En ny æra af rumudforskning bag fusionsraketmotorer

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

NASA og Elon Musk drømmer om Mars, og bemandede dybe rummissioner bliver snart en realitet. Du vil sikkert blive overrasket, men moderne raketter flyver lidt hurtigere end fortidens raketter.

Hurtige rumskibe er mere bekvemme af forskellige årsager, og den bedste måde at accelerere på er gennem atomdrevne raketter. De har mange fordele i forhold til konventionelle raketter med brændstof eller moderne soldrevne elektriske raketter, men i de sidste 40 år har USA kun opsendt otte atomdrevne raketter.

Men i det seneste år er lovene vedrørende nuklear rumfart ændret, og arbejdet med den næste generation af raketter er allerede begyndt.

Hvorfor er der brug for hastighed?

I den første fase af enhver flyvning ud i rummet er der brug for et løftefartøj - det tager skibet i kredsløb. Disse store motorer kører på brændbare brændstoffer – og som regel, når det kommer til at affyre raketter, menes de. De skal ikke nogen steder snart - det samme er tyngdekraften.

Men når skibet kommer ind i rummet, bliver tingene mere interessante. For at overvinde Jordens tyngdekraft og gå ud i det dybe rum, har skibet brug for yderligere acceleration. Det er her, nukleare systemer kommer i spil. Hvis astronauter vil udforske noget ud over Månen eller endnu mere Mars, bliver de nødt til at skynde sig. Kosmos er enormt, og afstandene er ret store.

Der er to grunde til, at hurtige raketter er bedre egnede til langdistance-rumrejser: sikkerhed og tid.

På vej til Mars står astronauter over for meget høje niveauer af stråling, fyldt med alvorlige helbredsproblemer, herunder kræft og infertilitet. Strålingsafskærmning kan hjælpe, men det er ekstremt tungt, og jo længere missionen er, jo mere kraftfuld afskærmning vil der være behov for. Derfor er den bedste måde at reducere strålingsdosis på blot at komme hurtigere til din destination.

Men besætningens sikkerhed er ikke den eneste fordel. Jo fjernere flyvninger vi planlægger, jo hurtigere har vi brug for data fra ubemandede missioner. Det tog Voyager 2 12 år at nå Neptun – og da den fløj forbi, tog den nogle utrolige billeder. Hvis Voyager havde en mere kraftfuld motor, ville disse fotografier og data være dukket op hos astronomer meget tidligere.

Så hastighed er en fordel. Men hvorfor er nukleare systemer hurtigere?

Dagens systemer

Efter at have overvundet tyngdekraften skal skibet overveje tre vigtige aspekter.

Fremstød- hvilken acceleration skibet vil modtage.

Vægteffektivitet- hvor meget drivkraft systemet kan producere for en given mængde brændstof.

Specifikt energiforbrug- hvor meget energi en given mængde brændstof afgiver.

I dag er de mest almindelige kemiske motorer konventionelle brændstofdrevne raketter og solcelledrevne elektriske raketter.

Kemiske fremdriftssystemer giver meget fremdrift, men er ikke specielt effektive, og raketbrændstof er ikke særlig energikrævende. Saturn 5-raketten, der transporterede astronauter til månen, leverede 35 millioner newtons kraft ved start og transporterede 950.000 gallons (4.318.787 liter) brændstof. Det meste gik til at få raketten i kredsløb, så begrænsningerne er indlysende: Uanset hvor du går, har du brug for meget tungt brændstof.

Elektriske fremdriftssystemer genererer tryk ved hjælp af elektricitet fra solpaneler. Den mest almindelige måde at opnå dette på er at bruge et elektrisk felt til at accelerere ioner, for eksempel som i en Hall-induktionspropel. Disse enheder bruges til at drive satellitter, og deres vægteffektivitet er fem gange så stor som kemiske systemer. Men samtidig giver de meget mindre tryk - omkring 3 newton. Dette er kun nok til at accelerere bilen fra 0 til 100 kilometer i timen på cirka to en halv time. Solen er grundlæggende en bundløs energikilde, men jo længere skibet bevæger sig væk fra den, jo mindre nyttig er den.

En af grundene til, at nukleare missiler er særligt lovende, er deres utrolige energiintensitet. Uranbrændstof, der bruges i atomreaktorer, har et energiindhold, der er 4 millioner gange så meget som hydrazin, et typisk kemisk raketbrændstof. Og det er meget nemmere at få noget uran ud i rummet, end det er hundredtusindvis af liter brændstof.

Hvad med trækkraft og vægteffektivitet?

To nukleare muligheder

Til rumrejser har ingeniører udviklet to hovedtyper af nukleare systemer.

Den første er en termonuklear motor. Disse systemer er meget kraftfulde og yderst effektive. De bruger en lille nuklear fissionsreaktor - som dem på atomubåde - til at opvarme en gas (som brint). Denne gas accelereres derefter gennem raketdysen for at give tryk. NASA-ingeniører har beregnet, at en tur til Mars ved hjælp af en termonuklear motor vil være 20-25 % hurtigere end en raket med en kemisk motor.

Fusionsmotorer er mere end dobbelt så effektive som kemiske. Det betyder, at de leverer det dobbelte af trækkraften for den samme mængde brændstof – op til 100.000 Newtons trækkraft. Dette er nok til at accelerere bilen til en hastighed på 100 kilometer i timen på cirka et kvarter.

Det andet system er en nuklear elektrisk raketmotor (NEPE). Ingen af disse er endnu blevet skabt, men ideen er at bruge en kraftig fissionsreaktor til at generere elektricitet, som så vil drive et elektrisk fremdriftssystem som en Hall-motor. Det ville være meget effektivt - omkring tre gange mere effektivt end en fusionsmotor. Da kraften i en atomreaktor er enorm, kan flere separate elmotorer arbejde på samme tid, og fremdriften vil vise sig at være solid.

Nukleare raketmotorer er måske det bedste valg til missioner med ekstremt lang rækkevidde: de kræver ikke solenergi, er meget effektive og giver relativt høj fremdrift. Men på trods af deres lovende karakter har atomkraftfremdrivningssystemet stadig en masse tekniske problemer, der skal løses, før det sættes i drift.

Hvorfor er der stadig ingen atomdrevne missiler?

Termonukleare motorer er blevet undersøgt siden 1960'erne, men de er endnu ikke fløjet ud i rummet.

I henhold til 1970'ernes charter blev hvert nukleare rumprojekt behandlet separat og kunne ikke gå videre uden godkendelse fra en række regeringsorganer og præsidenten selv. Sammen med manglende finansiering til forskning i nukleare missilsystemer har dette hæmmet den videre udvikling af atomreaktorer til brug i rummet.

Men det hele ændrede sig i august 2019, da Trump-administrationen udstedte et præsidentielt memorandum. Selvom det insisterer på den maksimale sikkerhed ved nukleare opsendelser, tillader det nye direktiv stadig nukleare missioner med lave mængder radioaktivt materiale uden kompliceret godkendelse mellem myndighederne. Bekræftelse fra et sponsoragentur såsom NASA om, at missionen er i overensstemmelse med sikkerhedsanbefalinger, er tilstrækkelig. Store nukleare missioner gennemgår de samme procedurer som før.

Sammen med denne revision af reglerne modtog NASA 100 millioner dollars fra 2019-budgettet til udvikling af termonukleare motorer. Defense Advanced Research Projects Agency udvikler også en termonuklear rummotor til nationale sikkerhedsoperationer uden for Jordens kredsløb.

Efter 60 års stagnation er det muligt, at en atomraket vil gå ud i rummet inden for et årti. Denne utrolige præstation vil indlede en ny æra af rumudforskning. Mennesket vil gå til Mars, og videnskabelige eksperimenter vil føre til nye opdagelser i hele solsystemet og videre.