilden. Om astronauter vill utforska något bortom månen eller ännu mer Mars, måste de skynda sig. Kosmos är enormt, och avstånden är ganska stora.

Det finns två anledningar till varför snabba raketer är bättre lämpade för långväga rymdresor: säkerhet och tid.

På vägen till Mars möter astronauter mycket höga nivåer av strålning, fyllda med allvarliga hälsoproblem, inklusive cancer och infertilitet. Strålningsskärmning kan hjälpa, men den är extremt tung och ju längre uppdraget är desto kraftfullare avskärmning kommer att behövas. Därför är det bästa sättet att minska stråldosen att helt enkelt ta sig till din destination snabbare.

Men besättningens säkerhet är inte den enda fördelen. Ju längre bort flyg vi planerar, desto snabbare behöver vi data från obemannade uppdrag. Det tog Voyager 2 12 år att nå Neptunus - och när den flög förbi tog den några otroliga bilder. Om Voyager hade en kraftfullare motor skulle dessa fotografier och data ha dykt upp hos astronomer mycket tidigare.

Så snabbhet är en fördel. Men varför är kärnkraftssystem snabbare?

Dagens system

Efter att ha övervunnit tyngdkraften måste fartyget överväga tre viktiga aspekter.

Sticka- vilken acceleration fartyget kommer att få.

Vikteffektivitet- hur mycket dragkraft systemet kan producera för en given mängd bränsle.

Specifik energiförbrukning- hur mycket energi en given mängd bränsle avger.

Idag är de vanligaste kemiska motorerna konventionella bränsledrivna raketer och soldrivna elektriska raketer.

Kemiska framdrivningssystem ger mycket dragkraft, men är inte särskilt effektiva, och raketbränsle är inte särskilt energikrävande. Saturn 5-raketen som förde astronauter till månen levererade 35 miljoner newtons kraft vid start och transporterade 950 000 gallons (4 318 787 liter) bränsle. Det mesta gick till att få raketen i omloppsbana, så begränsningarna är uppenbara: vart du än går behöver du mycket tungt bränsle.

Elektriska framdrivningssystem genererar dragkraft med hjälp av el från solpaneler. Det vanligaste sättet att uppnå detta är att använda ett elektriskt fält för att accelerera joner, till exempel, som i en Hall-induktionspropeller. Dessa enheter används för att driva satelliter och deras vikteffektivitet är fem gånger högre än kemiska system. Men samtidigt ger de ut mycket mindre dragkraft - cirka 3 newton. Detta räcker bara för att accelerera bilen från 0 till 100 kilometer i timmen på cirka två och en halv timme. Solen är i grunden en bottenlös energikälla, men ju längre skeppet rör sig bort från den, desto mindre användbar är den.

En av anledningarna till att kärnvapenmissiler är särskilt lovande är deras otroliga energiintensitet. Uranbränsle som används i kärnreaktorer har ett energiinnehåll som är 4 miljoner gånger högre än hydrazin, ett typiskt kemiskt raketbränsle. Och det är mycket lättare att få ut lite uran i rymden än det är hundratusentals liter bränsle.

Hur är det med dragkraft och vikteffektivitet?

Två kärnkraftsalternativ

För rymdresor har ingenjörer utvecklat två huvudtyper av kärnkraftssystem.

Den första är en termonukleär motor. Dessa system är mycket kraftfulla och mycket effektiva. De använder en liten kärnklyvningsreaktor - som de på kärnubåtar - för att värma upp en gas (som väte). Denna gas accelereras sedan genom raketmunstycket för att ge dragkraft. NASA-ingenjörer har beräknat att en resa till Mars med en termonukleär motor kommer att vara 20-25% snabbare än en raket med en kemisk motor.

Fusionsmotorer är mer än dubbelt så effektiva som kemiska. Det betyder att de levererar dubbelt så mycket dragkraft för samma mängd bränsle - upp till 100 000 Newton dragkraft. Detta räcker för att accelerera bilen till en hastighet av 100 kilometer i timmen på ungefär en kvarts sekund.

Det andra systemet är en nukleär elektrisk raketmotor (NEPE). Ingen av dessa har ännu skapats, men tanken är att använda en kraftfull fissionsreaktor för att generera elektricitet, som sedan ska driva ett elektriskt framdrivningssystem som en Hall-motor. Det skulle vara mycket effektivt - ungefär tre gånger effektivare än en fusionsmotor. Eftersom kraften i en kärnreaktor är enorm kan flera separata elmotorer arbeta samtidigt, och dragkraften kommer att visa sig vara stabil.

Nukleära raketmotorer är kanske det bästa valet för extremt långväga uppdrag: de kräver ingen solenergi, är mycket effektiva och ger relativt hög dragkraft. Men trots all sin lovande natur har kärnkraftsframdrivningssystemet fortfarande en hel del tekniska problem som måste lösas innan det tas i drift.

Varför finns det fortfarande inga kärnkraftsdrivna missiler?

Termonukleära motorer har studerats sedan 1960-talet, men de har ännu inte flugit ut i rymden.

Enligt 1970-talets stadga övervägdes varje kärntekniskt rymdprojekt separat och kunde inte gå längre utan godkännande av ett antal statliga myndigheter och presidenten själv. Tillsammans med bristande finansiering för forskning om kärnvapenmissilsystem har detta hämmat vidareutvecklingen av kärnreaktorer för användning i rymden.

Men allt förändrades i augusti 2019 när Trump-administrationen utfärdade ett presidentmemorandum. Samtidigt som det insisterar på maximal säkerhet vid kärnkraftsuppskjutningar, tillåter det nya direktivet fortfarande kärnvapenuppdrag med låga mängder radioaktivt material utan komplicerat godkännande mellan myndigheterna. En bekräftelse från en sponsrande byrå som NASA att uppdraget är i enlighet med säkerhetsrekommendationerna är tillräckligt. Stora kärnvapenuppdrag går igenom samma procedurer som tidigare.

Tillsammans med denna översyn av reglerna fick NASA 100 miljoner dollar från 2019 års budget för utveckling av termonukleära motorer. Defense Advanced Research Projects Agency utvecklar också en termonukleär rymdmotor för nationella säkerhetsoperationer bortom jordens omloppsbana.

Efter 60 år av stagnation är det möjligt att en kärnvapenraket kommer ut i rymden inom ett decennium. Denna otroliga prestation kommer att inleda en ny era av rymdutforskning. Människan kommer att åka till Mars, och vetenskapliga experiment kommer att leda till nya upptäckter i hela solsystemet och bortom.