Ядерная энергия: что, если бы мы могли добраться до Марса всего за 45 дней?

В настоящее время для отправки людей на Марс потребуются миссии продолжительностью несколько месяцев, запускаемые в определенное время. Такие длительные путешествия не обойдутся без риска для космонавтов, находящихся на борту, и лучшим способом избежать его было бы сокращение времени путешествия. Атомная энергия — лучший способ сделать это. 

Чтобы покинуть Землю, мы всегда полагались на ракеты с химическим двигателем. Технология не совершенна, но она позволила человеку освоить Луну. Однако у НАСА, Китая и SpaceX на уме другая цель — Марс. При использовании химической тяги нам придется иметь дело с ограничивающим фактором: временем. Чтобы отправить людей на Красную планету, потребуется от шести до девяти месяцев (и феноменальное количество топлива).

В таких условиях Марс, вероятно, станет своего рода пределом, за который мы не сможем выйти. Чтобы путешествовать дальше, мы должны двигаться быстрее, используя меньше топлива. Что если решение будет найдено с помощью ядерной энергии?

Тепловая и электрическая ядерная энергия

Эта идея не нова. НАСА и советская космическая программа потратили годы на работу над этой темой, но ни один проект так и не был реализован.

Существует два типа ядерных силовых установок. Начнем с ядерной тепловой тяги (ЯТП), которая подразумевает ракетный двигатель, в котором ядерный реактор заменяет камеру сгорания. В последнем случае в качестве топлива сжигается жидкий водород, в результате чего образуется ионизированный водородный газ (плазма). Затем этот газ направляется через сопла для создания тяги.

НАСА заинтересовалось этой концепцией с конца 1950-х годов в рамках программы «Ядерный двигатель для применения в ракетной технике» (NERVA). Это привело к разработке ядерного реактора с твердой активной зоной, который был успешно испытан. С окончанием эры «Аполлонов» в 1973 году финансирование программы было значительно сокращено. В итоге проект был отменен до проведения летных испытаний. Советский Союз также разрабатывал свою собственную концепцию (РД-0410) в период с 1965 по 1980 год, после чего также отменил свою программу.

Ядерно-электрическая силовая установка (ЯЭУ) основана на ядерном реакторе, подающем электроэнергию на двигатель с эффектом Холла (ионный двигатель). Последний затем генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон). Концепции ЯЭУ отличаются способностью обеспечивать более 10 000 секунд удельного импульса (I sp), что означает, что они могут поддерживать тягу в течение трех часов. Однако уровень тяги все еще довольно низкий по сравнению с другими вариантами.

Обе концепции имеют свои преимущества и недостатки. Именно поэтому исследователи ищут решения, включающие оба режима движения (бимодальный).

Несколько лет назад, когда Марс был на прицеле, НАСА возобновило свою ядерную программу с целью разработки бимодальной двигательной установки. По мнению агентства, такая ракета может позволить совершить транзит к Красной планете всего за 100 дней. Но новая концепция предлагает сделать еще лучше.

На Марс за 45 дней

В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год, NASA выбрало ядерную концепцию для фазы I разработки. Этот новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует «цикл доводки волнового ротора» и может сократить время транзита к Марсу всего до 45 дней.

Предложение принадлежит профессору Райану Госсе из Университета Флориды. Это одна из 14 концепций, отобранных для первого этапа программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) этого года, которая направлена на развитие дальновидных идей. Все команды получат 12 500 долларов США на развитие технологий и методов.

Предложение Райана Госса представляет собой бимодальную конструкцию, основанную на твердофазном реакторе NERVA (упомянутом выше). Это обеспечит удельный импульс (I sp) в 900 секунд, что вдвое превышает нынешние показатели химических ракет. Предлагаемый цикл также включает компрессор волны давления — или волновой ротор (WR). Технология, используемая в двигателях внутреннего сгорания, использует волны давления, возникающие в результате реакций, для сжатия всасываемого воздуха.

В сочетании с ядерным тепловым двигателем (ЯТП) WR будет использовать давление, создаваемое нагревом жидкого водорода в реакторе, для дальнейшего сжатия реакционной массы. По мнению исследователя, это может обеспечить уровень тяги, сравнимый с тягой ЯТП класса NERVA, но с интенсивностью удельного импульса от 1400 до 2000 секунд. В сочетании с циклом ЯТП уровень тяги будет еще больше улучшен.

В идеале, обещает исследователь, такая конструкция может достичь Марса всего за 45 дней и потенциально произвести революцию в освоении человеком дальнего космоса. Такой транзит не только сократит общее время полета, но и значительно снизит основные риски, связанные с полетами на Марс, включая радиационное облучение и время, проведенное в условиях микрогравитации.