 |  |  |
- NASA je podelila mandat podjetju Lochkeed Martin, za razvoj in testiranje jedrsko-termalnega raketnega motorja v roku štirih let.
- Nova tehnologija obeta znatno skrajšanje trajanja potovanja na Mars.
- Se bo jedrska tehnologija res izkazala za prihodnost vesoljskih poletov?
Ameriška NASA namerava že v prihodnjem desetletju izvesti misijo na Mars s človeško posadko. Toda to bo zahteven in dolgotrajen podvig, ki bo zahteval razvoj novih tehnologij. V prizadevanju za skrajšanje trajanja potovanja do tega planeta, je NASA pred kratkim podjetju Lockheed Martin podelila mandat, da v roku štirih let razvije in v vesolju preizkusi jedrsko-termalni raketni motor. V primeru uspešne izvedbe projekta DRACO bodo ti motorji omogočili hitrejša vesoljska potovanja ter prevoz večjih količin tovora v primerjavi s klasičnimi kemičnimi motorji. Vendar pa se poraja vprašanje, ali so jedrsko-termalni raketni motorji resna in tudi varna rešitev za prihodnost vesoljskih poletov?
Pri načrtovanju misije na Mars morajo znanstveniki upoštevati številne pomembne dejavnike. Tudi ko se Zemlja in Marsa poravnata, kar se zgodi le vsakih 26 mesecev, tako potovanje traja približno sedem mesecev v eno smer. To pomeni, da bodo bodoči astronavti za celotno potovanje, vključno z bivanjem na Marsu, potrebovali skoraj leto in pol. Poleg tehničnih in psiholoških izzivov bo potovanje predstavljalo tudi resno zdravstveno tveganje zaradi izpostavljenosti kozmičnim delcem, ki imajo na človeška telesa podoben vpliv kot radioaktivno sevanje.
Z namenom zmanjšanja tveganj, povezanih z medplanetarnimi potovanji, večje vesoljske agencije iščejo načine kako skrajšati njihov čas trajanja. NASA ter ameriška agencija za napredne obrambne analize DARPA, razvijata rakete, ki jih bodo, namesto klasičnih kemičnih, poganjali učinkovitejši jedrsko-termalni motorji. Agenciji sta si zastavili ambiciozno nalogo, da do leta 2027 preizkusita raketni motor, ki bo temeljil na principu jedrskega razpada. Leta 2021 sta dodelili sredstva trem podjetjem, General Atomics, Lockheed Martin in Blue Origin, da naredijo potrebne načrte. Julija letos je bilo podjetje Lockheed Martin izbrano za izdelavo prototipa, ki ga bo testiralo v vesolju. Projekt se imenuje “Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations” ali DRACO, zanj pa sta agenciji namenili kar 499 milijonov ameriških dolarjev.
Da bi razumeli potrebo po jedrsko-termalnih motorjih, se moramo najprej seznaniti z delovanjem klasičnih oziroma kemičnih raketnih motorjev in z njihovimi omejitvami. Ti uporabljajo raketna goriva, ki so običajno tekoča ali trdna, in oksidator, ki omogoča sprožitev kemične reakcije v motorju, pri čemer se ustvarijo produkti reakcije, med njimi različni plini. Ko se temperatura slednjih hitro poviša na več kot 3000 ºC, tlak v zgorevalni komori raketnega motorja močno naraste, kar požene pline skozi šobo motorja s hitrostjo okoli 4,5 km/s. Pri tem se po tretjem Newtonovem zakonu ustvari potisk, ki požene raketo v nasprotno smer.
Trenutno glavne motorje večine velikih raket, kot sta načrtovana Ariane 6 in Space Launch System (SLS), poganjata tekoči vodik (shranjen pri temperaturi -253 °C) in tekoči kisik (-180 °C) kot oksidant. Ob vžigu nastane vodna para, pri tem pa se sprosti ogromno energije. Poleg glavnega motorja, imata obe raketi tudi dva do štiri tako imenovane »boosterje« ki uporabljajo aluminijev prah kot gorivo, in aluminijev perklorat kot oksidant. Pri vžigu se sproščata vodna para in plin dušik.
Stroški izstrelitve tovora v orbito okoli Zemlje ali na druga nebesna telesa so ogromni. Na primer, težja različica Ariane 6 bo ob izstrelitvi tehtala približno 860 ton, od tega bo 705 ton goriva. Kapaciteta te rakete za prenos koristnega tovora v orbito okoli Zemlje se giblje med 11,5 in 21,5 tonami, pri čemer bo strošek vsake izstrelitve 115 milijonov evrov. Po drugi strani SLS ob izstrelitvi tehta 2610 ton in lahko do Lune ponese 27 ton tovora, cena ene same izstrelitve pa znaša okoli 2,2 milijarde dolarjev. Masa koristnega tovora tako predstavlja le nekaj več kot en odstotek mase SLS ob izstrelitvi.
Morda najbolj obsežen projekt, ki so se ga vesoljske agencije lotile v preteklosti, je bila izgradnja Mednarodne vesoljske postaje s skupno maso 450 ton. Za to, da so to ogromno količino tovora spravili v orbito, je bilo potrebnih skoraj štirideset izstrelitev v obdobju približno desetih let. Za postavitev baze na Luni ali Marsu v prihodnosti pa bo treba v vesolje ponesi dva do desetkrat več tovora. Če nam ne uspe razviti bistveno učinkovitejših raket od sistema SLS, bo treba izvesti kar 40 izstrelitev samo za dostavo goriva potrebnega za polet na Mars, kar bo stalo skoraj 90 milijard dolarjev. Zatorej ni presenetljivo, da vesoljske agencije iščejo načine, kako z eno samo izstrelitvijo poslati v vesolje čim več tovora za čim nižjo ceno.
NASA trenutno polaga upe v jedrsko-termalne raketne motorje. Princip njihovega delovanja je poznan že desetletja. V petdesetih letih prejšnjega stoletja je take motorje razvijalo Ministrstvo za obrambo ZDA. Ameriško vojno letalstvo je vodilo projekt Rover, katerega cilj je bil zgraditi jedrsko-termalni motor za medcelinske balistične rakete. Ker so se kemični motorji izkazali za bolj primerne, je projekt prevzela NASA in ga preimenovala v Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application oziroma NERVA. Ministrstvo za obrambo ZDA je izvajalo tudi projekt SNAP, katerega cilj je bil uporaba jedrsko-termalnih motorjev za dolgotrajne vesoljske misije.
Prvi takšen motor je bil razvit leta 1964 v okviru programa NERVA. Leta 1965 je NASA v okviru programa SNAP v orbito izstrelila doslej edini jedrski reaktor, ki je šest tednov krožil okoli našega planeta. Oba programa so opustili v času administracije predsednika Nixona, da bi se osredotočili na projekt vesoljskega čolniča.
Takratni motorji so delovali na sledeči način: v zgorevalni komori motorja je bilo jedro jedrskega reaktorja, v katerem se je nahajal obogaten uran. Ko se je v njem sprožila verižna reakcija, se je sprostilo ogromno energije, pri čemer so v komoro dovajali tekoči vodik, ki se je zaradi visokih temperatur (več kot 2000 °C) uplinil in se hitro širil skozi šobo reaktorja, kar je ustvarilo močan potisk. Izkazalo se je, da so jedrsko-termalni motorji, kljub delovanju pri nižji temperaturi, učinkovitejši od kemičnih motorjev in da imajo še eno pomembno prednost: ne zahtevajo oksidanta, zato njihovi izpusti sestojijo izključno iz molekul vodika.
Kljub obetavni učinkovitosti jedrsko-termalnih raketnih motorjev se pojavljajo nekatere težave. V preteklosti so za njihovo delovanje uporabljali obogaten uran, v katerem je koncentracija radioaktivnega urana-235 dosegala 20% – 90 %. Ni si težko predstavljati, kaj bi se zgodilo, če bi tak raketni motor eksplodiral med izstrelitvijo. Zaradi varnostnih pomislekov lahko v ZDA izstrelitev rakete, ki na krovu nosi obogaten uran, odobri le predsednik ZDA. NASA in druge agencije zato razmišljajo o razvoju reaktorjev, ki bi za gorivo uporabljali veliko bolj siromašen uran s koncentracijo urana-235 nižjo od 20 %.
Vprašamo se lahko, kakšne koristi pravzaprav pričakujemo od jedrsko-termalnih raketnih motorjev. Ocene, koliko časa bi z njihovo uporabo lahko prihranili na poti od Zemlje do Marsa, se močno razlikujejo. Nekateri viri navajajo, da bi se z uporabo teh motorjev potovanje na Mars lahko skrajšalo s sedmih mesecev na le 45 dni, medtem ko drugi omenjajo tri do štiri mesece. Najbolj pesimistične ocene govorijo o 20-odstotnem prihranku na času potovanja, kar znaša 1,4 meseca. Večina inženirjev o tem ne želi špekulirati, saj da je treba počakati na razvoj teh motorjev. To čakanje je usoda, ki jo z inženirji na žalost delimo vsi prebivalci Zemlje, medtem ko z nestrpnostjo pričakujemo napredek te vznemirljive tehnologije.
Nadaljna čtiva za najbolj radovedne
1. Rocket engine, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine
2. Ariane 6, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Ariane_6
3. Boosters (EAP), European Space Agency,
https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Launch_vehicles/Boosters_EAP
4. Ariane 6, CNES, https://ariane6.cnes.fr/en/technical-features
5. Vulcain (rocket engine), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcain_(rocket_engine)
6. P120 (rocket stage), Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/P120_(rocket_stage)
7. NASA’s ‘Nuclear Option’ May Be Crucial for Getting Humans to Mars, Scientific American, https://www.scientificamerican.com/article/nasas-nuclear-option-may-be-crucial-for-getting-humans-to-mars/
8. By the numbers: The Space Launch System, NASA’s next Moon rocket, astronomy.com, https://www.astronomy.com/space-exploration/by-the-numbers-the-space-launch-system-nasas-next-moon-rocket/
9. Nuclear-Powered Rockets Get a Second Look for Travel to Mars. IEEE Spectrum. https://spectrum.ieee.org/nuclear-powered-rockets-get-a-second-look-for-travel-to-mars
10. Rocket Physics, the Hard Way: Nuclear Thermal Rockets. Mars Society. https://www.marssociety.ca/2021/04/08/nuclear-thermal-rockets/
soncniblog.com 