NASA i DARPA podpisały niedawno umowę, aby wspólnie opracować i zademonstrować rakietę z napędem jądrowym. Dzięki tej technologii rakieta będzie w stanie dolecieć na Marsa w zaledwie 45 dni, co jest znacznie szybsze niż dotychczasowe misje kosmiczne. Do tej pory najkrótsza taka podróż zajmowała co najmniej pół roku.

Napęd jądrowy to rodzaj technologii, która polega na wykorzystaniu energii jądrowej do napędzania rakiet. W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów napędowych, które wykorzystują paliwo chemiczne, napęd jądrowy umożliwia rakiecie długotrwałe i wydajne działanie. W tym przypadku, energia jądrowa jest uzyskiwana poprzez reakcję termojądrową, w której atom jest rozszczepiany na mniejsze cząstki, co powoduje wytworzenie ogromnej ilości energii. Bardziej szczegółowo o napędzie jądrowym będziecie mogli przeczytać w dalszej części artykułu.

Obecna współpraca NASA i DARPA ma na celu opracowanie i zademonstrowanie tej nowej technologii w ciągu najbliższych czterech do pięciu lat.

Opracowanie tej technologii będzie miało ogromne znaczenie dla przyszłych misji kosmicznych, ponieważ pozwoli na znacznie szybsze i bardziej efektywne przemieszczanie się w obrębie naszego Układu Słonecznego. NASA i DARPA są gotowe, aby zrealizować swoje ambicje i wprowadzić ludzkość w nowy wiek kosmicznych podróży dzięki swojemu wspólnemu projektowi DRACO – Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations.

 

rakietajadrowa Wizja artystyczna rakiety o napędzie jądrowym

Obecnie to w głównej mierze Stany Zjednoczone i Chiny rywalizują o to, kto pierwszy dotrze na Czerwoną Planetę. Aby to zrobić, trzeba jednak wyposażyć się w odpowiednie systemy podtrzymywania życia i opracować napęd, który pozwoli na dotarcie na Marsa w jak najkrótszym czasie. Skrócenie podróży z kilku miesięcy do zaledwie 45 dni byłoby ogromnym ułatwieniem, byłyby też znacznie bezpieczniejsze dla astronautów. I tutaj właśnie wkracza na scenę koncepcja jądrowego napędu termicznego. NASA umieściła już ten projekt w swoim programie Innovative Advanced Concepts na 2023 rok.

Koncepcja napędu jądrowego nie jest niczym nowym, już w czasach zimnej wojny NASA i ZSRR badały jej możliwości.

Silniki rakietowe działają wykorzystując zasady dynamiki Netwona. Trzecia zasada dynamiki mówi nam, że „jeśli ciało A działa na ciało B pewną siłą, to ciało B działa na ciało A siłą o takiej samej wartości, takim samym kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie”. Jeśli więc chcemy, aby rakieta była pchana do przodu z pewną okresloną siłą, należy z taką samą siłą wyrzucić coś do tyłu. Z kolei Druga zasada dynamiki Newtona mówi, że siła jest równa iloczynowi masy i przyspieszenia. Ujmując to najprościej jak się da, im bardziej rozpędzimy spaliny wyrzucane z tyłu rakiety tym szybciej będzie mogła polecieć.

Klasyczny silnik rakietowy napędzany jest mieszanką paliwa składającą się najczęściej z materiału pędnego w postaci wodoru lub węglowodoru oraz utleniacza, zazwyczaj ciekłego tlenu. Zawarta w mieszance energia chemiczna wyzwalana jest w komorze silnika podczas spalania w bardzo wysokich temperaturach i ulega gwałtownemu rozprężaniu spalin przez dyszę silnika.

 

nerwa Schemat silnika z projektu NERVA z lat 70-tych

Jeśli zaś chodzi, o silnik jądrowy to posiada on oddzielne źródło energii – reaktor jądrowy.  Jest to silnik, w którym ciepło z reakcji jądrowej zastępuje energię chemiczną paliwa w rakiecie z klasycznym silnikiem rakietowym. Materiał pędny nie wchodzi więc w bezpośredni kontakt z paliwem jądrowym.

Zbiorniki zawierają wyłącznie materiał pędny – najczęściej jest to ciekły wodór. Energia termiczna z reaktora przekazywana jest do materiału pędnego, który przepuszczany jest przez system przewodów przechodzących przez rdzeń. Rozgrzany do bardzo wysokich temperatur w reaktorze jądrowym  wodór jest  następnie rozprężany przez dyszę,  aby wytworzyć ciąg, tak jak ma to miejsce w przypadku klasycznego silnika rakietowego.

Ze względu na bardzo niską masę atomową wodoru silnik jądrowy jest o wiele efektywniejszy niż klasyczny silnik chemiczny. Prędkość wylotowa wodoru jest około dwukrotnie większa od standardowej mieszanki. Co przekłada się na możliwość osiągnięcia o wiele większych prędkości niż obecnie.

Istnieje kilka rodzajów silników jądrowych: 

Najprostsze są te, które podgrzewają wodór przy pomocy reaktora, a następnie wyrzucają ekstremalnie podgrzany gaz do tyłu tworząc ciąg. Inny rodzaj to silniki nuklearno-elektryczne, te z kolei wykorzystują reaktor jądrowy do produkcji energii elektrycznej zasilającej napęd elektryczny oraz możliwy, póki co jedynie w teorii jest Nuklearny silnik impulsowy, który wyrzuca do tyłu bomby jądrowe i przyspieszany jest przez fale uderzeniowe powstałe w wyniku kolejnych wybuchów.