Ми живемо в епоху відновлення космосу, коли кілька агентств планують відправити астронавтів на Місяць у найближчі роки. За цим у наступне десятиліття відбудуться місії на Марс з екіпажем НАСА та Китаю, до яких незабаром можуть приєднатися інші країни. Ці та інші місії, які виведуть астронавтів за межі низької навколоземної орбіти (LEO) і системи Земля-Місяць, вимагають нових технологій, починаючи від життєзабезпечення та радіаційного захисту до потужності та руху.

І коли справа доходить до останнього, ядерний теплові та ядерні електричні двигуни (NTP/NEP) є головним! NASA та радянська космічна програма десятиліттями досліджували ядерний двигун під час космічні перегони. 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 транзит до Марса за 100 днів.

У рамках програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 рік NASA вибрало ядерну концепцію для першої фази розробки. Цей новий клас бімодальних ядерних силових установок використовує «цикл обертання хвильового ротора» і може скоротити час транзиту до Марса лише до 45 днів.

Пропозицію під назвою «Бімодальний NTP/NEP із циклом закриття хвильового ротора » висунув професор Райан Госсе, керівник програми Hypersonics в Університеті Флориди та член команди Флоридських прикладних досліджень в інженерії (FLARE). Пропозиція Ґоссе є однією з 14, відібраних 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 та 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 проєктом 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, як можна було провести будь-які льотні випробування. Тим часом радянська влада розробила власну концепцію NTP (RD-0410) між 1965 і 1980 роками та 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 тяга. Спроби розробити цю технологію включають проєкт Прометей Ініціативи ядерних систем НАСА (NSI) (2003-2005).

Обидві системи мають значні переваги перед звичайним хімічним двигуном, включаючи вищий показник питомого імпульсу (Isp), паливну ефективність і практично необмежену щільність енергії. Хоча концепції NEP відрізняються тим, що забезпечують більше ніж 10 000 секунд Isp, 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 підіймати 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 проблеми із забезпеченням відповідних початкових і кінцевих масових часток для місій з високим дельта-v.

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 (Isp) 900 секунд, що вдвічі перевищує поточну продуктивність хімічних ракет.

Запропонований Госсе цикл також включає хвильовий нагнітач тиску – або хвильовий ротор (WR) – технологію, що використовується у двигунах внутрішнього згоряння, яка використовує хвилі тиску, створювані реакціями, для стиснення всмоктуваного повітря.

У парі з двигуном NTP WR використовуватиме тиск, створюваний нагріванням палива LH2 у реакторі, для подальшого стиснення реакційної маси. Як обіцяє Госсе, це забезпечить рівень тяги, порівнянний з концептом NTP класу NERVA, але з Isp 1400-2000 секунд. У поєднанні з циклом NEP, сказав Госсе, рівні тяги підвищуються ще більше:

«У поєднанні з циклом NEP робочий цикл Isp можна додатково збільшити (1800-4000 секунд) з мінімальним додаванням сухої маси. Ця бімодальна конструкція забезпечує швидкий транзит для пілотованих місій (45 днів на Марс) і революціонізує дослідження далекого космосу. 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 (він же протистояння Марса), і витрачатимуть у дорозі щонайменше від шести до дев’яти місяців.

Транзит тривалістю 45 днів 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 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!