Χιούστον – Άρης, 225 εκατ. χιλιόμετρα, σε μόλις 45 ημέρες!: Η NASA σχεδιάζει επανδρωμένες αποστολές με πυρηνικούς πυραύλους

Γραφική απεικόνιση από επανδρωμένη αποστολή στον Αρη. Photo screenshot via youtube, Voyager 

Ζούμε σε μια εποχή εξερεύνησης του διαστήματος, όπου πολλές υπηρεσίες σχεδιάζουν να στείλουν αστροναύτες στη Σελήνη τα επόμενα χρόνια. Πρόκειται να ακολουθήσουν την επόμενη δεκαετία αποστολές πληρώματος στον Άρη από τη NASA και την Κίνα, στις οποίες ενδέχεται να ενταχθούν και άλλα έθνη σύντομα.

Αυτές και άλλες επανδρωμένες αποστολές που θα οδηγήσουν τους αστροναύτες πέρα ​​από τη Χαμηλή Τροχιά της Γης (LEO) και το σύστημα Γης-Σελήνης απαιτούν νέες τεχνολογίες, που περιλαμβάνουν από υποστήριξη ζωής και θωράκιση ακτινοβολίας έως ισχύ και πυρηνική πρόωση.


Και όταν πρόκειται για το τελευταίο, η πυρηνική θερμική και η πυρηνική ηλεκτρική πρόωση (Nuclear-Electric Propulsion – NTP/NEP) είναι πρώτη στην λίστα. Η NASA και το σοβιετικό διαστημικό πρόγραμμα πέρασαν δεκαετίες ερευνώντας την πυρηνική πρόωση.

Πριν από μερικά χρόνια, η NASA αναζωπύρωσε το πυρηνικό της πρόγραμμα με σκοπό την ανάπτυξη διτροπικής πυρηνικής πρόωσης – ένα σύστημα δύο μερών που αποτελείται από ένα στοιχείο NTP και NEP – που θα μπορούσε να επιτρέψει τη διέλευση στον Άρη σε 100 ημέρες .


Ως μέρος του προγράμματος της NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) για το 2023, η NASA επέλεξε μια πυρηνική ιδέα για την ανάπτυξη της Φάσης Ι. Αυτή η νέα κατηγορία διτροπικών πυρηνικών συστημάτων πρόωσης χρησιμοποιεί έναν «κύκλο ολοκλήρωσης ρότορα κυμάτων» και θα μπορούσε να μειώσει τους χρόνους διέλευσης στον Άρη σε μόλις 45 ημέρες.

Η πρόταση, με τίτλο “Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle”, υποβλήθηκε από τον καθηγητή Ryan Gosse, επικεφαλής της περιοχής του προγράμματος Hypersonics στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα και μέλος της ομάδας Φλόριντα Εφαρμοσμένης Έρευνας στη Μηχανική (FLARE) .

Η πρόταση του Gosse είναι μία από τις 14 που επιλέχθηκαν από το NAIC φέτος για την ανάπτυξη της Φάσης Ι, η οποία περιλαμβάνει επιχορήγηση 12.500 δολαρίων ΗΠΑ για να βοηθήσει στην ωρίμανση της τεχνολογίας και των μεθόδων που εμπλέκονται. Άλλες προτάσεις περιελάμβαναν καινοτόμους αισθητήρες, όργανα, τεχνικές κατασκευής, συστήματα ισχύος και πολλά άλλα.


Η πυρηνική πρόωση βασίζεται ουσιαστικά σε δύο έννοιες, που και οι δύο βασίζονται σε τεχνολογίες που έχουν δοκιμαστεί και επικυρωθεί διεξοδικά.

Για την πυρηνική θερμική πρόωση (NTP), ο κύκλος αποτελείται από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα που θερμαίνει υγρό υδρογόνο (LH2) προωθητικό, το οποίο μετατρέπει σε ιονισμένο αέριο υδρογόνο (πλάσμα) που στη συνέχεια διοχετεύεται μέσω ακροφυσίων για να δημιουργήσει ώθηση.

Έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για να κατασκευαστεί ένα δοκιμαστικό αυτό το σύστημα πρόωσης, συμπεριλαμβανομένου του Project Rover , μιας συλλογικής προσπάθειας μεταξύ της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ και της Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας (AEC) που ξεκίνησε το 1955.


Το 1959, η NASA ανέλαβε από την USAF και το πρόγραμμα εισήλθε σε μια νέα φάση αφιερωμένη στις εφαρμογές διαστημικών πτήσεων. Αυτό τελικά οδήγησε στον πυρηνικό κινητήρα για την εφαρμογή πυραύλων οχημάτων (NERVA), έναν πυρηνικό αντιδραστήρα στερεού πυρήνα που δοκιμάστηκε με επιτυχία.

Με το κλείσιμο της Εποχής Απόλλων το 1973, η χρηματοδότηση του προγράμματος μειώθηκε δραστικά, οδηγώντας στην ακύρωσή του προτού πραγματοποιηθούν πτητικές δοκιμές.

Εν τω μεταξύ, οι τότε Σοβιετικοί ανέπτυξαν τη δική τους ιδέα NTP ( RD-0410 ) μεταξύ 1965 και 1980 και πραγματοποίησαν μια ενιαία δοκιμή εδάφους πριν από την ακύρωση του προγράμματος.

Το Nuclear-Electric Propulsion (NEP), από την άλλη πλευρά, βασίζεται σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε έναν προωθητή Hall-Effect (ιονικός κινητήρας), ο οποίος δημιουργεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που ιονίζει και επιταχύνει ένα αδρανές αέριο (όπως το ξένο) για να δημιουργήσει ώθηση.

Οι προσπάθειες ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας περιλαμβάνουν το έργο Prometheus (2003 έως 2005) της Πρωτοβουλίας Πυρηνικών Συστημάτων της NASA (NSI).


Τα πλεονεκτήματα

Και τα δύο συστήματα έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη συμβατική χημική πρόωση, συμπεριλαμβανομένης της υψηλότερης βαθμολογίας ειδικής ώθησης (Isp), της απόδοσης καυσίμου και της ουσιαστικά απεριόριστης πυκνότητας ενέργειας.

Ενώ οι ιδέες Nuclear-Electric Propulsion (NEP) διακρίνονται για την παροχή περισσότερων από 10.000 δευτερολέπτων Isp, που σημαίνει ότι μπορούν να διατηρήσουν την ώθηση για σχεδόν τρεις ώρες, το επίπεδο ώθησης είναι αρκετά χαμηλό σε σύγκριση με τους συμβατικούς πυραύλους και το NTP.

Η ανάγκη για μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, λέει ο Gosse, εγείρει επίσης το ζήτημα της απόρριψης θερμότητας στο διάστημα – όπου η μετατροπή θερμικής ενέργειας είναι 30-40 τοις εκατό υπό ιδανικές συνθήκες.

Και ενώ τα σχέδια NTP NERVA είναι η προτιμώμενη μέθοδος για αποστολές με πληρώματα στον Άρη και πέρα, αυτή η μέθοδος έχει επίσης προβλήματα που παρέχουν επαρκή αρχικά και τελικά κλάσματα μάζας για αποστολές υψηλού δέλτα-ν.

Γι’ αυτό ευνοούνται προτάσεις που περιλαμβάνουν και τις δύο μεθόδους πρόωσης (διτροπική), καθώς θα συνδύαζαν τα πλεονεκτήματα και των δύο. Η πρόταση του Gosse απαιτεί έναν διτροπικό σχεδιασμό βασισμένο σε έναν συμπαγή πυρήνα αντιδραστήρα NERVA που θα παρέχει ειδική ώθηση (Isp) 900 δευτερολέπτων, διπλάσια από την τρέχουσα απόδοση των χημικών πυραύλων.

Ο προτεινόμενος κύκλος Gosse περιλαμβάνει επίσης έναν υπερσυμπιεστή κυμάτων πίεσης – ή Wave Rotor (WR) – μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε κινητήρες εσωτερικής καύσης που αξιοποιεί τα κύματα πίεσης που παράγονται από αντιδράσεις για τη συμπίεση του αέρα εισαγωγής.

Όταν συνδυάζεται με κινητήρα NTP, το WR θα χρησιμοποιούσε την πίεση που δημιουργείται από τη θέρμανση του καυσίμου LH2 στον αντιδραστήρα για να συμπιέσει περαιτέρω τη μάζα της αντίδρασης.

<span data-mce-type="bookmark" style="display: inline-block; width: 0px; overflow: hidden; line-height: 0;" class="mce_SELRES_start"></span>
Όπως υπόσχεται ο Gosse, αυτό θα προσφέρει επίπεδα ώσης συγκρίσιμα με αυτά μιας NTP κατηγορίας NERVA, αλλά με Isp 1400-2000 δευτερόλεπτα. Όταν συνδυάζεται με έναν κύκλο NEP, είπε ο Gosse, τα επίπεδα ώσης ενισχύονται ακόμη περισσότερο:

“Σε συνδυασμό με έναν κύκλο NEP, ο κύκλος λειτουργίας Isp μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω (1.800-4.000 δευτερόλεπτα) με ελάχιστη προσθήκη ξηρής μάζας. Αυτός ο διτροπικός σχεδιασμός επιτρέπει τη γρήγορη διέλευση για επανδρωμένες αποστολές (45 ημέρες στον Άρη) και φέρνει επανάσταση στην εξερεύνηση στο βαθύ διάστημα του Ηλιακού μας Συστήματος».

Με βάση τη συμβατική τεχνολογία πρόωσης, μια αποστολή με πλήρωμα στον Άρη θα μπορούσε να διαρκέσει έως και τρία χρόνια. Αυτές οι αποστολές θα εκτοξεύονται κάθε 26 μήνες όταν η Γη και ο Άρης βρίσκονται στο πιο κοντινό τους σημείο (γνωστός και ως αντίθεση του Άρη) και θα περνούν τουλάχιστον έξι έως εννέα μήνες σε διέλευση.


Μια διέλευση 45 ημερών (εξιμισι εβδομάδες) θα μείωνε τον συνολικό χρόνο αποστολής σε μήνες αντί για χρόνια. Αυτό θα μείωνε σημαντικά τους μεγάλους κινδύνους που σχετίζονται με τις αποστολές στον Άρη, συμπεριλαμβανομένης της έκθεσης στην ακτινοβολία, του χρόνου που δαπανάται στη μικροβαρύτητα και των σχετικών ανησυχιών για την υγεία.

Εκτός από την πρόωση, υπάρχουν προτάσεις για νέους σχεδιασμούς αντιδραστήρων που θα παρέχουν σταθερή τροφοδοσία για επιφανειακές αποστολές μεγάλης διάρκειας όπου η ηλιακή και η αιολική ενέργεια δεν είναι πάντα διαθέσιμη.


Παραδείγματα περιλαμβάνουν τον αντιδραστήρα Kilopower της NASA με χρήση τεχνολογίας στερλίνας (KRUSTY) και τον υβριδικό αντιδραστήρα σχάσης/σύντηξης που επιλέχθηκε για την ανάπτυξη Φάσης Ι από την επιλογή NAIC 2023 της NASA.

Αυτές και άλλες πυρηνικές εφαρμογές θα μπορούσαν κάποια μέρα να επιτρέψουν αποστολές πληρώματος στον Άρη και σε άλλες τοποθεσίες στο βαθύ διάστημα, ίσως νωρίτερα από ό,τι νομίζουμε!

Πηγή: sciencealert.com