'n Nuwe era van ruimteverkenning agter fusievuurpylmotors

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

NASA en Elon Musk droom van Mars, en bemande diepruimtesendings sal binnekort 'n werklikheid word. Jy sal waarskynlik verbaas wees, maar moderne vuurpyle vlieg 'n bietjie vinniger as die vuurpyle van die verlede.

Vinnige ruimteskepe is geriefliker om verskeie redes, en die beste manier om te versnel is deur middel van kernaangedrewe vuurpyle. Hulle het baie voordele bo konvensionele aangedrewe vuurpyle of moderne sonkrag-aangedrewe elektriese vuurpyle, maar in die afgelope 40 jaar het die Verenigde State net agt kernaangedrewe vuurpyle gelanseer.

In die afgelope jaar het die wette oor kernruimtereise egter verander, en werk aan die volgende generasie vuurpyle het reeds begin.

Hoekom is spoed nodig?

By die eerste stadium van enige vlug na die ruimte, is 'n lanseervoertuig nodig - dit neem die skip in 'n wentelbaan. Hierdie groot enjins loop op brandbare brandstof – en gewoonlik wanneer dit by die lansering van vuurpyle kom, word dit bedoel. Hulle gaan nêrens binnekort nie – so ook die swaartekrag.

Maar wanneer die skip die ruimte binnevaar, raak dinge interessanter. Om die swaartekrag van die aarde te oorkom en diep ruimte in te gaan, benodig die skip bykomende versnelling. Dit is waar kernstelsels ter sprake kom. As ruimtevaarders iets anderkant die Maan of selfs meer Mars wil verken, sal hulle moet haastig. Die kosmos is groot, en die afstande is taamlik groot.

Daar is twee redes waarom vinnige vuurpyle beter geskik is vir langafstand-ruimtereise: veiligheid en tyd.

Op pad na Mars staar ruimtevaarders baie hoë vlakke van bestraling in die gesig, belaai met ernstige gesondheidsprobleme, insluitend kanker en onvrugbaarheid. Stralingsafskerming kan help, maar dit is uiters swaar en hoe langer die missie, hoe kragtiger afskerming sal nodig wees. Daarom is die beste manier om die bestralingsdosis te verminder om eenvoudig vinniger by jou bestemming uit te kom.

Maar veiligheid van die bemanning is nie die enigste voordeel nie. Hoe verder vlugte ons beplan, hoe gouer benodig ons data van onbemande missies. Dit het Voyager 2 12 jaar geneem om Neptunus te bereik - en terwyl dit verbyvlieg, het dit 'n paar ongelooflike foto's geneem. As Voyager 'n kragtiger enjin gehad het, sou hierdie foto's en data baie vroeër in sterrekundiges verskyn het.

Spoed is dus 'n voordeel. Maar hoekom is kernstelsels vinniger?

Vandag se stelsels

Nadat die swaartekrag te bowe gekom het, moet die skip drie belangrike aspekte oorweeg.

Stoot- watter versnelling die skip sal ontvang.

Gewig doeltreffendheid- hoeveel stukrag die stelsel kan produseer vir 'n gegewe hoeveelheid brandstof.

Spesifieke energieverbruik- hoeveel energie 'n gegewe hoeveelheid brandstof afgee.

Vandag is die mees algemene chemiese enjins konvensionele brandstof-aangedrewe vuurpyle en sonkrag-aangedrewe elektriese vuurpyle.

Chemiese aandrywingstelsels verskaf baie stukrag, maar is nie besonder doeltreffend nie, en vuurpylbrandstof is nie baie energie-intensief nie. Die Saturn 5-vuurpyl wat ruimtevaarders na die maan vervoer het, het 35 miljoen newton se krag gelewer met opstyg en 950 000 liter (4 318 787 liter) brandstof vervoer. Die meeste daarvan het gegaan om die vuurpyl in 'n wentelbaan te kry, so die beperkings is duidelik: waar jy ook al gaan, het jy baie swaar brandstof nodig.

Elektriese aandrywingstelsels genereer stukrag met behulp van elektrisiteit vanaf sonpanele. Die mees algemene manier om dit te bereik, is om 'n elektriese veld te gebruik om ione te versnel, byvoorbeeld, soos in 'n Hall-induksie-stuwer. Hierdie toestelle word gebruik om satelliete aan te dryf, en hul gewigdoeltreffendheid is vyf keer dié van chemiese stelsels. Maar terselfdertyd gee hulle baie minder stoot uit - ongeveer 3 newton. Dit is net genoeg om die motor van 0 tot 100 kilometer per uur in sowat twee en’n half uur te versnel. Die son is in wese 'n bodemlose bron van energie, maar hoe verder die skip daarvan wegbeweeg, hoe minder nuttig is dit.

Een van die redes waarom kernmissiele besonder belowend is, is hul ongelooflike energie-intensiteit. Uraanbrandstof wat in kernreaktore gebruik word, het 'n energie-inhoud 4 miljoen keer dié van hidrasien, 'n tipiese chemiese vuurpylbrandstof. En dit is baie makliker om 'n bietjie uraan in die ruimte te kry as wat dit honderdduisende liter brandstof is.

Wat van trekkrag en gewigdoeltreffendheid?

Twee kernkragopsies

Vir ruimtereise het ingenieurs twee hooftipes kernstelsels ontwikkel.

Die eerste is 'n termonukleêre enjin. Hierdie stelsels is baie kragtig en hoogs doeltreffend. Hulle gebruik’n klein kernsplytingsreaktor – soos dié op kernduikbote – om’n gas (soos waterstof) te verhit. Hierdie gas word dan deur die vuurpylmondstuk versnel om stukrag te verskaf. NASA-ingenieurs het bereken dat 'n reis na Mars met 'n termonukleêre enjin 20-25% vinniger sal wees as 'n vuurpyl met 'n chemiese enjin.

Fusie-enjins is meer as twee keer so doeltreffend as chemiese enjins. Dit beteken dat hulle twee keer die stukrag lewer vir dieselfde hoeveelheid brandstof – tot 100 000 Newton se stukrag. Dit is genoeg om die motor binne ongeveer 'n kwart sekonde tot 'n spoed van 100 kilometer per uur te versnel.

Die tweede stelsel is 'n kern elektriese vuurpylmotor (NEPE). Nie een hiervan is nog geskep nie, maar die idee is om 'n kragtige splitsingsreaktor te gebruik om elektrisiteit op te wek, wat dan 'n elektriese aandrywingstelsel soos 'n Hall-motor sal aandryf. Dit sal baie doeltreffend wees - ongeveer drie keer doeltreffender as 'n samesmeltingsenjin. Aangesien die krag van 'n kernreaktor enorm is, kan verskeie afsonderlike elektriese motors op dieselfde tyd werk, en die stoot sal solied blyk te wees.

Kernvuurpylmotors is dalk die beste keuse vir uiters langafstandmissies: hulle benodig nie sonenergie nie, is baie doeltreffend en bied relatief hoë stootkrag. Maar ondanks al hul belowende aard het die kernkragaandrywingstelsel nog baie tegniese probleme wat opgelos sal moet word voordat dit in werking gestel word.

Hoekom is daar steeds geen kernaangedrewe missiele nie?

Termonukleêre enjins is sedert die 1960's bestudeer, maar hulle het nog nie die ruimte ingevlieg nie.

Onder die handves van die 1970's is elke kernruimteprojek afsonderlik oorweeg en kon dit nie verder gaan sonder die goedkeuring van 'n aantal regeringsinstansies en die president self nie. Tesame met 'n gebrek aan finansiering vir navorsing oor kernmissielstelsels, het dit die verdere ontwikkeling van kernreaktors vir gebruik in die ruimte belemmer.

Maar dit het alles verander in Augustus 2019 toe die Trump-administrasie 'n presidensiële memorandum uitgereik het. Terwyl daar aandring op die maksimum veiligheid van kernlanserings, laat die nuwe richtlijn steeds kernmissies toe met lae hoeveelhede radioaktiewe materiaal sonder ingewikkelde goedkeuring tussen die agentskappe. Bevestiging deur 'n borg-agentskap soos NASA dat die missie in ooreenstemming is met veiligheidsaanbevelings, is voldoende. Groot kernsendings gaan deur dieselfde prosedures as voorheen.

Saam met hierdie hersiening van die reëls, het NASA $ 100 miljoen van die 2019-begroting ontvang vir die ontwikkeling van termonukleêre enjins. Die Defense Advanced Research Projects Agency ontwikkel ook 'n termonukleêre ruimte-enjin vir nasionale veiligheidsoperasies buite die Aarde se wentelbaan.

Ná 60 jaar van stagnasie is dit moontlik dat’n kernvuurpyl binne’n dekade die ruimte sal ingaan. Hierdie ongelooflike prestasie sal 'n nuwe era van ruimteverkenning inlui. Die mens sal na Mars gaan, en wetenskaplike eksperimente sal lei tot nuwe ontdekkings regdeur die sonnestelsel en verder.