Сучасні темпи освоєння космосу різними країнами та програми відправки астронавтів на Місяць та Марс у найближчі роки вимагають нових технологій, починаючи від життєзабезпечення та радіаційного захисту до потужності та руху. І що стосується останнього, то тут ядерні теплові та електричні двигуни (Nuclear Thermal / Nuclear Electric Propulsion, NTP/NEP) є головним претендентом!
Американська та радянська космічні програми десятиліттями досліджували ядерний двигун під час космічної гонки. Кілька років тому NASA відновило свою ядерну програму з метою розробки бімодального ядерного двигуна – двокомпонентної системи, що складається з елементів NTP і NEP, яка могла б забезпечити політ до Марса за 100 днів.
У рамках програми NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts) на 2023 рік NASA вибрало ядерну концепцію для першої фази розробки. Цей новий клас бімодальної ядерної силової установки використовує «цикл хвильового обертання ротора» і може скоротити час перельоту до Марса лише до 45 днів.
Пропозицію під назвою «Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Topping Cycle» було висунуто професором Райаном Госсе, керівником програми Hypersonics в Університеті Флориди та членом команди Флоридських прикладних досліджень в інженерії (FLARE).
Пропозиція Госсе є однією з 14, відібраних у рамках програми NAIC цього року для першої фази розробки, яка включає грант у розмірі 12 500 доларів США на допомогу у вдосконаленні технології та методів. Інші пропозиції включали інноваційні датчики, інструменти, технології виробництва, системи живлення тощо.
Ядерний двигун по суті зводиться до двох концепцій, обидві з яких спираються на технології, які були ретельно перевірені. Для ядерно-теплового двигуна (NTP) цикл складається з ядерного реактора, який нагріває рідкий водень (LH2), перетворюючи його на іонізований водень (плазму), який потім направляється через сопла для створення тяги. Було зроблено кілька спроб випробувати цю силову установку, включно з проектом Rover, спільними зусиллями ВПС США та Комісії з атомної енергії (AEC), який був запущений у 1955 році.
У 1959 році NASA прийняло управління від ВПС США, і програма увійшла в новий етап, присвячений застосуванню космічних польотів. Зрештою це призвело до створення ядерного двигуна для застосування в ракетних транспортних засобах (NERVA), твердоядерного ядерного реактора, який успішно випробували.
Із закриттям ери Аполлона в 1973 році фінансування програми було різко скорочено, що призвело до її скасування до того, коли можна було провести будь-які льотні випробування. Тим часом радянська влада розробила власну концепцію NTP (РД-0410) між 1965 і 1980 роками і провела єдине наземне випробування до скасування програми.
Атомно-електричний двигун (NEP), з іншого боку, покладається на ядерний реактор для забезпечення електроенергією двигуна на ефекті Холла (іонний двигун), який генерує електромагнітне поле, яке іонізує та прискорює інертний газ (наприклад, ксенон) для створення тяги. Спроби розробити цю технологію включають Ініціативу ядерних систем НАСА (NSI). Проект Prometheus (2003-2005). Обидві системи мають значні переваги перед звичайним хімічним двигуном, включаючи вищий показник питомого імпульсу, паливну ефективність і практично необмежену щільність енергії.
Хоча концепції NEP відрізняються тим, що забезпечують більше 10 000 секунд питомого імпульсу, тобто вони можуть підтримувати тягу близько трьох годин, рівень тяги досить низький порівняно зі звичайними ракетами та NTP.
Потреба в джерелі електроенергії, каже Госсе, також піднімає проблему відведення тепла в космосі, де за ідеальних умов перетворення теплової енергії становить 30-40 відсотків.
І хоча конструкції NTP NERVA є кращим методом для місій з екіпажем на Марс і за його межі, цей метод також має певні складнощі.
Ось чому перевага надається пропозиціям, які включають обидва методи руху (бімодальний), оскільки вони поєднують переваги обох. Пропозиція Госсе передбачає бімодальний дизайн на основі реактора NERVA з твердим сердечником, який забезпечував би питомий імпульс, що вдвічі перевищує поточну продуктивність хімічних ракет. «Ця бімодальна конструкція забезпечує швидкий транзит для пілотованих місій (45 днів на Марс) і революціонізує дослідження глибокого космосу та нашої Сонячної системи».
Завдяки звичайним двигунам місія з екіпажем на Марс може тривати до трьох років. Ці місії запускатимуться кожні 26 місяців, коли Земля та Марс максимально зближуються (так зване протистояння Марса), і витрачатимуть у дорозі щонайменше від шести до дев’яти місяців.
Переліт тривалістю 45 днів (шість з половиною тижнів) скоротить загальний час місії до місяців замість років. Це значно зменшить основні ризики, пов’язані з місіями на Марс, включаючи радіаційне опромінення, час перебування в умовах мікрогравітації та пов’язані з цим можливі проблеми зі здоров’ям.
На додаток до двигунів, є пропозиції щодо нових конструкцій реакторів, які б забезпечували стабільне електропостачання для довготривалих наземних місій, де сонячна та вітрова енергія не завжди доступна.
Приклади включають реактор NASA Kilopower з використанням технології Sterling Technology (KRUSTY) і гібридний реактор поділу/ядерного синтезу, обраний для першої фази розробки за результатами вибору НАСА NAIC 2023.
Ці та інші ядерні програми колись дозволять здійснювати місії з екіпажем на Марс та інші місця в глибокому космосі, можливо, раніше, ніж ми думаємо!
