Nová éra vesmírného průzkumu za fúzními raketovými motory

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

NASA a Elon Musk sní o Marsu a pilotované mise do hlubokého vesmíru se brzy stanou realitou. Asi se budete divit, ale moderní rakety létají o něco rychleji než rakety minulé.

Rychlé vesmírné lodě jsou z různých důvodů pohodlnější a nejlepší způsob, jak zrychlit, jsou rakety s jaderným pohonem. Mají mnoho výhod oproti konvenčním raketám poháněným palivem nebo moderním solárním elektrickým raketám, ale za posledních 40 let Spojené státy vypustily pouze osm raket na jaderný pohon.

V minulém roce se však zákony týkající se jaderného cestování vesmírem změnily a práce na další generaci raket již začaly.

Proč je potřeba rychlost?

V první fázi jakéhokoli letu do vesmíru je potřeba nosná raketa – ta vynese loď na oběžnou dráhu. Tyto velké motory běží na hořlavá paliva – a obvykle, když dojde na odpalování raket, jsou míněny. V nejbližší době nikam nejedou – stejně jako gravitační síla.

Ale když loď vstoupí do vesmíru, věci se stanou zajímavějšími. Aby loď překonala gravitaci Země a dostala se do hlubokého vesmíru, potřebuje další zrychlení. Zde vstupují do hry jaderné systémy. Pokud chtějí astronauti prozkoumat něco za Měsícem nebo ještě více za Marsem, budou si muset pospíšit. Vesmír je obrovský a vzdálenosti jsou poměrně velké.

Existují dva důvody, proč jsou rychlé rakety vhodnější pro cestování vesmírem na dlouhé vzdálenosti: bezpečnost a čas.

Na cestě na Mars čelí astronauti velmi vysokým úrovním radiace, která je plná vážných zdravotních problémů, včetně rakoviny a neplodnosti. Radiační stínění může pomoci, ale je extrémně těžké a čím delší mise, tím výkonnější stínění bude potřeba. Proto je nejlepší způsob, jak snížit dávku záření, jednoduše se rychleji dostat do cíle.

Bezpečnost posádky však není jedinou výhodou. Čím vzdálenější lety plánujeme, tím dříve potřebujeme data z bezpilotních misí. Voyageru 2 trvalo 12 let, než se dostal k Neptunu – a jak prolétal kolem, pořídil neuvěřitelné snímky. Kdyby měl Voyager výkonnější motor, tyto fotografie a data by se u astronomů objevily mnohem dříve.

Rychlost je tedy výhodou. Ale proč jsou jaderné systémy rychlejší?

Dnešní systémy

Po překonání gravitační síly musí loď zvážit tři důležité aspekty.

Tah- jaké zrychlení loď obdrží.

Hmotnostní účinnost- jaký tah dokáže systém vyvinout na dané množství paliva.

Měrná spotřeba energie- kolik energie vydá dané množství paliva.

Dnes jsou nejběžnějšími chemickými motory konvenční rakety na palivo a elektrické rakety na solární pohon.

Chemické pohonné systémy poskytují velký tah, ale nejsou nijak zvlášť účinné a raketové palivo není příliš energeticky náročné. Raketa Saturn 5, která nesla astronauty na Měsíc, dodala při startu sílu 35 milionů newtonů a nesla 950 000 galonů (4 318 787 litrů) paliva. Většina z toho šla na vynesení rakety na oběžnou dráhu, takže omezení jsou zřejmá: kamkoli půjdete, potřebujete hodně těžkého paliva.

Elektrické pohonné systémy generují tah pomocí elektřiny ze solárních panelů. Nejběžnějším způsobem, jak toho dosáhnout, je použít elektrické pole k urychlení iontů, například jako v Hallově indukční trysce. Tato zařízení se používají k napájení satelitů a jejich hmotnostní účinnost je pětkrát vyšší než u chemických systémů. Ale zároveň vydávají mnohem menší tah - asi 3 newtony. To stačí pouze ke zrychlení vozu z 0 na 100 kilometrů za hodinu za zhruba dvě a půl hodiny. Slunce je v podstatě bezedný zdroj energie, ale čím dále se od něj loď vzdaluje, tím je méně užitečné.

Jedním z důvodů, proč jsou jaderné střely obzvláště perspektivní, je jejich neuvěřitelná energetická náročnost. Uranové palivo používané v jaderných reaktorech má energetický obsah 4 milionkrát vyšší než energetický obsah hydrazinu, typického chemického raketového paliva. A je mnohem snazší dostat trochu uranu do vesmíru než statisíce galonů paliva.

A co trakce a hmotnostní efektivita?

Dvě jaderné možnosti

Pro cestování vesmírem inženýři vyvinuli dva hlavní typy jaderných systémů.

První je termonukleární motor. Tyto systémy jsou velmi výkonné a vysoce účinné. Používají malý jaderný štěpný reaktor – jako ty na jaderných ponorkách – k ohřevu plynu (jako je vodík). Tento plyn je pak urychlován tryskou rakety, aby poskytl tah. Inženýři NASA spočítali, že cesta na Mars pomocí termonukleárního motoru bude o 20–25 % rychlejší než raketa s chemickým motorem.

Fusion motory jsou více než dvakrát účinnější než chemické. To znamená, že při stejném množství paliva dodávají dvojnásobný tah – až 100 000 Newtonů tahu. To stačí na zrychlení vozu na rychlost 100 kilometrů za hodinu za zhruba čtvrt sekundy.

Druhým systémem je jaderný elektrický raketový motor (NEPE). Žádný z nich ještě nebyl vytvořen, ale myšlenkou je použít výkonný štěpný reaktor k výrobě elektřiny, který pak bude pohánět elektrický pohonný systém jako Hallův motor. To by bylo velmi účinné – asi třikrát účinnější než fúzní motor. Vzhledem k tomu, že výkon jaderného reaktoru je obrovský, může pracovat několik samostatných elektromotorů současně a tah se ukáže jako solidní.

Jaderné raketové motory jsou možná nejlepší volbou pro mise s extrémně dlouhým dosahem: nevyžadují sluneční energii, jsou velmi účinné a poskytují relativně vysoký tah. Ale přes všechnu svou slibnou povahu má jaderný pohonný systém stále spoustu technických problémů, které bude třeba vyřešit před uvedením do provozu.

Proč stále neexistují rakety s jaderným pohonem?

Termonukleární motory se zkoumají od 60. let 20. století, ale do vesmíru ještě neletěly.

Podle charty ze 70. let byl každý jaderný vesmírný projekt zvažován samostatně a nemohl jít dále bez souhlasu řady vládních agentur a samotného prezidenta. Spolu s nedostatkem finančních prostředků na výzkum jaderných raketových systémů to brzdilo další vývoj jaderných reaktorů pro použití ve vesmíru.

To se ale vše změnilo v srpnu 2019, kdy Trumpova administrativa vydala prezidentské memorandum. I když trvá na maximální bezpečnosti jaderných startů, nová směrnice stále umožňuje jaderné mise s nízkým množstvím radioaktivního materiálu bez složitého meziagenturního schvalování. Postačuje potvrzení sponzorské agentury, jako je NASA, že mise je v souladu s bezpečnostními doporučeními. Velké jaderné mise procházejí stejnými procedurami jako dříve.

Spolu s touto revizí pravidel získala NASA z rozpočtu na rok 2019 100 milionů dolarů na vývoj termonukleárních motorů. Agentura Defence Advanced Research Projects Agency rovněž vyvíjí termonukleární vesmírný motor pro národní bezpečnostní operace mimo oběžnou dráhu Země.

Po 60 letech stagnace je možné, že během deseti let vyletí do vesmíru jaderná raketa. Tento neuvěřitelný úspěch zahájí novou éru průzkumu vesmíru. Člověk půjde na Mars a vědecké experimenty povedou k novým objevům v celé sluneční soustavě i mimo ni.