НАСА разработва начини за използване на ядрената енергия за изпращане на космически кораби до техните дестинации. Ядреното задвижване би могло да съкрати времето за пътуване до Марс от повече от шест месеца до три или четири месеца.
Идеята за ядрено задвижване в космоса датира от времето на Студената война. Но НАСА я преследва по-агресивно, откакто милиардерът и търговски астронавт Джаред Айзъкман поема поста на ръководител на агенцията през декември 2025 г. Айзъкман е известен защитник на технологията и казва, че тя може „наистина да отключи способността на човечеството да изследва сред звездите“.
През март 2026 г. агенцията дори обявява безпилотна мисия с ядрена енергия до червената планета, планирана за края на 2028 г.
Всеки космически кораб започва своето пътуване, борейки се със земната гравитация, като изгаря химическо гориво. Химическото задвижване е мощно, надеждно и просто единственият практичен начин да се напусне земната гравитация. Но то е свързано със сериозно ограничение. Ракетите трябва да носят както горивото си, така и в повечето случаи окислителя, необходим за изгарянето му.
Това означава, че голяма част от масата на ракетата при изстрелване е гориво, а не полезен товар. Колкото по-дълго и по-амбициозно е пътуването, толкова повече гориво е необходимо и толкова по-тежка става ракетата.Край на формуляра
Марс е на значително разстояние от Земята, така че дългото време за пътуване, заплахата за астронавтите от космическа радиация, масата, необходима за носене на животоподдържащи системи, и ограниченията при обратния път представляват сериозни проблеми за планирането на мисия.
Ето защо инженерите продължават да търсят по-устойчиви алтернативи на химическите ракети.
Две технологии
Програмата за ядрено задвижване на космоса на НАСА разграничава два основни подхода: термично задвижване и електрическо задвижване.
Ядреното термично задвижване следва триетапен процес. Първо, ядреният реактор използва процес на ядрено делене на уран, при който се отделя голямо количество топлинна енергия. Второ, течният водород се пропуска през активната зона на реактора, където се нагрява до изключително високи температури и преминава в газообразно състояние. Трето, този свръхнагрят водороден газ се ускорява и изхвърля през дюза с голяма скорост, като по този начин създава тяга и задвижва космическия кораб.
Според Министерството на енергетиката на САЩ ядреното термично задвижване може да съкрати времето за пътуване до Марс с до 25%, като същевременно намали излагането на екипажа на космическа радиация. Освен това технологията би увеличила гъвкавостта на т.нар. „прозорци за изстрелване“ – периодите, в които е възможно ефективно пътуване между Земята и Марс.
Тези прозорци зависят от относителното подравняване на двете планети, което настъпва приблизително на всеки две години. По-голямата оперативна гъвкавост би позволила по-лесно адаптиране на мисията и би увеличила възможностите за безопасно връщане на екипажа на Земята при необходимост.
Ядреното електрическо задвижване, от друга страна, използва ядрен реактор за генериране на електрическа енергия. Тази енергия захранва електрически двигатели, най-често йонни или плазмени, които ускоряват заредени частици – например йони на ксенон – до много високи скорости и ги изхвърлят през дюза.
Ако ядреното термично задвижване може да се оприличи на спринтьорски подход, ядреното електрическо задвижване е по-скоро маратонският вариант. То осигурява много малка тяга, но може да работи непрекъснато за изключително дълги периоди от време.
Тази икономична на гориво технология е идеална за изпращане на роботи-изследователи или тежки товари (като местообитания и хранителни запаси) до Марс месеци преди пристигането на хората. В дълбокия космос, малка тяга, прилагана за дълго време, може да има огромно значение.
Това е основната идея зад мисията на НАСА „Space Reactor-1 Freedom mission“. „SR-1 Freedom“ е мисия с ядрено-електрическо задвижване, чието изстрелване от НАСА в момента е планирано за декември 2028 г.
Това ще бъде първият междупланетен космически кораб с ядрено задвижване. Той ще пътува до Марс, за да докаже, че ядрената енергия може да осигури устойчива, високоефективна мощност, необходима за пътувания в дълбокия космос.
При пристигането си на Марс, приблизително една година след изстрелването си, се очаква „SR-1 Freedom“ да разположи полезния товар „Skyfall“. Това е набор от малки хеликоптерни дронове, които ще разузнават повърхността на Марс.
Според НАСА, мисията ще създаде ядрено оборудване, което може да се използва и при други полети. Тя също така може да постави регулаторен прецедент и да активира индустриална база за бъдещи системи, базирани на ядрено делене.
За човешките изследвания, комбинацията от ядрено-електрическо задвижване и ядрено-термично задвижване е много привлекателна. Тъй като ядрено-електрическото задвижване е изключително икономично откъм гориво, то може да премества товари с огромно тегло (местообитания, храна за години напред, марсоходи и животоподдържащи машини), използвайки много малко гориво.
Ако за товарът може да не е от толкова голямо значение за колко време ще пристигне на Марс, за крехките ни човешки тела това е изключително важно, защото по-дългият престой в космоса увеличава риска от рак от космическа радиация и причинява загуба на костна и мускулна маса.
Вторият от тези проблеми е, че костите и мускулите не се тренират в условия на микрогравитация. Ядреното термично задвижване осигурява високата тяга, необходима за достигане на Марс за три до четири месеца, драстично намалявайки тези рискове за здравето.
Стръмен път напред
Въпреки очевидните предимства, пътят до стартовата площадка е стръмен, а изстрелването на „SR-1 Freedom“ през 2028 г. изглежда доста амбициозно.
Един ядрено-електрически космически кораб се нуждае много ключови компоненти, а всеки един от тях изисква тестване и внимателна интеграция, за да работят заедно.
Ако НАСА иска „SR-1 Freedom“ да успее да изпълни задачата си през декември 2028 г., агенцията разполага с много малко време, за да осъществи мисия, която обикновено би изисквала години проектиране, интеграция и преглед.
Ядреното задвижване е прекарало повече от 60 години някъде между инженерната реалност и технологичния мит – въпреки че физиката винаги е била правилна.
Това, което се е оказва по-трудно, е технологията да бъде направена безопасна, достъпна, лицензируема (тоест да отговаря на регулаторните изисквания за безопасност) и готова за реална мисия по график. До момента САЩ са изстреляли само един ядрен реактор в орбита – SNAP-10A, през 1965 г.
„SR-1 Freedom“ може да проправи път за по-способни системи. Ядреното електрическо задвижване няма да направи пътуването до Марс лесно. Но може да започне да премахва бариерите пред пътуванията до Червената планета и това е доста вдъхновяваща перспектива.
Източник: Domenico Vicinanza, Associate Professor of Intelligent Systems and Data Science, Anglia Ruskin University/The Conversation
