Ove i druge misije koje će odvesti astronaute izvan niske Zemljine orbite (LEO) i sistema Zemlja-Mesec zahtevaju nove tehnologije, u rasponu od održavanja života i zaštite od zračenja do napajanja i pogona.
A kada je reč o poslednjem, nuklearni termalni i nuklearni električni pogon (NTP/NEP) je najveći kandidat!
NASA i sovjetski svemirski program proveli su decenije istražujući nuklearni pogon tokom svemirske trke.
Pre nekoliko godina, NASA je ponovo pokrenula svoj nuklearni program u cilju razvoja bimodalnog nuklearnog pogona – dvodelnog sistema koji se sastoji od NTP i NEP elementa – koji bi mogao da omogući tranzit na Mars za 100 dana.
Kao deo programa NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) za 2023. godinu, NASA je odabrala nuklearni koncept za fazu I razvoja. Ova nova klasa bimodalnog nuklearnog pogonskog sistema koristi „ciklus prelivanja talasnog rotora“ i mogla bi da smanji vreme tranzita do Marsa na samo 45 dana.
Predlog, pod nazivom „Bimodalni NTP/NEP sa ciklusom dopunjavanja talasnog rotora“, izneo je prof. Rajan Gos, voditelj programa za hipersoniku na Univerzitetu Floride i član tima za primenjeno inženjersko istraživanje na Floridi (FLARE). .
Gosseov predlog je jedan od 14 koje je NAIC odabrao ove godine za fazu I razvoja, što uključuje grant od 12.500 USD za pomoć u sazrevanju tehnologije i metoda koje su uključene. Ostali predlozi su uključivali inovativne senzore, instrumente, proizvodne tehnike, sisteme napajanja i još mnogo toga.
Nuklearni pogon se u suštini svodi na dva koncepta, od kojih se oba oslanjaju na tehnologije koje su temeljno testirane i validirane.
Za nuklearno-termalni pogon (NTP), ciklus se sastoji od nuklearnog reaktora koji zagreva tečni vodonik (LH2) pogonsko gorivo, pretvarajući ga u jonizovani vodonični gas (plazmu) koji se zatim kanališe kroz mlaznice za stvaranje potiska.
Učinjeno je nekoliko pokušaja da se napravi test ovog pogonskog sistema, uključujući projekat Rover, zajednički napor između američkog vazduhoplovstva i Komisije za atomsku energiju (AEC) koji je pokrenut 1955. godine.
Godine 1959. NASA je preuzela dužnost od USAF-a i program je ušao u novu fazu posvećenu aplikacijama za svemirske letove. Ovo je na kraju dovelo do nuklearnog motora za primenu u raketnim vozilima (NERVA), nuklearnog reaktora sa čvrstim jezgrom koji je uspešno testiran.
Sa zatvaranjem Apolo ere 1973. godine, finansiranje programa je drastično smanjeno, što je dovelo do njegovog otkazivanja pre nego što su mogli da se sprovedu testovi leta. U međuvremenu, Sovjeti su razvili sopstveni NTP koncept (RD-0410) između 1965. i 1980. godine i sproveli jedno testiranje na zemlji pre nego što je program otkazan.
Nuklearno-električni pogon (NEP), s druge strane, oslanja se na nuklearni reaktor koji obezbeđuje električnu energiju potisniku sa Holovim efektom (jonski motor), koji generiše elektromagnetno polje koje jonizuje i ubrzava inertni gas (poput ksenona) da bi stvorio potisak. Pokušaji razvoja ove tehnologije uključuju NASA-in projekat Prometej Inicijative za nuklearne sisteme (NSI) (2003. do 2005.).
Oba sistema imaju značajne prednosti u odnosu na konvencionalni hemijski pogon, uključujući veću ocenu specifičnog impulsa (Isp), efikasnost goriva i praktično neograničenu gustinu energije.
Dok se NEP koncepti razlikuju po tome što pružaju više od 10.000 sekundi Isp, što znači da mogu da održavaju potisak skoro tri sata, nivo potiska je prilično nizak u poređenju sa konvencionalnim raketama i NTP.
Potreba za izvorom električne energije, kaže Gose, takođe postavlja pitanje odbijanja toplote u prostoru – gde je konverzija toplotne energije 30-40 procenata u idealnim okolnostima.
I dok su NTP NERVA dizajni poželjna metoda za misije sa posadom na Mars i šire, ovaj metod takođe ima problema sa obezbeđivanjem adekvatnih početnih i konačnih masenih frakcija za misije sa visokim delta-v.
Zbog toga se favorizuju predlozi koji uključuju obe metode pogona (bimodalne), jer bi kombinovali prednosti oba. Gosseov predlog poziva na bimodalni dizajn zasnovan na NERVA reaktoru sa čvrstim jezgrom koji bi obezbedio specifični impuls (Isp) od 900 sekundi, dvostruko više od trenutnih performansi hemijskih raketa.
Ciklus koji je predložio Gosse takođe uključuje kompresor sa talasnim pritiskom – ili Vave Rotor (VR) – tehnologiju koja se koristi u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem koja koristi talase pritiska proizvedene reakcijama za kompresiju usisnog vazduha.
Kada je uparen sa NTP motorom, VR bi koristio pritisak koji se stvara zagrevanjem LH2 goriva u reaktoru za dalje komprimovanje reakcione mase. Kao što Gosse obećava, ovo će isporučiti nivoe potiska uporedive sa NTP konceptom NERVA klase, ali sa Isp od 1400-2000 sekundi. Kada je uparen sa NEP ciklusom, rekao je Gosse, nivoi potiska su još više poboljšani:
„U kombinaciji sa NEP ciklusom, radni ciklus Isp se može dodatno povećati (1.800-4.000 sekundi) uz minimalno dodavanje suve mase. Ovaj bimodalni dizajn omogućava brz tranzit za misije sa posadom (45 dana do Marsa) i revolucioniše istraživanje dubokog svemira našeg Sunčevog sistema“.
Na osnovu konvencionalne pogonske tehnologije, misija sa posadom na Mars mogla bi da traje do tri godine. Ove misije bi se pokretale svakih 26 meseci kada bi Zemlja i Mars bili najbliži (aka. Marsova opozicija) i provele bi najmanje šest do devet meseci u tranzitu.
Tranzit od 45 dana (šest i po nedelja) smanjio bi ukupno vreme misije na mesece umesto na godine. Ovo bi značajno smanjilo glavne rizike povezane sa misijama na Mars, uključujući izloženost radijaciji, vreme provedeno u mikrogravitaciji i povezane zdravstvene probleme.
Pored pogona, postoje predlozi za nove dizajne reaktora koji bi obezbedili stabilno napajanje za dugotrajne površinske misije gde solarna energija i energija vetra nisu uvek dostupne.
Primeri uključuju NASA Kilopover reaktor koji koristi Stirling tehnologiju (KRUSTI) i hibridni reaktor fisije/fuzije odabran za fazu I razvoja prema NASA-inom izboru NAIC 2023.
Ove i druge nuklearne aplikacije mogle bi jednog dana omogućiti misije posade na Mars i druge lokacije u dubokom svemiru, možda ranije nego što mislimo!
