Het zonnestelsel is echt een grote plaats en het duurt een eeuwigheid om van de wereld naar de wereld te reizen met traditionele chemische raketten. Maar één techniek, ontwikkeld in de jaren zestig, zou een manier kunnen zijn om onze reistijden drastisch te verkorten: nucleaire raketten.
Natuurlijk heeft het lanceren van een raket aangedreven door radioactief materiaal ook zijn eigen risico's. Moeten we het proberen?
Stel dat u Mars wilt bezoeken met een chemische raket. Je zou van de aarde wegschieten en in een lage baan om de aarde gaan. Dan, op het juiste moment, zou je je raket afvuren en je baan om de zon verhogen. Het nieuwe elliptische traject dat u volgt, kruist zich na acht maanden vliegen met Mars.
Dit staat bekend als Hohmann-overdracht en het is de meest efficiënte manier waarop we weten hoe we in de ruimte moeten reizen, met de minste hoeveelheid drijfgas en de grootste hoeveelheid lading. Het probleem is natuurlijk de tijd die het kost. Tijdens de reis zullen astronauten voedsel, water en lucht consumeren en worden blootgesteld aan de langdurige straling van de verre ruimte. Dan verdubbelt een terugkeermissie de behoefte aan middelen en verdubbelt de stralingsbelasting.
We moeten sneller gaan.
Het blijkt dat NASA al bijna 50 jaar nadenkt over wat er na chemische raketten komt.
Nucleaire thermische raketten. Ze versnellen de reis zeker, maar ze zijn niet zonder hun eigen risico's, daarom heb je ze niet gezien. Maar misschien is hun tijd hier.
In 1961 werkten NASA en de Commissie voor Atoomenergie samen aan het idee van nucleaire thermische voortstuwing of NTP. Dit werd ontwikkeld door Werner von Braun, die hoopte dat menselijke missies in de jaren tachtig naar Mars zouden vliegen, op de vleugels van nucleaire raketten.
Nou dat is niet gebeurd. Maar ze voerden wel een aantal succesvolle tests uit van nucleaire thermische voortstuwing en toonden aan dat het werkt.
Terwijl een chemische raket werkt door een soort ontvlambare chemische stof te ontsteken en vervolgens de uitlaatgassen uit een mondstuk te duwen. Dankzij de oude wet van Newton, weet je, voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie, de raket krijgt een stuwkracht in de tegenovergestelde richting van de uitgestoten gassen.
Een atoomraket werkt op een vergelijkbare manier. Een knikkerbal van uraniumbrandstof ondergaat het splijtingsproces, waarbij een enorme hoeveelheid warmte vrijkomt. Dit verhit een waterstof tot bijna 2500 C die vervolgens met hoge snelheid uit de achterkant van de raket wordt uitgestoten. Zeer hoge snelheid, wat de raket twee tot drie keer de voortstuwingsefficiëntie van een chemische raket geeft.
Herinner je je nog de 8 maanden die ik noemde voor een chemische raket? Een nucleaire thermische raket zou de transittijd kunnen halveren, misschien wel 100 dagtochten naar Mars. Dat betekent dat de astronauten minder middelen verbruiken en een lagere stralingsbelasting.
En er is nog een groot voordeel. De stuwkracht van een nucleaire raket kan missies mogelijk maken wanneer de aarde en Mars niet perfect op elkaar zijn afgestemd. Als je nu je raam mist, moet je nog twee jaar wachten, maar een nucleaire raket kan je de stuwkracht geven om vluchtvertragingen aan te pakken.
De eerste tests van nucleaire raketten begonnen in 1955 met Project Rover in het Los Alamos Scientific Laboratory. De belangrijkste ontwikkeling was het voldoende verkleinen van de reactoren om ze op een raket te kunnen zetten. In de komende jaren bouwden en testten ingenieurs meer dan een dozijn reactoren van verschillende groottes en vermogensoutputs.
Met het succes van Project Rover richtte NASA zijn blik op de menselijke missies naar Mars die de Apollo-landers op de maan zouden volgen. Vanwege de afstand en vliegtijd besloten ze dat nucleaire raketten de sleutel zouden zijn om de missies capabeler te maken.
Kernraketten zijn natuurlijk niet zonder hun risico's. Een reactor aan boord zou een kleine stralingsbron zijn voor de astronauten aan boord, dit zou opwegen tegen de kortere vliegtijd. Diepe ruimte zelf is een enorm stralingsgevaar, met de constante galactische kosmische straling die het astronauten-DNA beschadigt.
Eind jaren zestig zette NASA het Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application-programma of NERVA op en ontwikkelde het de technologieën die de nucleaire raketten zouden worden die mensen naar Mars zouden brengen.
Ze testten grotere, krachtigere nucleaire raketten, in de woestijn van Nevada, die het waterstofgas met hoge snelheid recht de atmosfeer in blazen. De milieuwetten waren toen veel minder streng.
De eerste NERVA NRX werd uiteindelijk bijna twee uur getest, met 28 minuten op vol vermogen. En een tweede motor werd 28 keer gestart en liep 115 minuten.
Tegen het einde testten ze de krachtigste kernreactor ooit gebouwd, de Phoebus-2A-reactor, die in staat is om 4.000 megawatt aan stroom op te wekken. 12 minuten duwen.
Hoewel de verschillende componenten nooit daadwerkelijk in een vluchtklare raket zijn gemonteerd, waren ingenieurs ervan overtuigd dat een nucleaire raket zou voldoen aan de behoeften van een vlucht naar Mars.
Maar toen besloten de VS dat ze niet meer naar Mars wilden. Ze wilden in plaats daarvan de spaceshuttle.
Het programma werd in 1973 beëindigd en sindsdien heeft niemand meer nucleaire raketten getest.
Maar de recente technologische vooruitgang heeft nucleaire thermische voortstuwing aantrekkelijker gemaakt. In de jaren zestig was de enige brandstofbron die ze konden gebruiken, sterk verrijkt uranium. Maar nu denken ingenieurs dat ze kunnen rondkomen met laagverrijkt uranium.
Dit zou veiliger zijn om mee te werken en zou meer raketfaciliteiten toelaten om tests uit te voeren. Het zou ook gemakkelijker zijn om de radioactieve deeltjes in de uitlaat op te vangen en ze op de juiste manier af te voeren. Dat zou de totale kosten van het werken met de technologie verlagen.
Op 22 mei 2019 keurde het Amerikaanse congres 125 miljoen dollar goed voor de ontwikkeling van nucleaire thermische voortstuwingsraketten. Hoewel dit programma geen enkele rol speelt in NASA's Artemis 2024-terugkeer naar de maan, roept het - citaat - “NASA op om een meerjarenplan te ontwikkelen dat een demonstratie van nucleaire thermische voortstuwing mogelijk maakt, inclusief de tijdlijn in verband met de ruimtedemonstratie en een beschrijving van toekomstige missies en voortstuwings- en energiesystemen die door deze mogelijkheid mogelijk worden gemaakt. "
Kernsplijting is een manier om de kracht van het atoom te benutten. Het vereist natuurlijk verrijkt uranium en genereert giftig radioactief afval. Hoe zit het met fusie? Waar waterstofatomen in helium worden geperst, waardoor energie vrijkomt?
De zon heeft fusie uitgewerkt dankzij zijn enorme massa en kerntemperatuur, maar duurzame, energie-positieve fusie is door ons nietige mensen ongrijpbaar geweest.
Enorme experimenten zoals ITER in Europa hopen de fusie-energie in de komende tien jaar te behouden. Daarna kunt u zich voorstellen dat fusiereactoren zo klein worden dat ze dezelfde rol kunnen vervullen als een splijtingsreactor in een nucleaire raket. Maar zelfs als je fusiereactoren niet zover kunt krijgen dat ze netto-energiepositief zijn, kunnen ze nog steeds een enorme versnelling leveren voor de hoeveelheid massa.
En misschien hoeven we niet tientallen jaren te wachten. Een onderzoeksgroep van het Princeton Plasma Physics Laboratory werkt aan een concept genaamd de Direct Fusion Drive, waarvan zij denken dat het veel eerder klaar zou kunnen zijn.
Het is gebaseerd op de Princeton Field-Reversed Configuration fusiereactor die in 2002 door Samuel Cohen is ontwikkeld. Heet plasma van helium-3 en deuterium zit in een magnetische houder. Helium-3 is zeldzaam op aarde en waardevol omdat fusiereacties ermee niet dezelfde hoeveelheid gevaarlijke straling of kernafval zullen genereren als andere fusie- of splijtingsreactoren.
Net als bij de splijtingsraket, verhit een fusieraket een drijfgas tot hoge temperaturen en blaast het vervolgens de achterkant uit, waarbij stuwkracht wordt geproduceerd.
Het werkt door een aantal lineaire magneten uit te lijnen die zeer heet plasma bevatten en draaien. Antennes rond het plasma zijn afgestemd op de specifieke frequentie van de ionen en creëren een stroom in het plasma. Hun energie wordt opgepompt tot het punt dat de atomen samensmelten, waardoor nieuwe deeltjes vrijkomen. Deze deeltjes dwalen door het insluitingsveld totdat ze worden gevangen door de magnetische veldlijnen en ze worden versneld uit de achterkant van de raket.
In theorie zou een fusieraket 2,5 tot 5 Newton stuwkracht per megawatt kunnen leveren, met een specifieke impuls van 10.000 seconden - onthoud 850 van splijtingsraketten en 450 van chemische raketten. Het zou ook elektriciteit opwekken die het ruimtevaartuig ver van de zon nodig heeft, waar zonnepanelen niet erg efficiënt zijn.
Een Direct Fusion Drive zou in slechts 2 jaar een missie van 10 ton naar Saturnus kunnen vervoeren, of een ruimtevaartuig van 1 ton van de aarde naar Pluto in ongeveer 4 jaar. New Horizons had er bijna 10 nodig.
Omdat het ook een fusiereactor van 1 megawatt is, zou hij ook bij aankomst alle instrumenten van het ruimtevaartuig van stroom voorzien. Veel meer dan de nucleaire batterijen die momenteel worden vervoerd door deep space-missies zoals Voyager en New Horizons.
Stel je voor wat voor soort interstellaire missies er ook met deze technologie op tafel zouden kunnen liggen.
En Princeton Satellite Systems is niet de enige groep die aan dergelijke systemen werkt. Applied Fusion Systems heeft octrooi aangevraagd voor een kernfusiemotor die ruimtevaartuigen kan stuwen.
Ik weet dat het decennia geleden is dat NASA nucleaire raketten serieus heeft getest als een manier om de vluchttijden te verkorten, maar het lijkt erop dat de technologie terug is. De komende jaren verwacht ik nieuwe hardware en nieuwe tests van nucleaire thermische voortstuwingssystemen te zien. En ik ben ongelooflijk opgewonden over de mogelijkheid dat daadwerkelijke fusion drives ons naar andere werelden brengen. Zoals altijd, blijf op de hoogte, ik laat je weten wanneer iemand daadwerkelijk vliegt.
