Rakiety z napędem jądrowym. Nowa jakość w podróżach po Układzie Słonecznym

Spis treści:

1. Jak wytworzyć ciąg i wyrwać się ziemskiej grawitacji?
2. Projekt NERVA
3. Co zmienia ciekły uran?
4. Wirujący uran

Znaczne skrócenie podróży kosmicznych, możliwość łatwiejszego podboju Układu Słonecznego, a może nawet wysyłania sond do innych układów planetarnych. Jest to bardzo kusząca wizja stojąca za rozwojem kosmicznego napędu jądrowego. Jak to się zatem stało, że choć pierwsze pomysły rakiet i statków kosmicznych napędzanych silnikami atomowymi mają już przeszło 60 lat, wciąż nie doczekaliśmy się nawet testowej realizacji pomysłu? I czy rozwiązanie zaproponowane przez ekspertów z Uniwersytetu Stanowego w Ohio ma szansę to zmienić?

Jak wytworzyć ciąg i wyrwać się ziemskiej grawitacji?

Zacznijmy od tego, że pierwsze wyrzutnie kosmiczne napędzane były reakcją chemiczną paliwa z utleniaczem, np. nafty z ciekłym tlenem lub hydrazyny z tetratlenkiem diazotu. To wytwarzało gorące gazy, które rozprężały się, a wylatując przez dyszę, generowały ciąg. Rakiety wynoszące wahadłowce działały na paliwo stałe, czyli mieszankę proszków – głównie nadchloranu amonu. Pozwalało to na osiągniecie ponad 80 proc. ciągu w pierwszych dwóch minutach lotu. Wyższe stopnie rakiet działały już na paliwo ciekłe.

Współczesne rakiety używają głównie napędu chemicznego bazującego na paliwie ciekłym. Najczęściej kombinacji ciekłego tlenu z ciekłym wodorem. Metoda jest wydajna, ale trudna w obsłudze, ponieważ paliwo musi być przechowywane w ekstremalnie niskich temperaturach. Istnieje też bardziej praktyczna kombinacja, używana m.in. w rakietach Falcon 9 – rafinowana kerozyna (nafta) z ciekłym tlenem.

Gdy już wyrwiemy się z objęć ziemskiej grawitacji, statki kosmiczne nie wymagają tak potężnego napędu, a ich silniki wykorzystują zazwyczaj reakcje chemiczne lub napędy elektryczne. A co z atomem? Statki takie jak Voyager 1 i 2, New Horizons czy Cassini, a nawet łazik Perseverance – zasilane są dzięki RTG (radioizotopowym generatorem termoelektrycznym), ale używany jest on jako źródło prądu, a nie napęd. Może w takim razie atom jednak nie jest rozwiązaniem?

Projekt NERVA

Pojawiające się regularnie prace wskazują na to, że jednak jest. Kłopot w tym, że w okresie zimnej wojny panował tak ogromny strach przed atomem, że rozwój kosmicznego napędu jądrowego został wstrzymany. A szkoda, bo niektóre z projektów były już bardzo zaawansowane. Na przykład NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), amerykański program rozwoju napędu rakietowego opartego na energii jądrowej. Prowadziły go w latach 1955–1973 NASA i Komisja Energii Atomowej USA (AEC).

Jego celem było opracowanie „nuclear thermal rocket” (NTR) – silnika jądrowo-termicznego, który mógłby zastąpić lub uzupełnić rakiety chemiczne w lotach międzyplanetarnych. Według założeń reaktor jądrowy miał rozszczepiać paliwo uranowe. Ciekły wodór przepływając przez rdzeń reaktora, podgrzewałby się do kilku tysięcy stopni Kelvina, a rozprężający się wodór wylatywałby przez dyszę, generując ciąg. Zbudowane w programie naziemne silniki testowe miały osiągi dwukrotnie większe niż najlepsze rakiety chemiczne. NASA rozważała użycie NERVY w górnych stopniach rakiety Saturn V, a także w planowanych misjach załogowych na Marsa. Jednak gwałtowny spadek zainteresowania lotami załogowymi, jaki nastąpił po zakończeniu programu Apollo, zniweczył wysiłki badaczy.

Co zmienia ciekły uran?

Jednak sam temat nie został zapomniany. Najnowszy projekt zakłada użycie energii z rozszczepienia jąder ciekłego uranu do podgrzewania paliwa statków kosmicznych.

Zaproponowana przez badaczy z Uniwersytetu Ohio technologia nosi nazwę centrifugal nuclear thermal rocket (CNTR) – odśrodkowej rakiety jądrowej na ciekły uran. Jej wydajność mierzy się tzw. impulsem właściwym, czyli skutecznością przekształcania energii w ciąg. Teoretycznie CNTR może podwoić impuls właściwy w porównaniu z wcześniejszymi projektami rakiet jądrowych (badanymi od lat 50. XX w. i nadal rozwijanymi przez NASA oraz DARPA) oraz nawet czterokrotnie przewyższyć osiągi rakiet chemicznych.

– Im dłużej człowiek przebywa w kosmosie, tym bardziej narażony jest na różne zagrożenia zdrowotne. Skrócenie czasu lotu byłoby ogromną korzyścią – mówi współautor badania Dean Wang. Czym jednak technologia CNTR różni się od innych analizowanych napędów jądrowych?

Wirujący uran

Przede wszystkim tradycyjne rakiety jądrowe wykorzystują stałe paliwo uranowe, które w reakcji rozszczepienia ogrzewa ciekły wodór. Ten rozpręża się przez dyszę i generuje ciąg. W CNTR uran jest ciekły i znajduje się w wirującym cylindrze, co zwiększa wydajność reakcji i całego silnika.
Technologia CNTR mogłaby pozwolić na loty przy mniejszym zużyciu paliwa. Na przykład podróż w obie strony na Marsa mogłaby zająć około 420 dni zamiast 2,5–3 lat, jak przy rakietach chemicznych. Misje do dalszych obszarów Układu Słonecznego również byłyby krótsze. Dzięki większym prędkościom możliwe byłyby trajektorie, które dziś są poza zasięgiem napędów chemicznych.

W dodatku wodór nie musiałby być jedynym materiałem pędnym – można byłoby również używać innych, pozyskiwanych np. z planetoid, komet czy obiektów Pasa Kuipera.

Na razie CNTR istnieje jedynie w formie koncepcji, lecz zespół Wanga zakłada, że w ciągu pięciu lat proponowany przez grupę silnik osiągnie gotowość projektową. Jeżeli wszystko się powiedzie, już od połowy XXI wieku misje kosmiczne mogłyby być szybsze, bezpieczniejsze i mniej zależne od ryzykownych rakiet chemicznych. A choć jest to bardzo kusząca wizja, to pamiętajmy, że Wernher von Braun, twórca rakiet Saturn V, był przekonany, że sięgnie Marsa najpóźniej w latach 80. XX wieku.

Źródło: www.sciencedirect.com

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.