Reaktor na orbicie
Stany Zjednoczone były niegdyś niekwestionowanym liderem technologii kosmicznej. W latach 60. stworzyły np. projekt Orion, koncepcję budowy rakiet napędzanych pulsami eksplozji jądrowych, tak potężnych, że pozwalających na przenoszenie w przestrzeń pozaziemską całych miast, a nawet na podjęcie załogowej misji na Alfa Centauri.
W następnej dekadzie wszystkie te fantastyczne programy zostały jednak odłożone na półkę i leżały tam całe lata. Wreszcie nadszedł czas na odkurzenie starej koncepcji jądrowego napędu w kosmosie - głównie dlatego, że konkurencja, czyli przede wszystkim Rosja, ostatnio mocno zainteresowała się tą technologią.
Marzenie von Brauna
Rakiety jądrowo-termiczne, bo obecnie o takich projektach najczęściej się mówi, zdecydowanie przyspieszałyby podróż np. na Marsa, ale nie są techniką pozbawioną ryzyka. Już w 1961 r. NASA i Komisja Energii Atomowej pracowały wspólnie nad pomysłem jądrowego napędu termicznego, czyli NTP.
Inicjatorem tych badań był słynny Wernher von Braun, eks-nazista służący III Rzeszy, a potem pracujący dla Amerykanów, który miał wówczas nadzieję, że misje załogowe będą latać na Marsa za pomocą tej techniki już w latach 80. XX wieku.
Rakieta chemiczna działa na zasadzie spalania łatwopalnej substancji chemicznej, a następnie wypchnięcia spalin z dyszy. Dzięki trzeciemu prawu Newtona, dla każdej akcji pojawia się taka sama, skierowana w przeciwnym kierunku, reakcja. Rakieta otrzymuje więc ciąg skierowany przeciwnie do strumienia wyrzucanych gazów.
Rakieta atomowa działa w podobny sposób, tylko z zastosowaniem innych składników. Paliwo uranowe ulega w niej rozszczepieniu, uwalniając ogromną ilość ciepła. Podgrzewa wodór do prawie 2500°C. Ten jest następnie wyrzucany z dyszy rakiety ze spotęgowaną prędkością, zapewniając od dwóch do trzech razy większą wydajność napędu niż model chemiczny.
Zastosowanie jądrowej rakiety termicznej pozwoliłoby na skrócenie czasu przelotu na Marsa o połowę - być może nawet do stu dni, co oznacza mniej zasobów zużywanych przez astronautów i mniejsze obciążenie załogi promieniowaniem.
Jest jeszcze jedna wielka korzyść. Rakieta atomowa mogłaby umożliwić start misji w czasie, gdy Ziemia i Mars nie są w idealnej pozycji wobec siebie. Nie trzeba byłoby czekać dwa lata na kolejne "okienko".
Wspomniane ryzyko związane z sięgnięciem po taką technologię polega m.in. na tym, że reaktor na pokładzie byłby dodatkowym źródłem promieniowania w sytuacji, gdy przestrzeń kosmiczna już i tak niesie ogromne zagrożenie podobnego rodzaju. To nie wszystko. Silnik jądrowo termiczny nie może zostać odpalony w atmosferze ziemskiej, ze względu na obawę przed możliwą eksplozją i skażeniem. Do startu przewiduje się zatem zwykłe rakiety, przez co nie omijamy najkosztowniejszego etapu, związanego z wynoszeniem mas na orbitę z Ziemi.
Pierwsze testy rakiet jądrowych miały miejsce w 1955 r., wraz z inicjacją w Laboratorium Naukowym Los Alamos projektu Rover. W ciągu kilku lat inżynierowie zbudowali i przetestowali ponad tuzin reaktorów o różnej wielkości i mocy. NASA postawiła sobie wtedy za cel misje załogowe na Marsa (zobacz także: Znudziła ci się Ziemia? Zapraszamy na Marsa).
Pod koniec lat 60. amerykańska agencja uruchomiła kolejny program - NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), rozwijając technologie mające urzeczywistnić konstrukcję rakiety jądrowej (2), która zabierze ludzi na Marsa.
Napędy jądrowe testowano wówczas na pustyni w Nevadzie. Pierwsza wersja, NERVA NRX, została ostatecznie uruchomiona na prawie dwie godziny, a przy pełnej mocy - na 28 minut. W ramach programu przetestowano także najpotężniejszy reaktor jądrowy, jaki kiedykolwiek zbudowano, Phoebus-2A, zdolny do wytworzenia 4 tys. MW mocy przez 12 minut. Chociaż poszczególne podzespoły nigdy nie zostały zmontowane w formę rakiety gotowej do lotu, inżynierowie byli zadowoleni z efektów testów.
Wkrótce jednak polityczno-ekonomiczny wiatr powiał w USA w inną stronę i zamiast wyprawy na Marsa podjęto program budowy wahadłowców kosmicznych. Program rozwoju napędu jądrowego został zamknięty w 1973 r.
Nie tylko presja konkurencji, ale także postępy technologiczne czynią dziś jądrowy napęd termiczny bardziej atrakcyjnym niż kiedyś. W latach 60. jedynym źródłem paliwa, z którego można by korzystać, był wysoko wzbogacony uran (zobacz także: Rodzaje paliw płynnych). Teraz inżynierowie uważają, że są sobie w stanie poradzić z uranem nisko wzbogaconym. Byłoby to bezpieczniejsze w pracy i pozwoliłoby na przeprowadzenie większej liczby testów obiektów rakietowych. Łatwiej byłoby również wychwycić radioaktywne cząsteczki w spalinach i je usunąć, a ogólne koszty pracy z tą technologią uległyby zmniejszeniu.
Nowe impulsy w tym kierunku mogą przyspieszyć budowę rakiety jądrowej. Warto jednak wiedzieć, że NASA nigdy na dobrą sprawę nie porzuciła zainteresowania tego rodzaju napędem. Dowodzi tego prowadzony od lat projekt badawczy agencji, nazywany NTREES (Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator). Kierujący nim William Emrich i jego zespół wykorzystują dużą komorę symulatora do badania reakcji materiałów na ekstremalne ciepło bez ponoszenia kosztów i ryzyka związanego z działaniem pełnego silnika jądrowego (3), jak to miało miejsce w latach 60.
W 2017 r., zanim zaczęto głośno mówić o konieczności powrotu do tej technologii, NASA przyznała firmie BWX Technologies trzyletni kontrakt o wartości 19 mln dolarów na opracowanie komponentów paliwowych i reaktorów niezbędnych do budowy silnika jądrowego.
Wcześniej, w latach 1987-1991, prowadzono z kolei projekt Timberwind - niejako dalszy ciąg prac nad systemem NERVA, ale z wykorzystaniem znacznie lżejszych i wydajniejszych konstrukcji. Później m.in. działał program Prometeusz, czyli rozpoczęty przez NASA w 2003 r. program badawczy, mający na celu opracowanie technologii nuklearnego zasilania i napędów wysokiej mocy. Był to pierwszy projekt zajmujący się wykorzystaniem energii nuklearnej do napędu sond kosmicznych NASA, po anulowaniu w latach 70. programu NERVA. Program Prometeusz skasowano w 2005 r., jego koszt wyniósł 464 miliony dolarów, zaś na rok fiskalny 2006 przeznaczono kolejne 100 mln dolarów, z czego 90 na koszty anulowania zawartych już kontraktów.
Jednym z nowszych konceptów kosmicznego napędu nuklearnego NASA jest Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor (SPEAR), który ma wykorzystywać nowy, lekki moderator reaktora i zaawansowane generatory termoelektryczne (ATEG) w celu znacznego zmniejszenia ogólnej masy rdzenia. Będzie to wymagało obniżenia temperatury pracy i całkowitego poziomu mocy osiąganego przez rdzeń. Zredukowana masa przełoży się na mniejszą moc napędową, co w efekcie ma doprowadzić do powstania małego, niedrogiego, elektrycznego statku kosmicznego o napędzie jądrowym.
Celem tych wszystkich działań będzie zaprojektowanie takiego statku kosmicznego, który utrzyma ogólne koszty na bardzo niskim poziomie i umożliwi przeprowadzenie szeregu misji w głębokim kosmosie.
Warunkiem jest utrzymanie masy i wolumenu na tyle niskiego, aby obiekt mógł zostać wystrzelony komercyjnie przez rakietę Minotaur IV, oraz wykorzystanie nisko wzbogaconego uranu. Obecne szacunki dla tej klasy misji przewidują, że ma ona zachować zdolność dostarczenia minimum dziesięciu małych satelitów badawczych (cubesat) o masie 7 kg każdy na orbitę księżyca Jowisza, Europy, na pokładzie statku o łącznej masie 1100 kg i długości 4 m, co odpowiada wymogom komercyjnych pojazdów nośnych.
Co ciekawe, historia napędu nuklearnego pełna jest znacznie bardziej śmiałych, nigdy nie zmaterializowanych koncepcji, takich jak fuzyjne silniki strumieniowe Bussard Ramjet, czyli konceptualny międzygwiezdny ramjet fuzyjny, nazwany na cześć Roberta W. Bussarda, jądrowe rakiety fotonowe czy nawet żagle z zasilaniem nuklearnym.
Póki co, Anatolij Perminow, były szef Rosyjskiej Federalnej Agencji Kosmicznej, zapowiada, że opracuje napędzany energią jądrową statek kosmiczny do podróży w głąb kosmosu, proponując własne, oryginalne podejście. Wstępny projekt wykonano do 2013 r., a na rozwój zaplanowano kolejne dziewięć lat. System ten ma być połączeniem nuklearnej generacji energii z silnikiem jonowym.
Gorący gaz o temperaturze 1500°C z reaktora ma obracać turbiny, obracające generator wytwarzający energię elektryczną dla silnika jonowego. Według Perminowa, napęd będzie w stanie wesprzeć ludzką misję na Marsa, a dzięki energii jądrowej kosmonauci mogliby pozostać na Czerwonej Planecie przez trzydzieści dni. Łącznie podróż na Marsa z napędem jądrowym i stałym przyspieszeniem trwałaby zaledwie sześć tygodni, zamiast ośmiu miesięcy, zakładając ciąg trzysta razy większy niż w przypadku napędu chemicznego.
Tymczasem jednak w sierpniu 2019 r. w rosyjskim Sarowie nad Morzem Białym doszło do intrygującej eksplozji - prawdopodobnie reaktora będącego częścią silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Czy katastrofa ta ma związek z opisywanym wyżej rosyjskim programem badawczym nad napędem jądrowym?
Napęd fuzyjny jeszcze szybszy
Na horyzoncie pojawia się wykorzystanie w napędach syntezy nuklearnej.
To też nie tak nowa koncepcja, bo we wspomnianym projekcie Orion również brano pod uwagę eksplozje termojądrowe, a nie tylko zwykłe jądrowe. Kilka lat temu Boeing opatentował napęd termonuklearny, także do rakiet, lecz nic nie wiadomo o tym, czy powstały jakiekolwiek prototypy.
Być może nie musimy czekać dziesięcioleci na "napęd fuzyjny". Od pewnego czasu grupa badawcza z Princeton Plasma Physics Laboratory (4) pracuje nad koncepcją zwaną Direct Fusion Drive. Pomysł jest oparty na reaktorze syntezy jądrowej Princeton Field-Reversed Configuration, opracowanym w 2002 r. przez Samuela Cohena. Gorąca plazma helu-3 i deuteru znajduje się tu w pułapce magnetycznej podobnie jak w tokamakach. Tak jak w przypadku rakiety rozszczepialnej, rakieta termojądrowa ma podgrzewać paliwo do wysokich temperatur, a następnie wystrzeliwać je do dyszy, wytwarzając ciąg.
Badacze sądzą, że bezpośredni napęd oparty na syntezie jądrowej byłby w stanie przenieść 10-tonową misję na Saturna w ciągu zaledwie dwóch lat lub 1-tonowy statek kosmiczny z Ziemi do Plutona w ciągu ok. czterech lat. Ponieważ byłby to również jednomegawatowy reaktor termojądrowy, zapewniłby moc dla wszystkich instrumentów statku kosmicznego po jego przybyciu na wyznaczone miejsce - i to znacznie większą niż baterie jądrowe przewożone obecnie przez głębokie misje kosmiczne, takie jak Voyager i New Horizons.
Tam, gdzie Słońce nie dociera
W ramach postępów eksploracji kosmosu dość dobrze radzimy sobie już z systemami jądrowymi w małej skali, które zasilają bezzałogowe statki kosmiczne w misjach do odległych planet.
1 stycznia 2019 r. sonda New Horizons z zasilaniem jądrowym przeleciała obok najdalszego obiektu, jaki kiedykolwiek zaobserwowano z bliska - planetoidy Ultima Thule, daleko poza Plutonem, w regionie zwanym pasem Kuipera, na rubieżach Układu Słonecznego. Żaden ziemski statek kosmiczny nie mógłby tego obecnie zrobić bez energii jądrowej. Energia słoneczna nie działa za bardzo poza orbitą Marsa. Źródła chemiczne nie starczają na długo, ponieważ ich gęstość energii jest zbyt niska, a ich waga jest wygórowana podczas długich misji.
Inny typ wielozadaniowego reaktora do zasilania, MMRTG, wykorzystuje laboratorium MSL na Marsie, czyli łazik Curiosity (5).
W używanych w dalekich misjach generatorach radiotermalnych (RTG) wykorzystywany jest izotop plutonu 238Pu. Doskonale się sprawdza, emitując stałe ciepło z naturalnego rozpadu radioaktywnego przez emisję cząsteczek alfa, które następnie przekształcane są w energię elektryczną. Jego 88-letni okres połowicznego rozpadu oznacza, że misje mogą być długotrwałe. Jednak RTG nie są w stanie osiągnąć wysokiej gęstości mocy potrzebnej w dużych misjach i masywniejszych statkach, nie mówiąc już o pozaziemskich bazach.
Rozwiązaniem np. dla obecności badawczej i - kto wie - może nawet osiedleńczej misji na Marsie czy na Księżycu, mogą być konstrukcje niewielkich reaktorów testowanych od kilku lat przez NASA (6). Urządzenia te, znane pod nazwą Kilopower, są zaprojektowane tak, aby dostarczać od 1 do 10 kW energii elektrycznej i dawać się konfigurować w skoordynowanych modułach do zasilania układów napędowych lub do wspierania ludzkich poszukiwań, wydobycia lub tworzenia kolonii na obcych ciałach kosmicznych.
Masa, jak wiadomo, ma w kosmosie znaczenie. Reaktor Kilopower nie powinien przekraczać wagi przeciętnego samochodu. Z niedawnego pokazu z udziałem rakiety Falcon Heavy firmy SpaceX wiemy już, że wystrzelenie samochodu w kosmos nie stanowi obecnie problemu technicznego. Zatem lekkie reaktory da się przenieść na orbitę wokół Ziemi i dalej.
Amerykanie myślą o nich także w innym zastosowaniu. W sierpniu 2019 r., podczas szóstego posiedzenia Narodowej Rady Kosmicznej USA, administrator NASA Jim Bridenstine powtórzył opisane wyżej zalety jądrowego napędu termicznego, dodając, że więcej mocy na orbicie może potencjalnie pozwolić okrążającym Ziemię statkom skutecznie robić uniki w wypadku ataku broni antysatelitarnej.
Reaktory na orbicie mogłyby również zasilać wojskowe lasery o dużej mocy, co również okazuje się bardzo interesujące dla amerykańskich władz.
Zanim jednak jądrowy silnik rakietowy wzbije się w swój pierwszy lot, NASA musi zmienić własne przepisy dotyczące wprowadzania materiałów jądrowych do przestrzeni kosmicznej. Jeśli to się uda, wówczas zgodnie z planem agencji pierwsza pozaziemska eskapada z udziałem silnika jądrowego odbędzie się w 2024 r. Zbiega się to z terminem powrotu amerykańskich astronautów na Księżyc.
Być może tym razem wyruszą na przejażdżkę rakietą atomową?
Mirosław Usidus
