NASA i sovjetski svemirski program proveli su desetljeća istražujući nuklearni pogon tijekom njihove utrke u istraživanju svemira. Prije nekoliko godina NASA je ponovno pokrenula svoj nuklearni program u svrhu razvoja bimodalnog nuklearnog pogona, odnosno dvodijelnog sustava koji se sastoji od elementa nuklearne toplinske i nuklearne električne propulzije (NTP/NEP), koji bi mogao omogućiti let do Marsa za sto dana.
Kao dio NASA-ina programa Innovative Advanced Concepts (NIAC) za 2023. godinu, NASA je odabrala nuklearni koncept za prvu fazu razvoja. Ova nova klasa bimodalnog nuklearnog pogonskog sustava koristi takozvani "Wave Rotor Topping Cycle" i mogao bi smanjiti vrijeme leta do Marsa na svega 45 dana. Prijedlog tog koncepta iznio je profesor Ryan Gosse, voditelj Hypersonics Program Area na Sveučilištu Florida i član tima Florida Applied Research in Engineering (FLARE).
14 novoodobrenih projekata
NIAC je, međutim, za 2023. godinu odabrao, osim Gosseova, ukupno 14 prijedloga za prvu fazu razvoja, što uključuje financiranje za pomoć u usavršavanju uključene tehnologije i metoda. Ostali prijedlozi uključivali su inovativne senzore, instrumente, proizvodne tehnike, sustave napajanja i još puno toga.
Nuklearni pogon zapravo se svodi na dva koncepta, a oba se oslanjaju na tehnologije koje su temeljito ispitane i potvrđene.
NTP/NEP pogoni
Kod nuklearno-toplinskog pogona (NTP) ciklus se sastoji od nuklearnog reaktora koji zagrijava tekući vodik (LH2), pogonsko gorivo, pretvarajući ga u ionizirani vodikov plin (plazmu), koji se zatim kanalizira kroz mlaznice za stvaranje potiska.
Nuklearno-električni pogon (NEP), s druge strane, oslanja se na nuklearni reaktor za opskrbu električnom energijom potisnika Hall-Effect (ionski motor), koji stvara elektromagnetsko polje, koje ionizira i ubrzava inertni plin (kao što je ksenon) za stvaranje povjerenja. Pokušaji razvoja ove tehnologije uključuju NASA-in projekt Prometheus Inicijative za nuklearne sustave (NSI) (2003. do 2005.).
Prednosti i mane nuklearnih pogona
Oba navedena sustava imaju značajne prednosti u odnosu na konvencionalni kemijski pogon, uključujući veću ocjenu specifičnog impulsa (ISP), učinkovitost goriva i gotovo neograničenu gustoću energije. Dok se koncepti NEP razlikuju po pružanju više od 10.000 sekundi ISP-a, što znači da mogu održavati potisak blizu tri sata, razina potiska prilično je niska u usporedbi s konvencionalnim raketama i konceptima NTP.
Potreba za izvorom električne energije, kaže Gosse, također otvara pitanje odbijanja topline u prostoru, gdje je pretvorba toplinske energije 30-40 posto u idealnim okolnostima.
Kod koncepata NTP NERVA postoji problem s pružanjem odgovarajućih početnih i konačnih udjela mase za misije s visokim delta-v, odnosno velikim promjenama u brzinama.
Zbog svega navedenog prijedlozi koji uključuju obje metode propulzije (bimodalni sustavi) zapravo se favoriziraju jer bi kombinirali prednosti oba ta sustava. Gosseov prijedlog poziva na bimodalni dizajn temeljen na reaktoru NERVA s čvrstom jezgrom, koji bi davao specifični impuls (ISP) od 900 sekundi, što je dvostruko više od trenutačnih performansi kemijskih raketa.
Gosseov koncept
Gosseov predloženi ciklus također uključuje kompresor tlačnog vala, odnsno tehnologiju Wave Rotor (WR), koja se koristi u motorima s unutarnjim izgaranjem i koja koristi valove pritiska proizvedene reakcijama za komprimiranje usisnog zraka.
U paru s motorom NTP, WR bi koristio tlak stvoren zagrijavanjem goriva tekućeg vodika u reaktoru za daljnju kompresiju reakcijske mase. To bi omogućilo razine potiska usporedive s onima kod koncepta NTP klase NERVA, ali s ISP-om od 1400-2000 sekundi. U paru s ciklusom NEP, ističe Gosse, razine tog potiska još se više povećavaju.
Zajedno s ciklusom NEP, radni ciklus ISP-a može se dodatno povećati (1800-4000 sekundi) s minimalnim dodatkom suhe mase. Ovaj bimodalni dizajn omogućuje brzi tranzit za misije s posadom (45 dana do Marsa) i revolucionira istraživanje dublje u Sunčev sustav, pojašnjava.
Pogled u budućnost
U slučaju trenutačne, konvencionalne pogonske tehnologije, misija s posadom na Mars mogla bi trajati do tri godine. Takve bi se misije lansirale svakih 26 mjeseci, odnosno kada su Zemlja i Mars međusobno na najmanjoj udaljenosti, a let do Crvenog planeta trajao bi najmanje šest mjeseci.
Tranzit od 45 dana smanjio bi ukupno vrijeme misije na Mars s razine od nekoliko godina na nekoliko mjeseci. To bi znatno smanjilo glavne rizike povezane s misijama na Mars, uključujući izloženost zračenju, vrijeme provedeno u mikrogravitaciji i povezane zdravstvene probleme.
No, osim pogona, postoje prijedlozi za nove dizajne reaktora koji bi osigurali postojanu opskrbu energijom za dugotrajne površinske misije na Marsu, gdje solarna energija i energija vjetra nisu uvijek dostupne. Sve u svemu, čini se da je izglednost misija s ljudskom posadom duboko u Sunčev sustav bliža nego što se to dosad činilo.
Izvor: Universe Today
