Kosmoseuuringute uus ajastu termotuumasünteesi rakettmootorite taga

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

NASA ja Elon Musk unistavad Marsist ning mehitatud süvakosmose missioonid saavad peagi reaalsuseks. Tõenäoliselt üllatate, kuid tänapäevased raketid lendavad veidi kiiremini kui mineviku raketid.

Kiired kosmoselaevad on mugavamad erinevatel põhjustel ja parim viis kiirendamiseks on tuumajõul töötavad raketid. Neil on tavaliste kütusega rakettide või tänapäevaste päikeseenergial töötavate elektrirakettide ees palju eeliseid, kuid viimase 40 aasta jooksul on USA välja lasknud vaid kaheksa tuumajõul töötavat raketti.

Möödunud aastal aga muutusid seadused tuumarelva kosmosereiside kohta ning töö järgmise põlvkonna rakettidega on juba alanud.

Miks on kiirust vaja?

Iga kosmoselennu esimesel etapil on vaja kanderaketti - see viib laeva orbiidile. Need suured mootorid töötavad põleva kütusega – ja tavaliselt peetakse neid silmas, kui tegemist on rakettide väljalaskmisega. Nad ei kao niipea kuhugi – nagu ka gravitatsioonijõud.

Aga kui laev kosmosesse siseneb, läheb asi huvitavamaks. Maa gravitatsiooni ületamiseks ja süvakosmosesse minekuks vajab laev lisakiirendust. Siin tulevad mängu tuumasüsteemid. Kui astronaudid tahavad uurida midagi väljaspool Kuu või veelgi enam Marsi, peavad nad kiirustama. Kosmos on tohutu ja vahemaad üsna suured.

On kaks põhjust, miks kiired raketid sobivad pikemaks kosmosereisiks paremini: ohutus ja aeg.

Teel Marsile seisavad astronaudid silmitsi väga kõrge kiirgustasemega, mis on täis tõsiseid terviseprobleeme, sealhulgas vähki ja viljatust. Kiirgusvarjestus võib aidata, kuid see on äärmiselt raske ja mida pikem on missioon, seda võimsamat varjestust läheb vaja. Seetõttu on parim viis kiirgusdoosi vähendamiseks lihtsalt kiiremini sihtkohta jõuda.

Kuid meeskonna ohutus pole ainus eelis. Mida kaugemaid lende me planeerime, seda varem vajame mehitamata missioonide andmeid. Voyager 2-l kulus Neptuunini jõudmiseks 12 aastat ja mööda lennates tegi see uskumatuid pilte. Kui Voyageril oleks võimsam mootor, oleksid need fotod ja andmed astronoomide kätte ilmunud palju varem.

Seega on kiirus eeliseks. Aga miks on tuumasüsteemid kiiremad?

Tänapäeva süsteemid

Olles ületanud gravitatsioonijõu, peab laev arvestama kolme olulise aspektiga.

Tõukejõud- millise kiirenduse laev saab.

Kaalu efektiivsus- kui suurt tõukejõudu suudab süsteem antud kütusekoguse korral tekitada.

Spetsiifiline energiatarbimine- kui palju energiat antud kütusekogus eraldab.

Tänapäeval on levinumad keemiamootorid tavalised kütusel töötavad raketid ja päikeseenergial töötavad elektriraketid.

Keemilised tõukejõusüsteemid annavad suure tõukejõu, kuid ei ole eriti tõhusad ning raketikütus ei ole väga energiamahukas. Astronaute Kuule viinud rakett Saturn 5 andis õhkutõusmisel 35 miljonit njuutonit jõudu ja kandis 950 000 gallonit (4 318 787 liitrit) kütust. Suurem osa sellest kulus raketi orbiidile viimisele, seega on piirangud ilmselged: kuhu iganes lähete, vajate palju rasket kütust.

Elektrilised tõukejõusüsteemid tekitavad tõukejõu, kasutades päikesepaneelide elektrit. Kõige tavalisem viis selle saavutamiseks on elektrivälja kasutamine ioonide kiirendamiseks, näiteks Halli induktsioontõukuri puhul. Neid seadmeid kasutatakse satelliitide toiteks ja nende kaalutõhusus on viis korda suurem kui keemiasüsteemidel. Kuid samal ajal annavad nad palju vähem tõukejõudu - umbes 3 njuutonit. Sellest piisab vaid, et kiirendada auto 0-lt 100 kilomeetrini tunnis umbes kahe ja poole tunniga. Päike on sisuliselt põhjatu energiaallikas, kuid mida rohkem laev sellest eemaldub, seda vähem kasulik on see.

Üks põhjusi, miks tuumaraketid on eriti paljulubavad, on nende uskumatu energiamahukus. Tuumareaktorites kasutatava uraanikütuse energiasisaldus on 4 miljonit korda suurem kui hüdrasiinil, mis on tüüpiline keemiline raketikütus. Ja uraani kosmosesse viimine on palju lihtsam kui sadade tuhandete gallonite kütus.

Kuidas on lood veojõu ja kaalutõhususega?

Kaks tuumavarianti

Kosmosereiside jaoks on insenerid välja töötanud kahte peamist tüüpi tuumasüsteeme.

Esimene on termotuumamootor. Need süsteemid on väga võimsad ja väga tõhusad. Nad kasutavad gaasi (nagu vesiniku) soojendamiseks väikest tuumalõhustumise reaktorit – nagu tuumaallveelaevadel. Seejärel kiirendatakse seda gaasi läbi raketi düüsi, et anda tõukejõudu. NASA insenerid on välja arvutanud, et termotuumamootoriga reis Marsile on 20-25% kiirem kui keemiamootoriga rakett.

Fusioonmootorid on rohkem kui kaks korda tõhusamad kui keemilised mootorid. See tähendab, et nad annavad sama kütusekoguse puhul kaks korda suurema tõukejõu – kuni 100 000 njuutonit. Sellest piisab, et kiirendada auto kiiruseni 100 kilomeetrit tunnis umbes veerand sekundiga.

Teine süsteem on tuumaelektriline rakettmootor (NEPE). Ühtegi neist pole veel loodud, kuid idee on kasutada elektri tootmiseks võimsat lõhustumisreaktorit, mis hakkab seejärel toiteallikaks olema elektrilise tõukejõusüsteemi nagu Halli mootor. See oleks väga tõhus – umbes kolm korda tõhusam kui termotuumasünteesimootor. Kuna tuumareaktori võimsus on tohutu, võib korraga töötada mitu eraldiseisvat elektrimootorit ja tõukejõud osutub tugevaks.

Tuumarakettmootorid on ehk parim valik ülipikkade missioonide jaoks: need ei vaja päikeseenergiat, on väga tõhusad ja annavad suhteliselt suure tõukejõu. Kuid vaatamata nende paljutõotavale olemusele on tuumajõujõusüsteemil endiselt palju tehnilisi probleeme, mis tuleb enne kasutuselevõttu lahendada.

Miks pole ikka veel tuumajõul töötavaid rakette?

Termotuumamootoreid on uuritud alates 1960. aastatest, kuid need pole veel kosmosesse lennanud.

1970. aastate harta kohaselt käsitleti iga tuumakosmoseprojekti eraldi ja ilma mitmete valitsusasutuste ja presidendi enda nõusolekuta ei saanud see kaugemale jõuda. Koos tuumaraketisüsteemide uurimise rahastamise puudumisega on see takistanud kosmoses kasutatavate tuumareaktorite edasist arendamist.

Kuid see kõik muutus 2019. aasta augustis, kui Trumpi administratsioon andis välja presidendi memorandumi. Kuigi uus direktiiv nõuab tuumastartide maksimaalset ohutust, lubab uus direktiiv siiski väikese radioaktiivse materjali kogusega tuumamissioone ilma keerulise asutustevahelise loata. Piisab, kui sponsoragentuur, nagu NASA, kinnitab, et missioon vastab ohutusnõuetele. Suured tuumamissioonid läbivad samad protseduurid nagu varem.

Koos reeglite läbivaatamisega sai NASA 2019. aasta eelarvest 100 miljonit dollarit termotuumamootorite arendamiseks. Defence Advanced Research Projects Agency arendab ka termotuumaruumi mootorit riikliku julgeoleku operatsioonide jaoks väljaspool Maa orbiidi.

Pärast 60 aastat kestnud seisakut on võimalik, et kümne aasta jooksul jõuab kosmosesse tuumarakett. See uskumatu saavutus juhatab sisse uue kosmoseuuringute ajastu. Inimene läheb Marsile ja teaduslikud katsed viivad uute avastusteni kogu päikesesüsteemis ja kaugemalgi.