En ny æra av romutforskning bak fusjonsrakettmotorer

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

NASA og Elon Musk drømmer om Mars, og bemannede romfart vil snart bli en realitet. Du vil nok bli overrasket, men moderne raketter flyr litt raskere enn fortidens raketter.

Raske romskip er mer praktisk av en rekke årsaker, og den beste måten å akselerere på er gjennom atomdrevne raketter. De har mange fordeler fremfor konvensjonelle raketter med drivstoff eller moderne solcelledrevne elektriske raketter, men i løpet av de siste 40 årene har USA bare skutt opp åtte atomdrevne raketter.

Men i løpet av det siste året har lovene for kjernefysiske romfart endret seg, og arbeidet med neste generasjon raketter har allerede begynt.

Hvorfor trengs hastighet?

I den første fasen av enhver flytur ut i verdensrommet er det nødvendig med en bærerakett - den tar skipet i bane. Disse store motorene går på brennbart drivstoff - og vanligvis når det kommer til oppskyting av raketter, er de ment. De skal ikke noe sted med det første - det samme er tyngdekraften.

Men når skipet kommer inn i verdensrommet, blir ting mer interessant. For å overvinne jordens tyngdekraft og gå ut i verdensrommet, trenger skipet ytterligere akselerasjon. Det er her kjernefysiske systemer spiller inn. Hvis astronauter vil utforske noe utenfor Månen eller enda mer Mars, må de skynde seg. Kosmos er enorm, og avstandene er ganske store.

Det er to grunner til at raske raketter er bedre egnet for langdistanse romfart: sikkerhet og tid.

På vei til Mars står astronauter overfor svært høye nivåer av stråling, fulle av alvorlige helseproblemer, inkludert kreft og infertilitet. Strålingsskjerming kan hjelpe, men det er ekstremt tungt og jo lengre oppdraget er, desto kraftigere skjerming vil være nødvendig. Derfor er den beste måten å redusere stråledosen på å ganske enkelt komme deg raskere til målet.

Men mannskapets sikkerhet er ikke den eneste fordelen. Jo fjernere flyvninger vi planlegger, jo raskere trenger vi data fra ubemannede oppdrag. Det tok Voyager 2 12 år å nå Neptun – og mens den fløy forbi, tok den noen utrolige bilder. Hvis Voyager hadde en kraftigere motor, ville disse fotografiene og dataene ha dukket opp hos astronomer mye tidligere.

Så fart er en fordel. Men hvorfor er atomsystemer raskere?

Dagens systemer

Etter å ha overvunnet tyngdekraften, må skipet vurdere tre viktige aspekter.

Fremstøt- hvilken akselerasjon skipet vil motta.

Vekteffektivitet- hvor mye skyvekraft systemet kan produsere for en gitt mengde drivstoff.

Spesifikt energiforbruk- hvor mye energi en gitt mengde drivstoff avgir.

I dag er de vanligste kjemiske motorene konvensjonelle drivstoffdrevne raketter og solcelledrevne elektriske raketter.

Kjemiske fremdriftssystemer gir mye skyvekraft, men er ikke spesielt effektive, og rakettdrivstoff er lite energikrevende. Saturn 5-raketten som fraktet astronauter til månen leverte 35 millioner newtons kraft ved start og fraktet 950 000 gallons (4 318 787 liter) drivstoff. Det meste gikk med til å få raketten i bane, så begrensningene er åpenbare: uansett hvor du går, trenger du mye tungt drivstoff.

Elektriske fremdriftssystemer genererer skyvekraft ved å bruke elektrisitet fra solcellepaneler. Den vanligste måten å oppnå dette på er å bruke et elektrisk felt for å akselerere ioner, for eksempel som i en Hall induksjonspropell. Disse enhetene brukes til å drive satellitter, og deres vekteffektivitet er fem ganger høyere enn kjemiske systemer. Men samtidig gir de mye mindre skyvekraft - ca 3 newton. Dette er bare nok til å akselerere bilen fra 0 til 100 kilometer i timen på omtrent to og en halv time. Solen er egentlig en bunnløs energikilde, men jo lenger skipet beveger seg bort fra den, jo mindre nyttig er den.

En av grunnene til at atomraketter er spesielt lovende er deres utrolige energiintensitet. Uranbrensel som brukes i atomreaktorer har et energiinnhold som er 4 millioner ganger det for hydrazin, et typisk kjemisk rakettbrensel. Og det er mye lettere å få litt uran ut i verdensrommet enn det er hundretusenvis av liter drivstoff.

Hva med trekkraft og vekteffektivitet?

To kjernefysiske alternativer

For romfart har ingeniører utviklet to hovedtyper av kjernefysiske systemer.

Den første er en termonukleær motor. Disse systemene er svært kraftige og svært effektive. De bruker en liten atomfisjonsreaktor - som de på atomubåter - for å varme opp en gass (som hydrogen). Denne gassen akselereres deretter gjennom rakettdysen for å gi skyvekraft. NASA-ingeniører har beregnet at en tur til Mars med en termonukleær motor vil være 20-25 % raskere enn en rakett med kjemisk motor.

Fusjonsmotorer er mer enn dobbelt så effektive som kjemiske. Det betyr at de leverer dobbelt skyvekraft for samme mengde drivstoff - opptil 100 000 Newton skyvekraft. Dette er nok til å akselerere bilen til en hastighet på 100 kilometer i timen på omtrent et kvarter.

Det andre systemet er en kjernefysisk elektrisk rakettmotor (NEPE). Ingen av disse er ennå laget, men tanken er å bruke en kraftig fisjonsreaktor for å generere elektrisitet, som deretter skal drive et elektrisk fremdriftssystem som en Hall-motor. Det ville vært veldig effektivt - omtrent tre ganger mer effektivt enn en fusjonsmotor. Siden kraften til en atomreaktor er enorm, kan flere separate elektriske motorer fungere samtidig, og skyvekraften vil vise seg å være solid.

Kjernefysiske rakettmotorer er kanskje det beste valget for oppdrag med ekstremt lang rekkevidde: de krever ikke solenergi, er svært effektive og gir relativt høy skyvekraft. Men til tross for all sin lovende natur, har kjernekraftfremdriftssystemet fortsatt mange tekniske problemer som må løses før det settes i drift.

Hvorfor er det fortsatt ingen atomdrevne missiler?

Termonukleære motorer har blitt studert siden 1960-tallet, men de har ennå ikke fløyet ut i verdensrommet.

Under charteret fra 1970-tallet ble hvert kjernefysisk romprosjekt vurdert separat og kunne ikke gå videre uten godkjenning fra en rekke offentlige etater og presidenten selv. Sammen med manglende midler til forskning på kjernefysiske missilsystemer, har dette hindret videreutviklingen av atomreaktorer for bruk i rommet.

Men det hele endret seg i august 2019 da Trump-administrasjonen ga ut et presidentmemorandum. Mens det insisterer på maksimal sikkerhet ved atomoppskytninger, tillater det nye direktivet fortsatt atomoppdrag med lave mengder radioaktivt materiale uten komplisert godkjenning mellom myndighetene. Bekreftelse fra et sponsorbyrå som NASA om at oppdraget er i samsvar med sikkerhetsanbefalingene er tilstrekkelig. Store atomoppdrag går gjennom de samme prosedyrene som før.

Sammen med denne revisjonen av reglene mottok NASA 100 millioner dollar fra budsjettet for 2019 for utvikling av termonukleære motorer. Defense Advanced Research Projects Agency utvikler også en termonukleær rommotor for nasjonale sikkerhetsoperasjoner utenfor jordens bane.

Etter 60 år med stagnasjon er det mulig at en kjernefysisk rakett vil gå ut i verdensrommet innen et tiår. Denne utrolige prestasjonen vil innlede en ny æra av romutforskning. Mennesket vil gå til Mars, og vitenskapelige eksperimenter vil føre til nye oppdagelser i hele solsystemet og utover.