NASA are planuri mari pentru Marte: cum vrea să micșoreze călătoria la doar 45 de zile

Trăim într-o eră a explorării spațiale reînnoite, în care mai multe agenții plănuiesc să trimită astronauți pe Lună în următorii ani.

Aceasta va fi urmată în următorul deceniu de misiuni cu echipaj pe Marte ale NASA și China, cărora li s-ar putea alătura și alte națiuni în curând.

Acestea și alte misiuni care vor duce astronauții dincolo de Orbita Pământului Inferioară (LEO) și sistemul Pământ-Lună necesită tehnologii noi, de la susținerea vieții și protecția împotriva radiațiilor până la putere și propulsie.

Și când vine vorba de acesta din urmă, propulsia nucleară termică și electrică nucleară (NTP/NEP) este un concurent de top!

NASA și programul spațial sovietic au petrecut zeci de ani cercetând propulsia nucleară în timpul Cursei Spațiale.

În urmă cu câțiva ani, NASA și-a reaprins programul nuclear în scopul dezvoltării propulsiei nucleare bimodale – un sistem din două părți constând dintr-un element NTP și NEP – care ar putea permite tranzitele către Marte în 100 de zile.

Ca parte a programului NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) pentru 2023, NASA a selectat un concept nuclear pentru faza I de dezvoltare. Această nouă clasă de sisteme de propulsie nucleară bimodală folosește un „ciclu de vârf al rotorului de undă” și ar putea reduce timpii de tranzit către Marte la doar 45 de zile.

O propunere SF

Propunerea, intitulată „Bimodal NTP/NEP cu un ciclu de acoperire a rotorului cu val”, a fost înaintată de prof. Ryan Gosse, directorul zonei de program Hypersonics la Universitatea din Florida și membru al echipei de cercetare aplicată în inginerie din Florida (FLARE).

Propunerea lui Gosse este una dintre cele 14 selectate de NAIC în acest an pentru Faza I de dezvoltare, care include o subvenție de 12.500 USD pentru a ajuta la maturizarea tehnologiei și metodelor implicate. Alte propuneri au inclus senzori inovatori, instrumente, tehnici de fabricație, sisteme de alimentare și multe altele.

Propulsia nucleară se rezumă în esență la două concepte, ambele se bazează pe tehnologii care au fost testate și validate temeinic.

Pentru propulsia nuclearo-termică (NTP), ciclul constă într-un reactor nuclear care încălzit combustibil lichid de hidrogen (LH2), transformându-l în hidrogen gazos ionizat (plasmă) care este apoi canalizat prin duze pentru a genera forță.

Au fost făcute mai multe încercări de a testa acest sistem de propulsie, inclusiv Proiectul Rover, un efort de colaborare între Forțele Aeriene ale SUA și Comisia pentru Energie Atomică (AEC), lansat în 1955.

În 1959, NASA a preluat de la USAF, iar programul a intrat într-o nouă fază dedicată aplicațiilor de zboruri spațiale. Acest lucru a condus în cele din urmă la Motorul nuclear pentru aplicarea vehiculelor rachete (NERVA), un reactor nuclear cu miez solid care a fost testat cu succes.

Odată cu închiderea erei Apollo în 1973, finanțarea programului a fost redusă drastic, ducând la anularea acestuia înainte de a putea fi efectuate teste de zbor. Între timp, sovieticii și-au dezvoltat propriul concept NTP (RD-0410) între 1965 și 1980 și au efectuat un singur test la sol înainte de anularea programului.

Propulsia nuclearo-electrică (NEP), pe de altă parte, se bazează pe un reactor nuclear pentru a furniza energie electrică unui propulsor cu efect Hall (motor ionic), care generează un câmp electromagnetic care ionizează și accelerează un gaz inert (cum ar fi xenonul) pentru a crea împingere. Încercările de a dezvolta această tehnologie includ Proiectul Prometheus (2003-2005) al NASA, Inițiativa Sistemelor Nucleare (NSI).

Ambele sisteme au avantaje considerabile față de propulsia chimică convențională, inclusiv un impuls specific mai mare (ISp), eficiența consumului de combustibil și o densitate de energie practic nelimitată.

În timp ce conceptele NEP se disting pentru a furniza mai mult de 10.000 de secunde de ISP, ceea ce înseamnă că pot menține tracțiunea timp de aproape trei ore, nivelul de tracțiune este destul de scăzut în comparație cu rachetele convenționale și NTP.

Necesitatea unei surse de energie electrică, spune Gosse, ridică și problema respingerii căldurii în spațiu – unde conversia energiei termice este de 30-40% în circumstanțe ideale.

Și în timp ce modelele NTP NERVA sunt metoda preferată pentru misiunile cu echipaj pe Marte și nu numai, această metodă are, de asemenea, probleme în furnizarea de fracțiuni de masă inițiale și finale adecvate pentru misiunile cu delta-v ridicate.

Un drum mult mai „scurt”

Acesta este motivul pentru care sunt favorizate propunerile care includ ambele metode de propulsie (bimodale), întrucât ar combina avantajele ambelor. Propunerea lui Gosse cere un design bimodal bazat pe un reactor NERVA cu miez solid, care ar oferi un impuls specific (Isp) de 900 de secunde, de două ori mai mare decât performanța actuală a rachetelor chimice.

Ciclul propus de Gosse include, de asemenea, un compresor cu undă de presiune – sau Wave Rotor (WR) – o tehnologie folosită în motoarele cu ardere internă care valorifică undele de presiune produse de reacțiile de comprimare a aerului de admisie.

Când este asociat cu un motor NTP, WR ar folosi presiunea creată de încălzirea combustibilului LH2 de către reactor pentru a comprima în continuare masa de reacție. După cum promite Gosse, aceasta va oferi niveluri de propulsie comparabile cu cele ale unui concept NTP de clasă NERVA, dar cu un ISP de 1400-2000 de secunde. Când sunt asociate cu un ciclu NEP, a spus Gosse, nivelurile de tracțiune sunt îmbunătățite și mai mult:

„Cuplat cu un ciclu NEP, ciclul de lucru Isp poate mai mult (1.800-4.000 secunde) cu adăugare minimă de masă uscată. Acest design bimodal permite tranzitul rapid pentru misiunile cu echipaj uman (45 de zile până la Marte) și revoluționează explorarea spațiului adânc a Sistemului nostru Solar.”

Pe baza tehnologiei convenționale de propulsie, o misiune cu echipaj pe Marte ar putea dura până la trei ani. Aceste misiuni s-ar lansa la fiecare 26 de luni atunci când Pământul și Marte se află la cel mai apropiat punct (alias o opoziție a lui Marte) și ar petrece cel puțin șase până la nouă luni în tranzit.

Un tranzit de 45 de zile (șase săptămâni și jumătate) ar reduce timpul total al misiunii la luni în loc de ani. Acest lucru ar reduce semnificativ riscurile majore asociate cu misiunile pe Marte, inclusiv expunerea la radiații, timpul petrecut în microgravitație și problemele legate de sănătate.

Pe lângă propulsie, există propuneri pentru noi modele de reactoare care ar oferi o sursă de energie constantă pentru misiunile de suprafață de lungă durată, unde energia solară și eoliană nu sunt întotdeauna disponibile.

Exemplele includ reactorul Kilopower al NASA cu tehnologia Sterling (KRUSTY) și reactorul hibrid de fisiune/fuziune selectat pentru dezvoltarea fazei I de selecția NAIC 2023 de la NASA.