Am intrat într-o nouă eră a zborurilor spațiale? Se fac progrese promițătoare în propulsia rachetelor

Agenția SUA pentru proiecte avansate de cercetare (Darpa) a însărcinat recent trei companii private, Blue Origin, Lockheed Martin și General Atomics, să dezvolte rachete termice cu fisiune nucleară pentru a fi utilizate pe orbita lunară, conform site-ului companiei. O astfel de dezvoltare, dacă ar fi posibilă, ar putea introduce o nouă eră a zborurilor spațiale.

Acestea fiind spuse, este doar una dintre mai multe căi interesante în propulsia rachetelor. Iată câteva altele care probabil vor revoluționa noua etapă a zborurilor spațiale.

Mijloacele standard de propulsie pentru nave spațiale utilizează rachete chimice. Există două tipuri principale: cu combustibil solid (cum ar fi amplificatoarele de rachete solide de pe naveta spațială) și cu combustibil lichid (cum ar fi Saturn V). În ambele cazuri, o reacție chimică este utilizată pentru a produce un gaz foarte fierbinte, foarte presurizat în interiorul unei camere de ardere. Duza motorului asigură singura ieșire pentru acest gaz care, prin urmare, se extinde în afara acestuia, oferind propulsie.

Reacția chimică necesită un combustibil, cum ar fi hidrogen lichid sau aluminiu praf, și un oxidant (un agent care produce reacții chimice), cum ar fi oxigenul. Există multe alte variabile care determină, în cele din urmă, și eficiența unui motor rachetă, iar oamenii de știință și inginerii caută întotdeauna să obțină mai mult impuls și eficiență a consumului de combustibil dintr-un design dat.

Cum vom revoluționa noua eră a zborurilor spațiale

Recent, compania privată SpaceX a efectuat niște teste ale unor zboruri ale prototipului lor Starship. Această versiune folosește un „motor cu ardere completă (FFSC)”, Raptor, care arde metan pentru combustibil și oxigen pentru oxidant. Astfel de modele au fost testate de ruși în anii 1960 și de guvernul SUA în anii 2000, dar până acum niciunul nu a zburat în spațiu. Motoarele sunt mult mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil și pot genera un raport mult mai mare de presiune/greutate decât modelele tradiționale.

Nucleul unui atom este format din particule sub-atomice numite protoni și neutroni. Acestea determină masa unui element – cu cât sunt mai mulți protoni și neutroni, cu atât este mai grea. Unele nuclee atomice sunt instabile și pot fi împărțite în mai multe nuclee mai mici, atunci când sunt bombardate cu neutroni. Acesta este procesul fisiunii nucleare și poate elibera o cantitate enormă de energie. Pe măsură ce nucleii se descompun, aceștia eliberează și mai mulți neutroni care continuă să fisureze mai mulți atomi – producând o reacție în lanț.

Într-o rachetă termică cu fisiune nucleară, un gaz propulsor, cum ar fi hidrogenul, este încălzit prin fisiune nucleară la temperaturi ridicate, creând un gaz cu presiune ridicată în camera reactorului. Ca și în cazul rachetelor chimice, aceasta poate scăpa doar prin duza de rachetă, producând din nou propulsie.

Se dau BANI frumoși pentru așa ceva! Iată ultimul trend la români!

Cu ce să stropești pomii fructiferi în fiecare seară ca să facă fructe mari și gustoase. Cele trei ingrediente banale

Rachetele cu fisiune nucleară nu sunt prevăzute pentru a produce tipul de propulsie necesar pentru a ridica sarcini utile mari de pe suprafața Pământului în spațiu. Odată ajunse în spațiu, ele sunt însă mult mai eficiente decât rachetele chimice – pentru o anumită masă de propulsor, pot accelera o navă spațială la viteze mult mai mari.

Companiile private și agențiile spațiale naționale se angajează să susțină viața oamenilor în spațiu

Rachetele cu fisiune nucleară nu au fost niciodată lansate în spațiu, dar au fost testate la sol. Acestea ar trebui să poată scurta timpul de zbor între Pământ și Marte de la aproximativ șapte luni la aproximativ trei luni, pentru viitoarele misiuni cu echipaj. Cu toate acestea, dezavantajele evidente includ producția de deșeuri radioactive și posibilitatea unei defecțiuni la lansare care ar putea duce la răspândirea materialului radioactiv pe o zonă largă.

O provocare inginerească majoră este miniaturizarea suficientă a unui reactor, astfel încât să se potrivească pe o navă spațială. Există deja o industrie în plină expansiune în producția de reactoare de fisiune compacte, inclusiv dezvoltarea unui reactor de fisiune mai mic decât un om adult.

Un element esențial al ficțiunii științifice, unitățile reale de ion generează particule încărcate (ionizare), le accelerează folosind câmpuri electrice și apoi le trag de la un propulsor. Propulsorul este un gaz precum xenonul, un element destul de greu care poate fi încărcat cu ușurință electric.

Pe măsură ce atomii de xenon încărcați accelerează din propulsor, aceștia transferă o cantitate foarte mică de impuls (produsul masei și vitezei) către nava spațială, oferind o propulsie ușoară. Deși sunt lente, acțiunile cu ioni sunt printre cele mai eficiente din punctul de vedere al consumului de combustibil dintre toate metodele de propulsie ale navelor spațiale, deci ne-ar putea duce mai departe. Unitățile de ionizare sunt utilizate în mod obișnuit pentru controlul schimbării direcției cu care se îndreaptă o navă spațială.

Rachete mai eficiente, timp de călătorie mai scurt

Motoarele cu ioni actuale sunt alimentate de celule solare, făcându-le în mod eficient alimentate cu energie solară și necesită foarte puțină propulsie. Au fost folosite în misiunea SMART-1 a lui Esa pe Lună și în misiunea Bepi-Colombo pe ruta Mercur. NASA dezvoltă în prezent un sistem de propulsie electrică de mare putere pentru Poarta Lunară, un avanpost care va orbita Luna.

Câștigul de viteză va depinde, de asemenea, de cât de departe ești de Soare. Pe Pământ, puterea primită de la lumina soarelui este de aproximativ 1,3 kW pe metru pătrat. Dacă am avea o navă de mărimea unui teren de fotbal, aceasta ar echivala cu 9,3 MW, oferind o accelerație foarte mică, chiar și cu un obiect cu masă redusă.

O modalitate de îmbunătățire a eficienței și de reducere a dimensiunii navelor este utilizarea unui laser pentru a propulsa nava spațială înainte. Acesta ar produce fascicule foarte intense de fotoni care pot fi direcționați pe o velă pentru a oferi o accelerație mult mai mare. Laserele au fost, de asemenea, propuse ca un mijloc de îndepărtare a gunoiului spațial.

Dezvoltarea rachetelor cu fisiune nucleară îi poate încânta pe unii, dar îi poate preocupa pe alții. Cu toate acestea, pe măsură ce companiile private și agențiile spațiale naționale se angajează din ce în ce mai mult pentru o prezență umană susținută în spațiu, aceste mijloace alternative de propulsie vor deveni mai obișnuite și vor avea potențialul de a revoluționa noua noastră civilizație spațială și de a intra într-o nouă epocă a zborurilor spațiale.