Ameerika professor selgitab, miks tuumarakettmootorid on tõhusamad kui keemilised. Seetõttu on nemad need, kes aitavad uurida Marsi ja kõike muud peale selle. Kuid ta ei mõtle küsimusele, kas NASA-l on selliste mootorite arendamiseks piisavalt raha, kui Pentagon ka nendega tegeleb ja talle antakse esimene.
NASA ja Elon Musk unistavad Marsist ning mehitatud süvakosmoseülesanded saavad peagi reaalsuseks. Tõenäoliselt üllatate, kuid tänapäevased raketid lendavad pisut kiiremini kui mineviku raketid.
Kiired kosmoselaevad on mugavamad erinevatel põhjustel ja parim viis kiirendamiseks on tuumaenergiaga töötavad raketid. Neil on tavapäraste kütusel töötavate rakettide või tänapäevaste päikeseenergial töötavate elektrirakettide ees palju eeliseid, kuid viimase 40 aasta jooksul on USA lasknud turule ainult kaheksa tuumaenergiaga töötavat raketti.
Kuid möödunud aastal on tuumakosmosereise käsitlevad seadused muutunud ja järgmise põlvkonna rakettide kallal on töö juba alanud.
Miks on vaja kiirust?
Mis tahes kosmosesse suunduva lennu esimesel etapil on vaja kaatrit - see viib laeva orbiidile. Need suured mootorid töötavad põlevkütusel - ja tavaliselt, kui on vaja rakette käivitada, peavad nad neid silmas. Nad ei lähe kuhugi kiiresti ega ka gravitatsiooni jõud.
Kuid kui laev kosmosesse siseneb, muutuvad asjad huvitavamaks. Maa gravitatsiooni ületamiseks ja sügavasse kosmosesse minekuks vajab laev täiendavat kiirendust. Siin tulevad mängu tuumasüsteemid. Kui astronaudid tahavad uurida midagi väljaspool Kuud või veelgi enam - Marsi, peavad nad kiirustama. Kosmos on tohutu ja vahemaad on üsna suured.
Reklaamvideo:
On kaks põhjust, miks kiired raketid sobivad pikamaa kosmosesõiduks paremini: ohutus ja aeg.
Teel Marsile seisavad astronaudid silmitsi väga kõrge radiatsioonitasemega, kus on tõsiseid terviseprobleeme, sealhulgas vähk ja viljatus. Kiirgusvarjestus võib aidata, kuid see on äärmiselt raske ja mida pikem missioon, seda võimsam varjestus on vajalik. Seetõttu on parim viis kiirgusdoosi vähendamiseks lihtsalt kiiremini sihtkohta jõudmine.
Meeskonna turvalisus pole aga ainus eelis. Mida kaugemaid lende plaanime, seda kiiremini vajame andmeid mehitamata missioonide kohta. Neptuunini jõudmiseks kulus Voyager 2 12 aastat - ja mööda seda lennates tehti sellest uskumatuid pilte. Kui Voyageril oleks võimsam mootor, oleks need fotod ja andmed astronoomide kätte ilmunud palju varem.
Nii et kiirus on eelis. Kuid miks on tuumasüsteemid kiiremad?
Tänapäeva süsteemid
Pärast raskusjõu ületamist peab laev kaaluma kolme olulist aspekti.
Tänapäeval on kõige tavalisemad keemilised tõukejõusüsteemid tavalised kütusel töötavad raketid ja päikeseenergial töötavad elektriraketid.
Keemilised tõukejõusüsteemid pakuvad palju tõukejõudu, kuid pole eriti tõhusad ja raketikütus pole eriti energiamahukas. Rakett Saturn 5, mis vedas astronaute Kuule, edastas õhkutõusul 35 miljonit njuutonit jõudu ja kandis 950 000 gallonit (4 318 787 liitrit) kütust. Suurem osa sellest läks raketi orbiidile jõudmiseks, seega on piirangud ilmsed: ükskõik kuhu lähete, vajate palju rasket kütust.
Elektrilised tõukejõusüsteemid tekitavad päikesepaneelidest toodetud elektrienergia abil tõukejõudu. Kõige tavalisem viis selle saavutamiseks on ioonide kiirendamiseks elektrivälja kasutamine, näiteks Halli induktsioonstimulaatoris. Neid seadmeid kasutatakse satelliitide toiteks ja nende kaalutõhusus on viis korda suurem kui keemiliste süsteemide kaal. Kuid samal ajal annavad nad välja palju vähem tõukejõudu - umbes 3 njuutoni. Sellest piisab vaid auto kiirendamiseks 0–100 kilomeetrini tunnis umbes kahe ja poole tunniga. Päike on sisuliselt põhjatu energiaallikas, kuid mida kaugemale laev sellest eemaldub, seda vähem kasulik see on.
Üks põhjus, miks tuumaraketid eriti paljulubavad on, on nende uskumatu energiamahukus. Tuumareaktorites kasutatava uraanikütuse energiamahukus on 4 miljonit korda suurem kui hüdrasiini, mis on tüüpiline keemiline raketikütus. Ja uraani kosmosesse pääsemine on palju lihtsam kui sadade tuhandete gallonite kütus.
Aga veojõud ja kaalutõhusus?
Kaks tuumavarianti
Kosmoses reisimiseks on insenerid välja töötanud kaks peamist tuumasüsteemide tüüpi.
Esimene neist on termotuumamootor. Need süsteemid on väga võimsad ja väga tõhusad. Gaasi (näiteks vesiniku) soojendamiseks kasutavad nad väikest tuuma lõhustumisreaktorit - nagu tuumaallveelaevadel kasutatavaid -. Seejärel kiirendatakse seda gaasi tõukejõu saamiseks läbi raketiotsiku. NASA insenerid on välja arvutanud, et termotuumamootoriga sõit Marsile on 20-25% kiirem kui keemiamootoriga rakett.
Termotuumasünteesimootorid on enam kui kaks korda tõhusamad kui keemilised. See tähendab, et need annavad sama kütusekoguse korral kaks korda rohkem tõukejõudu - kuni 100 000 tõukejõudu njuutonites. Sellest piisab, et kiirendada auto kiirust 100 kilomeetrini tunnis umbes veerand sekundiga.
Teine süsteem on tuumaelektriline rakettmootor (NEP). Ühtegi neist pole veel loodud, kuid idee on elektri tootmiseks kasutada võimsat lõhustumisreaktorit, mis seejärel juhiks elektrimootorit nagu Halli mootor. See oleks väga tõhus - umbes kolm korda tõhusam kui termotuumasünteesimootor. Kuna tuumareaktori võimsus on tohutu, võivad korraga töötada mitu eraldi elektrimootorit ja tõukejõud osutub kindlaks.
Tuumarakettmootorid on võib-olla parim valik äärmiselt pikamaaülesannete jaoks: need ei vaja päikeseenergiat, on väga tõhusad ja pakuvad suhteliselt suurt tõukejõudu. Kuid kõigi nende paljutõotava olemuse tõttu on tuumaenergia jõusüsteemil endiselt palju tehnilisi probleeme, mis tuleb enne kasutuselevõtmist lahendada.
Miks endiselt pole tuumaenergiaga töötavaid rakette?
Termotuumasünteesimootoreid on uuritud alates 1960. aastatest, kuid need pole veel kosmosesse lennanud.
1970. aastate harta kohaselt käsitleti igat tuumakosmoseprojekti eraldi ja see ei saanud minna kaugemale ilma mitmete valitsusasutuste ja presidendi enda nõusolekuta. 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. Rõhutades küll tuumaelektrijaamade maksimaalset ohutust, lubab uus direktiiv tuumaretkedel toimuda ka vähe radioaktiivseid aineid ilma keeruka ametkondadevahelise heakskiiduta. Sellise sponsoreeriva asutuse nagu NASA kinnitus, et missioon vastab ohutussoovitustele, on piisav. Suured tuumamissioonid läbivad samu protseduure kui varem.
Koos eeskirjade läbivaatamisega sai NASA 2019. aasta eelarvest 100 tuhat dollarit termotuumamootorite arendamiseks. Kaitsealaste teadusuuringute projektide agentuur arendab ka tuumaenergia tuummootorit riikliku julgeoleku operatsioonide jaoks väljaspool Maa orbiiti.
Pärast 60-aastast stagnatsiooni on võimalik, et tuumarakett läheb kosmosesse kümne aasta jooksul. See uskumatu saavutus avab kosmoseuuringute uue ajastu. Inimene läheb Marsile ja teaduslikud katsed toovad kaasa uusi avastusi kogu Päikesesüsteemis ja mujalgi.
Iain Boyd on Boulderis Colorado ülikooli kosmosetehnika professor
