Një epokë e re e eksplorimit të hapësirës pas motorëve të raketave me shkrirje

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

NASA dhe Elon Musk ëndërrojnë për Marsin, dhe misionet në hapësirën e thellë me njerëz do të bëhen së shpejti realitet. Ndoshta do të habiteni, por raketat moderne fluturojnë pak më shpejt se raketat e së shkuarës.

Anijet kozmike të shpejta janë më të përshtatshme për një sërë arsyesh, dhe mënyra më e mirë për të përshpejtuar është nëpërmjet raketave me energji bërthamore. Ato kanë shumë përparësi ndaj raketave konvencionale me karburant ose raketave moderne elektrike me energji diellore, por në 40 vitet e fundit, Shtetet e Bashkuara kanë lëshuar vetëm tetë raketa me energji bërthamore.

Sidoqoftë, në vitin e kaluar, ligjet në lidhje me udhëtimin në hapësirën bërthamore ndryshuan dhe puna për gjeneratën e ardhshme të raketave tashmë ka filluar.

Pse nevojitet shpejtësia?

Në fazën e parë të çdo fluturimi në hapësirë, nevojitet një mjet lëshimi - ai e çon anijen në orbitë. Këta motorë të mëdhenj funksionojnë me lëndë djegëse të djegshme - dhe zakonisht kur bëhet fjalë për lëshimin e raketave, ato nënkuptohen. Ata nuk do të shkojnë askund së shpejti - siç është forca e gravitetit.

Por kur anija hyn në hapësirë, gjërat bëhen më interesante. Për të kapërcyer gravitetin e Tokës dhe për të shkuar në hapësirën e thellë, anija ka nevojë për përshpejtim shtesë. Këtu hyjnë në lojë sistemet bërthamore. Nëse astronautët duan të eksplorojnë diçka përtej Hënës apo edhe më shumë Marsit, ata do të duhet të nxitojnë. Kozmosi është i madh, dhe distancat janë mjaft të mëdha.

Ka dy arsye pse raketat e shpejta janë më të përshtatshme për udhëtime hapësinore në distanca të gjata: siguria dhe koha.

Gjatë rrugës për në Mars, astronautët përballen me nivele shumë të larta të rrezatimit, të mbushur me probleme serioze shëndetësore, duke përfshirë kancerin dhe infertilitetin. Mbrojtja nga rrezatimi mund të ndihmojë, por është jashtëzakonisht e rëndë dhe sa më gjatë të jetë misioni, aq më i fuqishëm do të nevojitet mbrojtje. Prandaj, mënyra më e mirë për të reduktuar dozën e rrezatimit është thjesht të arrini më shpejt në destinacionin tuaj.

Por siguria e ekuipazhit nuk është përfitimi i vetëm. Sa më të largëta të planifikojmë fluturime, aq më shpejt kemi nevojë për të dhëna nga misionet pa pilot. Voyager 2 iu deshën 12 vjet për të arritur në Neptun - dhe ndërsa fluturoi pranë, ai shkrepi disa fotografi të pabesueshme. Nëse Voyager do të kishte një motor më të fuqishëm, këto fotografi dhe të dhëna do të ishin shfaqur te astronomët shumë më herët.

Pra, shpejtësia është një avantazh. Por pse sistemet bërthamore janë më të shpejta?

Sistemet e sotme

Pasi të kapërcejë forcën e gravitetit, anija duhet të marrë parasysh tre aspekte të rëndësishme.

Shtytje- çfarë përshpejtimi do të marrë anija.

Efikasiteti në peshë- sa shtytje mund të prodhojë sistemi për një sasi të caktuar karburanti.

Konsumi specifik i energjisë- sa energji lëshon një sasi e caktuar karburanti.

Sot, motorët kimikë më të zakonshëm janë raketat konvencionale me karburant dhe raketat elektrike me energji diellore.

Sistemet e shtytjes kimike ofrojnë shumë shtytje, por nuk janë veçanërisht efikase, dhe karburanti i raketave nuk kërkon shumë energji. Raketa Saturn 5 që çoi astronautët në Hënë dërgoi 35 milionë njuton forcë gjatë ngritjes dhe mbajti 950,000 gallon (4,318,787 litra) karburant. Pjesa më e madhe shkoi në dërgimin e raketës në orbitë, kështu që kufizimet janë të dukshme: kudo që të shkoni, keni nevojë për shumë karburant të rëndë.

Sistemet e shtytjes elektrike gjenerojnë shtytje duke përdorur energjinë elektrike nga panelet diellore. Mënyra më e zakonshme për ta arritur këtë është përdorimi i një fushe elektrike për të përshpejtuar jonet, për shembull, si në një shtytës me induksion Hall. Këto pajisje përdoren për të fuqizuar satelitët dhe efikasiteti i peshës së tyre është pesë herë më i madh se i sistemeve kimike. Por në të njëjtën kohë ata japin shumë më pak shtytje - rreth 3 njuton. Kjo është e mjaftueshme vetëm për të përshpejtuar makinën nga 0 në 100 kilometra në orë në rreth dy orë e gjysmë. Dielli është në thelb një burim energjie pa fund, por sa më shumë që anija largohet prej tij, aq më pak e dobishme është.

Një nga arsyet pse raketat bërthamore janë veçanërisht premtuese është intensiteti i tyre i jashtëzakonshëm i energjisë. Karburanti i uraniumit i përdorur në reaktorët bërthamorë ka një përmbajtje energjie 4 milionë herë më të madhe se ajo e hidrazinës, një lëndë djegëse tipike kimike raketash. Dhe është shumë më e lehtë për të marrë pak uranium në hapësirë se sa qindra mijëra litra karburant.

Po në lidhje me tërheqjen dhe efikasitetin e peshës?

Dy opsione bërthamore

Për udhëtimet në hapësirë, inxhinierët kanë zhvilluar dy lloje kryesore të sistemeve bërthamore.

I pari është një motor termonuklear. Këto sisteme janë shumë të fuqishme dhe shumë efikase. Ata përdorin një reaktor të vogël të ndarjes bërthamore - si ato në nëndetëset bërthamore - për të ngrohur një gaz (si hidrogjeni). Ky gaz më pas përshpejtohet përmes grykës së raketës për të siguruar shtytje. Inxhinierët e NASA-s kanë llogaritur se një udhëtim në Mars duke përdorur një motor termonuklear do të jetë 20-25% më i shpejtë se një raketë me një motor kimik.

Motorët me shkrirje janë më shumë se dy herë më efikas se ata kimikë. Kjo do të thotë se ata japin dyfishin e shtytjes për të njëjtën sasi karburanti - deri në 100,000 Njuton shtytje. Kjo është e mjaftueshme për të përshpejtuar makinën në një shpejtësi prej 100 kilometrash në orë në rreth një çerek sekonde.

Sistemi i dytë është një motor rakete elektrike bërthamore (NEPE). Asnjë nga këto nuk është krijuar ende, por ideja është që të përdoret një reaktor i fuqishëm i ndarjes për të gjeneruar energji elektrike, i cili më pas do të fuqizojë një sistem elektrik shtytës si një motor Hall. Kjo do të ishte shumë efektive - rreth tre herë më efikas se një motor me shkrirje. Meqenëse fuqia e një reaktori bërthamor është e madhe, disa motorë elektrikë të veçantë mund të punojnë në të njëjtën kohë, dhe shtytja do të dalë e fortë.

Motorët e raketave bërthamore janë ndoshta zgjidhja më e mirë për misione jashtëzakonisht të gjata: ata nuk kërkojnë energji diellore, janë shumë efikasë dhe ofrojnë shtytje relativisht të lartë. Por me gjithë natyrën e tyre premtuese, sistemi i shtytjes së energjisë bërthamore ka ende shumë probleme teknike që do të duhet të zgjidhen përpara se të vihet në funksion.

Pse nuk ka ende raketa me energji bërthamore?

Motorët termonuklear janë studiuar që nga vitet 1960, por ata ende nuk kanë fluturuar në hapësirë.

Sipas statutit të viteve 1970, çdo projekt hapësinor bërthamor konsiderohej veçmas dhe nuk mund të shkonte më tej pa miratimin e një numri agjencish qeveritare dhe vetë presidentit. E shoqëruar me mungesën e fondeve për kërkime në sistemet e raketave bërthamore, kjo ka penguar zhvillimin e mëtejshëm të reaktorëve bërthamorë për përdorim në hapësirë.

Por gjithçka ndryshoi në gusht 2019 kur administrata Trump lëshoi një memorandum presidencial. Ndërsa këmbëngul në sigurinë maksimale të lëshimeve bërthamore, direktiva e re lejon ende misione bërthamore me sasi të ulët të materialit radioaktiv pa miratim të ndërlikuar ndërinstitucional. Konfirmimi nga një agjenci sponsorizuese si NASA se misioni është në përputhje me rekomandimet e sigurisë është i mjaftueshëm. Misionet e mëdha bërthamore kalojnë nëpër të njëjtat procedura si më parë.

Së bashku me këtë rishikim të rregullave, NASA mori 100 milionë dollarë nga buxheti i vitit 2019 për zhvillimin e motorëve termonuklear. Agjencia e Projekteve të Kërkimit të Avancuar të Mbrojtjes po zhvillon gjithashtu një motor hapësinor termonuklear për operacionet e sigurisë kombëtare përtej orbitës së Tokës.

Pas 60 vitesh stagnimi, është e mundur që një raketë bërthamore të shkojë në hapësirë brenda një dekade. Kjo arritje e jashtëzakonshme do të sjellë një epokë të re të eksplorimit të hapësirës. Njeriu do të shkojë në Mars dhe eksperimentet shkencore do të çojnë në zbulime të reja në të gjithë sistemin diellor dhe më gjerë.