En amerikansk professor forklarer hvorfor kjernefysiske rakettmotorer er mer effektive enn kjemiske. Derfor er det de som vil hjelpe deg med å utforske Mars og alt utenfor det. Men han tenker ikke på spørsmålet om NASA vil ha nok penger til å utvikle slike motorer, hvis Pentagon også er engasjert i dem, og han får først.
NASA og Elon Musk drømmer om Mars, og bemannede dype romoppdrag vil snart bli en realitet. Du vil sannsynligvis bli overrasket, men moderne raketter flyr litt raskere enn fortidens raketter.
Rask romskip er mer praktisk av flere årsaker, og den beste måten å akselerere på er med kjernefysiske raketter. De har mange fordeler i forhold til konvensjonelle drivstoffdrevne raketter eller moderne solcelledrevne elektriske raketter, men i løpet av de siste 40 årene har USA bare lansert åtte kjernefysiske drevne raketter.
Det siste året endret imidlertid lovene om kjernefysisk romfart og arbeidet med den neste generasjonen raketter har allerede begynt.
Hvorfor trengs hastighet?
I det første stadiet av en flyvning ut i rommet er det behov for et utskytningsbil - det tar skipet i bane. Disse store motorene kjører på brennbart drivstoff - og vanligvis når det kommer til raketter, mener de dem. De kommer ikke til å komme hvor som helst når som helst - og heller ikke tyngdekraften.
Men når skipet kommer inn i verdensrommet, blir ting mer interessant. For å overvinne jordens tyngdekraft og gå ut i dype rom, trenger skipet ytterligere akselerasjon. Det er her kjernefysiske systemer spiller inn. Hvis astronauter ønsker å utforske noe utenfor månen eller enda mer Mars, må de skynde seg. Kosmos er enormt, og avstandene er ganske store.
Salgsfremmende video:
Det er to grunner til at raske raketter er bedre egnet for romfart på lang avstand: sikkerhet og tid.
På vei til Mars møter astronauter veldig høye nivåer av stråling, fulle av alvorlige helseproblemer, inkludert kreft og infertilitet. Strålingsskjerming kan hjelpe, men det er ekstremt tungt og jo lenger oppdraget er, desto kraftigere skjerming vil være nødvendig. Derfor er den beste måten å redusere stråledosen å ganske enkelt komme deg til destinasjonen.
Men sikkerhet for mannskap er ikke den eneste fordelen. Jo fjernere flyreiser vi planlegger, jo raskere trenger vi data fra ubemannede oppdrag. Det tok Voyager 2 12 år å nå Neptune - og mens den fløy forbi, tok den noen utrolige bilder. Hvis Voyager hadde en kraftigere motor, ville disse fotografiene og dataene dukket opp i astronomene mye tidligere.
Så hastighet er en fordel. Men hvorfor er atomsystemer raskere?
Dagens systemer
Etter å ha overvunnet tyngdekraften, må skipet vurdere tre viktige aspekter.
De vanligste i dag er kjemiske motorer - det vil si konvensjonelle drivstoffdrevne raketter og solcelledrevne elektriske raketter.
Kjemiske fremdriftssystemer gir mye skyvekraft, men er ikke spesielt effektive, og rakettdrivstoff er ikke veldig energikrevende. Saturn 5-raketten som fraktet astronautene til månen produserte 35 millioner newton kraft ved start og fraktet 950.000 gallon (4,318,787 liter) drivstoff. Det meste gikk ut på å få raketten til bane, så begrensningene er åpenbare: uansett hvor du går trenger du mye tungt drivstoff.
Elektriske fremdriftssystemer genererer drivkraft ved bruk av strøm fra solcellepaneler. Den vanligste måten å oppnå dette på er å bruke et elektrisk felt for å akselerere ioner, for eksempel i en Hall-induksjonstruster. Disse enhetene brukes til å drive satellitter, og vekteffektiviteten deres er fem ganger den for kjemiske systemer. Men samtidig gir de ut mye mindre kraft - omtrent 3 newton. Dette er bare nok til å akselerere bilen fra 0 til 100 kilometer i timen på omtrent to og en halv time. Solen er egentlig en bunnløs energikilde, men jo lenger skipet beveger seg bort fra det, jo mindre nyttig er det.
En av grunnene til at kjernefysiske raketter er spesielt lovende er deres utrolige energiintensitet. Uranbrensel brukt i kjernefysiske reaktorer har en energiintensitet på 4 millioner ganger så mye som hydrazin, et typisk kjemisk rakettbrensel. Og det er mye lettere å få litt uran i verdensrommet enn hundretusenvis av liter drivstoff.
Hva med trekkraft og vekteffektivitet?
To kjernefysiske alternativer
For romfart har ingeniører utviklet to hovedtyper av atomsystemer.
Den første er en termonukleær motor. Disse systemene er veldig kraftige og svært effektive. De bruker en liten kjernefysjonsreaktor - som de på atomubåter - for å varme opp en gass (som hydrogen). Denne gassen blir deretter akselerert gjennom rakettdysen for å gi drivkraft. NASA-ingeniører har beregnet at en tur til Mars ved bruk av en termonukleær motor vil være 20-25% raskere enn en rakett med en kjemisk motor.
Fusjonsmotorer er mer enn dobbelt så effektive som kjemiske motorer. Dette betyr at de leverer dobbelt så mye skyvekraft for samme mengde drivstoff - opptil 100.000 Newtons skyvekraft. Dette er nok til å akselerere bilen til 100 kilometer i timen på omtrent et kvarter.
Det andre systemet er en nukleær elektrisk rakettmotor (NEP). Ingen av dem er opprettet ennå, men ideen er å bruke en kraftig fisjonreaktor for å generere strøm, som deretter vil drive et elektrisk fremdriftssystem som en Hall-motor. Det ville være veldig effektivt - omtrent tre ganger mer effektivt enn en fusjonsmotor. Siden kraften til en kjernefysisk reaktor er enorm, kan flere separate elektriske motorer fungere samtidig, og skyvekraften vil vise seg å være solid.
Atomrakettmotorer er kanskje det beste valget for ekstremt langdistanseoppdrag: De krever ikke solenergi, er veldig effektive og gir relativt høyt drivkraft. Men av all deres lovende karakter har fremdriftssystemet for kjernekraft fremdeles mange tekniske problemer som må løses før det tas i bruk.
Hvorfor er det fremdeles ingen atomdrevne raketter?
Fusjonsmotorer har blitt studert siden 1960-tallet, men de har ennå ikke flydd ut i verdensrommet.
I henhold til charteret fra 1970-tallet ble hvert kjernefysiske romprosjekt vurdert separat og kunne ikke gå lenger uten godkjenning fra en rekke offentlige etater og presidenten selv. Kombinert med mangel på finansiering til forskning i atommissilsystemer, har dette forhindret videreutvikling av atomreaktorer til bruk i verdensrommet.
Men det hele endret seg i august 2019 da Trump-administrasjonen utstedte et presidentinnlegg. Mens det insisterer på maksimal sikkerhet ved kjernefysiske lanseringer, tillater det nye direktivet fortsatt kjernefysiske oppdrag med lave mengder radioaktivt materiale uten komplisert godkjenning av interagency. Bekreftelse fra et sponsorbyrå som NASA om at oppdraget er i samsvar med sikkerhetsanbefalinger er tilstrekkelig. Store kjernefysiske oppdrag gjennomgår de samme prosedyrene som før.
Sammen med denne revisjonen av reglene mottok NASA 100 millioner dollar fra 2019-budsjettet for utvikling av termonukleære motorer. Defense Advanced Research Projects Agency utvikler også en termonuklear rommotor for nasjonale sikkerhetsoperasjoner utenfor Jordens bane.
Etter 60 år med stagnasjon er det mulig at en atomrakett vil gå ut i verdensrommet i løpet av et tiår. Denne utrolige bragden vil innlede en ny tid med romutforskning. Mennesket skal til Mars, og vitenskapelige eksperimenter vil føre til nye funn i hele solsystemet og utover.
Iain Boyd er professor i luftfartsteknikk ved University of Colorado i Boulder
