NASA er að þróa kjarnorkueldflaug til að ná til Mars á aðeins 45 dögum

Við lifum á tímum endurnýjaðrar geimkönnunar þar sem nokkrar stofnanir ætla að senda geimfara til tunglsins á næstu árum. Á næsta áratug munu NASA og Kína senda áhafnir til Mars og önnur lönd gætu brátt gengið til liðs við þá. Þessi og önnur verkefni sem munu taka geimfara út fyrir lága braut jarðar (LOO) og Earth-Moon kerfið krefjast nýrrar tækni, allt frá lífstuðningi og geislavörnum til orku og knúnings. Og þegar kemur að því síðarnefnda er kjarnorkuvarma og kjarnorkuframdrif (NTP/NEP) helsti keppinauturinn um sigur!

Sem hluti af 2023 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) áætluninni hefur NASA valið kjarnorkuhugmynd fyrir fyrsta áfanga þróunar. Þessi nýi flokkur tvímóta kjarnorkuvera notar „hröðunarbylgjuhringrás snúnings“ og getur stytt flugtímann til Mars í 45 daga.

Tillagan, sem kallast Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Acceleration Cycle, var sett fram af prófessor Ryan Gosse, forstöðumanni hlífðarfræðináms við háskólann í Flórída og meðlimur í Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE) teymi. Tillaga Gosse er ein af 14 sem NAIC valdi á þessu ári fyrir fyrsta áfanga þróunar, sem felur í sér 12 dollara styrk til að hjálpa til við að þróa tækni og aðferðir sem tengjast verkefninu. Önnur tilboð voru nýstárlegir skynjarar, tækjabúnaður, framleiðslutækni, raforkukerfi og fleira.

Kjarnorka snýst í meginatriðum um tvö hugtök, sem bæði byggjast á tækni sem hefur verið ítarlega prófuð og sannreynd. Fyrir Nuclear Thermal Propulsion (NTP) samanstendur hringrásin af kjarnaofni sem hitar fljótandi vetni (LH2) og breytir því í jónað vetnisgas (plasma), sem síðan er beint í gegnum stúta til að mynda þrýsting. Nokkrar tilraunir hafa verið gerðar til að búa til prufuútgáfu af þessu knúningskerfi, þar á meðal verkefnið flakkari, samstarfsverkefni bandaríska flughersins og kjarnorkumálanefndarinnar sem var hleypt af stokkunum árið 1955.

Árið 1959 tók NASA við af bandaríska flughernum og áætlunin fór í nýjan áfanga sem var helgaður geimflugum. Þetta leiddi að lokum til Nuclear Propulsion for Rocket Vehicles (NERVA), kjarnakjarna kjarnaofns sem var prófaður með góðum árangri. Þegar Apollo-tímabilinu lauk árið 1973 var fjármagn til áætlunarinnar skorið verulega niður, sem leiddi til þess að henni var aflýst áður en flugpróf voru framkvæmd.

Kjarnarafdrif (NEP) byggir aftur á móti á kjarnaofni til að knýja Hall effect thruster (ion thruster) sem myndar rafsegulsvið sem jónar og hraðar óvirku gasi (eins og xenon) til að búa til þrýsting. Tilraunir til að þróa þessa tækni eru meðal annars Prometheus verkefni NASA undir Nuclear Systems Initiative (NSI).

Bæði kerfin hafa umtalsverða kosti fram yfir hefðbundnar efnavélar, þar á meðal hærri sérstakri straum (Isp), eldsneytisnýtingu og nánast ótakmarkaðan orkuþéttleika. Þó að hugtökin séu ólík að því leyti að þau gefa tiltekna hvat sem er meira en 10 þúsund sekúndur, það er að segja að þau geti haldið þrýstingi í næstum þrjár klukkustundir, er þrýstingsstigið frekar lágt miðað við hefðbundnar eldflaugar og NTP.

Þörfin fyrir raforkugjafa, sagði Gosse, vekur einnig vandamálið um hitaleiðni í geimnum, þar sem varmaorkubreyting er 30-40% við kjöraðstæður. Og þó að NTP-hönnun NERVA sé besta aðferðin fyrir mönnuð leiðangur til Mars og víðar, þá hefur þessi aðferð einnig vandamál með að útvega fullnægjandi upphafs- og lokamassahluti fyrir há-delta-bylgjuleiðangra.

Þess vegna eru tillögur sem innihalda báðar hreyfingaraðferðirnar (bimodal) ákjósanlegar, þar sem þær sameina kosti beggja. Tillaga Gosse felur í sér tvímóta hönnun sem byggir á NERVA kjarnaofnum í föstu eldsneyti, sem myndi gefa tiltekna hvat (Isp) upp á 900 sekúndur, tvöfalt núverandi afköst efnaeldflaugar.

Fyrirhuguð hringrás Gosse felur einnig í sér bylgjuþrýstingsörvun eða bylgjurotor (WR), tækni sem notuð er í brunahreyflum sem notar þrýstibylgjur sem myndast við þjöppunarviðbrögð inntaksloftsins.

Pöruð við NTP vél mun WR nota þrýstinginn sem myndast við að hita LH2 eldsneytið í reactor til að þjappa hvarfmassanum frekar saman. Eins og Gosse lofar mun þetta veita þrýstistig sambærilegt við NTP-hugmyndina í NERVA-flokki, en með sjósetningartíma upp á 1400-2000 sekúndur. Þegar það er sameinað NEP hringrásinni, segir Gosse, eykst þráin enn meira.

Ef notaðar eru hefðbundnar vélar getur mönnuð ferð til Mars varað í allt að þrjú ár. Þessar leiðangrar munu hefjast á 26 mánaða fresti þegar jörðin og Mars eru í nánustu fjarlægð (svokölluð Marsandstaða), og munu eyða að minnsta kosti sex til níu mánuðum í flutningi.

45 daga (sex og hálf vika) flutningur myndi stytta heildarferðartímann niður í mánuði í stað ár. Þetta myndi draga verulega úr helstu hættum sem fylgja ferðum til Mars, þar á meðal útsetningu fyrir geislun, tíma sem varið er í örþyngdarafl og tengd heilsufarsvandamál.

Til viðbótar við virkjanir eru tillögur um nýjar kjarnakljúfa sem myndu veita stöðuga aflgjafa fyrir langvarandi landleiðangra þar sem sólar- og vindorka er ekki alltaf til staðar.

Sem dæmi má nefna Kilowatt Reactor NASA sem notar Sterling Technology (KRUSTY) og Fission/Fusion Hybrid Reactor sem valinn var fyrir fyrsta áfanga þróunar NASA samkvæmt NAIC 2023 áætluninni. Þessi og önnur kjarnorkutækni gæti einn daginn gert mönnuðum ferðum til Mars og annarra staða í djúpum geimnum kleift. , kannski fyrr en við höldum!

Einnig áhugavert:

• Hvers vegna kallaði NASA Venus „vondan tvíbura“ jarðar?
• Webb sjónauki NASA uppgötvaði sína fyrstu fjarreikistjörnu