Sistem Suria adalah tempat yang sangat besar, dan memerlukan perjalanan selamanya dari dunia ke dunia dengan roket kimia tradisional. Tetapi satu teknik, yang dikembangkan pada tahun 1960-an mungkin menyediakan cara untuk memendekkan masa perjalanan kita secara dramatik: roket nuklear.
Sudah tentu, melancarkan roket yang dikuasakan oleh bahan radioaktif juga mempunyai risiko tersendiri. Sekiranya kita mencubanya?
Katakan anda mahu melawat Mars menggunakan roket kimia. Anda akan meletup dari Bumi dan masuk ke orbit Bumi rendah. Kemudian, pada saat yang tepat, anda akan melepaskan roket anda, menaikkan orbit anda dari Matahari. Lintasan elips baru yang anda ikuti bersilang dengan Mars selepas penerbangan selama lapan bulan.
Ini dikenali sebagai pemindahan Hohmann, dan cara paling berkesan untuk mengetahui perjalanan di angkasa lepas, menggunakan jumlah propelan yang paling sedikit dan jumlah muatan yang paling besar. Masalahnya tentu saja, adalah masa yang diperlukan. Sepanjang perjalanan, angkasawan akan memakan makanan, air, udara, dan terkena radiasi jangka panjang dari ruang dalam. Kemudian misi kembali menggandakan keperluan sumber dan menggandakan beban radiasi.
Kita perlu pergi lebih pantas.
Ternyata NASA telah memikirkan apa yang akan terjadi selepas roket kimia selama hampir 50 tahun.
Roket terma nuklear. Mereka pasti mempercepat perjalanan, tetapi mereka bukan tanpa risiko mereka sendiri, itulah sebabnya anda tidak melihatnya. Tetapi mungkin masa mereka ada di sini.
Pada tahun 1961, NASA dan Komisi Tenaga Atom bekerjasama dalam idea penggerak haba nuklear, atau NTP. Ini dipelopori oleh Werner von Braun, yang berharap misi manusia akan terbang ke Mars pada tahun 1980-an, di sayap roket nuklear.
Itu tidak berlaku. Tetapi mereka berjaya melakukan beberapa ujian pendorong terma nuklear yang berjaya dan menunjukkan bahawa ia berjaya.
Sementara roket kimia berfungsi dengan menyalakan sejenis bahan kimia yang mudah terbakar dan kemudian memaksa gas ekzos keluar dari muncung. Terima kasih kepada undang-undang ketiga Newton yang lama, anda tahu, untuk setiap tindakan ada reaksi yang sama dan berlawanan, roket itu menerima daya tuju yang berlawanan dari gas yang dikeluarkan.
Roket nuklear berfungsi dengan cara yang serupa. Bola bahan bakar Uranium berukuran marmer menjalani proses pembelahan, melepaskan sejumlah besar panas. Ini memanaskan hidrogen hingga hampir 2,500 C yang kemudian dikeluarkan dari bahagian belakang roket pada halaju tinggi. Halaju yang sangat tinggi, memberikan roket dua hingga tiga kali kecekapan penggerak roket kimia.
Ingat 8 bulan yang saya nyatakan untuk roket kimia? Roket termal nuklear dapat mengurangkan masa transit pada separuh, bahkan mungkin perjalanan 100 hari ke Mars. Yang bermaksud lebih sedikit sumber yang digunakan oleh angkasawan, dan beban radiasi yang lebih rendah.
Dan ada satu lagi faedah besar. Teras roket nuklear dapat membolehkan misi berjalan ketika Bumi dan Marikh tidak selaras dengan sempurna. Sekarang jika anda terlepas dari tingkap anda, anda harus menunggu 2 tahun lagi, tetapi roket nuklear dapat memberi anda dorongan untuk menangani kelewatan penerbangan.
Ujian roket nuklear pertama dimulakan pada tahun 1955 dengan Project Rover di Makmal Ilmiah Los Alamos. Perkembangan utamanya adalah mengecilkan reaktor yang cukup untuk meletakkannya di roket. Selama beberapa tahun akan datang, jurutera membina dan menguji lebih daripada selusin reaktor dengan pelbagai saiz dan output kuasa.
Dengan kejayaan Project Rover, NASA menetapkan misi misi manusia ke Marikh yang akan mengikuti pendaratan Apollo di Bulan. Kerana jarak dan waktu penerbangan, mereka memutuskan roket nuklear akan menjadi kunci untuk menjadikan misi lebih mampu.
Tentunya roket nuklear tanpa risiko, tentu saja. Reaktor yang berada di atas kapal akan menjadi sumber radiasi kecil kepada kru angkasawan yang berada di atas kapal, ini akan lebih besar dengan penurunan waktu penerbangan. Ruang dalam itu sendiri adalah bahaya radiasi yang sangat besar, dengan sinaran kosmik galaksi berterusan yang merosakkan DNA angkasawan.
Pada akhir 1960-an, NASA menubuhkan program Aplikasi Nuklear Engine for Rocket Vehicle, atau NERVA, mengembangkan teknologi yang akan menjadi roket nuklear yang akan membawa manusia ke Mars.
Mereka menguji roket nuklear yang lebih besar dan lebih kuat, di gurun Nevada, membuang gas hidrogen berkelajuan tinggi tepat ke atmosfera. Undang-undang alam sekitar pada masa itu tidak begitu ketat.
NERVA NRX pertama akhirnya diuji selama hampir dua jam, dengan masa 28 minit dengan kekuatan penuh. Dan enjin kedua dihidupkan 28 kali dan berjalan selama 115 minit.
Pada akhirnya, mereka menguji reaktor nuklear paling kuat yang pernah dibina, reaktor Phoebus-2A, yang mampu menjana 4,000 megawatt kuasa. Melambung selama 12 minit.
Walaupun pelbagai komponen sebenarnya tidak pernah dipasang ke roket siap penerbangan, jurutera berpuas hati bahawa roket nuklear akan memenuhi keperluan penerbangan ke Mars.
Tetapi kemudian, AS memutuskan untuk tidak mahu pergi ke Marikh lagi. Sebagai gantinya, mereka mahukan perkhidmatan ulang-alik.
Program ini ditutup pada tahun 1973, dan tidak ada yang menguji roket nuklear sejak itu.
Tetapi kemajuan teknologi baru-baru ini menjadikan penggerak haba nuklear lebih menarik. Pada tahun 1960-an, satu-satunya sumber bahan bakar yang dapat mereka gunakan adalah uranium yang sangat diperkaya. Tetapi kini para jurutera berpendapat bahawa mereka boleh mendapatkannya dengan uranium yang diperkaya rendah.
Ini akan lebih selamat untuk digunakan, dan membolehkan lebih banyak kemudahan roket menjalankan ujian. Lebih mudah menangkap zarah radioaktif di dalam ekzos dan membuangnya dengan betul. Itu akan menurunkan keseluruhan kos bekerja dengan teknologi.
Pada 22 Mei 2019, Kongres AS meluluskan pembiayaan $ 125 juta dolar untuk pembangunan roket pendorong nuklear. Walaupun program ini tidak mempunyai peranan dalam Artemis 2024 NASA kembali ke Bulan, ia - mengutip - "menyeru NASA untuk mengembangkan rancangan bertahun-tahun yang memungkinkan demonstrasi pendorong haba nuklear termasuk garis masa yang berkaitan dengan demonstrasi ruang angkasa dan penerangan mengenai misi dan sistem pendorong dan kuasa masa depan yang diaktifkan oleh kemampuan ini. "
Pembelahan nuklear adalah salah satu cara untuk memanfaatkan kekuatan atom. Sudah tentu, ia memerlukan uranium yang diperkaya dan menghasilkan sisa radioaktif toksik. Bagaimana dengan pelakuran? Di mana atom hidrogen diperah menjadi helium, membebaskan tenaga?
Matahari telah menyatu berfungsi, berkat jisim dan suhu intinya yang sangat besar, tetapi peleburan positif tenaga yang mampan telah sukar difahami oleh kita manusia yang lemah.
Eksperimen besar seperti ITER di Eropah berharap dapat mengekalkan tenaga pelakuran dalam dekad berikutnya atau lebih. Selepas itu, anda dapat membayangkan reaktor peleburan menjadi miniatur sehingga mereka dapat memainkan peranan yang sama dengan reaktor pembelahan dalam roket nuklear. Tetapi walaupun anda tidak dapat mendapatkan reaktor pelakuran sehingga mereka positif tenaga bersih, mereka masih dapat memberikan pecutan yang luar biasa untuk jumlah jisim.
Dan mungkin kita tidak perlu menunggu puluhan tahun. Kumpulan penyelidikan di Princeton Plasma Physics Laboratory sedang mengusahakan konsep yang disebut Direct Fusion Drive, yang mereka fikir akan siap lebih cepat.
Ia berdasarkan reaktor peleburan Princeton Field-Reversed Configuration yang dikembangkan pada tahun 2002 oleh Samuel Cohen. Plasma panas helium-3 dan deuterium terkandung dalam bekas magnet. Helium-3 jarang berlaku di Bumi, dan berharga kerana tindak balas pelakuran dengannya tidak akan menghasilkan jumlah radiasi berbahaya atau sisa nuklear dengan reaktor peleburan atau pembelahan lain.
Seperti roket pembelahan, roket fusi memanaskan pendorong ke suhu tinggi dan kemudian meletupkannya ke belakang, menghasilkan daya tuju.
Ia berfungsi dengan menyusun sekumpulan magnet linier yang mengandungi dan memutar plasma yang sangat panas. Antena di sekitar plasma disesuaikan dengan frekuensi ion tertentu, dan menghasilkan arus di dalam plasma. Tenaga mereka dipompa sehingga atom menyatu, melepaskan zarah baru. Zarah-zarah ini mengembara melalui medan penahanan sehingga tertangkap oleh garis medan magnet dan mereka dipercepat keluar dari bahagian belakang roket.
Secara teori, roket fusi mampu memberikan daya tuju 2,5 hingga 5 Newton per megawatt, dengan dorongan khusus 10,000 saat - ingat 850 dari roket pembelahan, dan 450 dari roket kimia. Ia juga akan menjana elektrik yang diperlukan oleh kapal angkasa jauh dari Matahari, di mana panel solar tidak begitu cekap.
Direct Fusion Drive mampu membawa misi 10 tan ke Saturnus hanya dalam 2 tahun, atau kapal angkasa 1 tan dari Bumi ke Pluto dalam sekitar 4 tahun. Horizon Baru memerlukan hampir 10.
Oleh kerana ia juga reaktor peleburan 1 megawatt, ia juga akan memberi tenaga untuk semua instrumen kapal angkasa ketika tiba. Jauh lebih banyak daripada bateri nuklear yang dilakukan oleh misi angkasa lepas seperti Voyager dan New Horizons.
Bayangkan jenis misi antarbintang yang mungkin ada di dalam teknologi ini.
Princeton Satellite Systems bukan satu-satunya kumpulan yang mengusahakan sistem seperti ini. Sistem Fusion Terapan telah memohon paten untuk mesin peleburan nuklear yang dapat memberikan daya tuju kepada kapal angkasa.
Saya tahu sudah beberapa dekad sejak NASA menguji roket nuklear dengan serius sebagai cara untuk memendekkan waktu penerbangan, tetapi sepertinya teknologinya kembali. Selama beberapa tahun akan datang saya menjangkakan untuk melihat perkakasan baru, dan ujian baru sistem pendorong terma nuklear. Dan saya sangat teruja dengan kemungkinan pemacu gabungan yang membawa kita ke dunia lain. Seperti biasa, nantikan, saya akan memberitahu anda bila seseorang benar-benar terbang.
