Ракеты с ядерными двигателями - вновь рассматриваются для путешествия на Марс

Несмотря на все споры, которые они вызывают на Земле, ядерные реакторы могут производить энергию и тягу, необходимые для быстрой доставки большого космического корабля на Марс и, при желании, за его пределы. Идея ядерных ракетных двигателей возникла в 1940-х годах. Однако на этот раз планы межпланетных миссий, основанных на ядерном делении и синтезе, подкрепляются новыми проектами, у которых гораздо больше шансов оторваться от земли.

Что особенно важно, ядерные двигатели предназначены только для межпланетных путешествий, а не для использования в атмосфере Земли. Химические ракеты выводят аппарат за пределы низкой околоземной орбиты. Только тогда срабатывает ядерная двигательная установка.

Задача заключалась в том, чтобы сделать эти ядерные двигатели безопасными и легкими. Новые виды топлива и конструкции реакторов, кажется, подходят для этой задачи, поскольку НАСА в настоящее время работает с отраслевыми партнерами над возможными будущими пилотируемыми космическими полетами на ядерном топливе. «Ядерная силовая установка будет полезна, если вы хотите отправиться на Марс и вернуться обратно менее чем за два года», - говорит Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий НАСА. По его словам, для реализации этой миссии «ключевой технологией, которую необходимо усовершенствовать, является топливо».

В частности, топливо должно выдерживать сверхвысокие температуры и нестабильные условия в ядерном тепловом двигателе. Две компании теперь заявляют, что их топливо достаточно надежно для безопасного, компактного, высокопроизводительного реактора. Фактически, одна из этих компаний уже предоставила НАСА детальный концептуальный проект.

Ядерная тепловая двигательная установка использует энергию, выделяемую в результате ядерных реакций, для нагрева жидкого водорода примерно до 2430°C, что примерно в восемь раз превышает температуру активной зоны атомных электростанций. Пропеллент расширяется и выбрасывается из сопла с огромной скоростью. Это может производить вдвое большую тягу на массу топлива по сравнению с химической ракетой, позволяя кораблям с ядерными двигателями путешествовать дольше и быстрее. Кроме того, оказавшись в пункте назначения, будь то спутник Сатурна Титан или Плутон, ядерный реактор может переключиться с силовой установки на источник энергии, что позволит аппарату отправлять обратно высококачественные данные в течение многих лет.

Чтобы получить достаточную тягу от ядерной ракеты, раньше требовался оружейный высокообогащенный уран. Низкообогащенное урановое топливо, используемое на коммерческих электростанциях, было бы более безопасным в использовании, но оно может стать хрупким и развалиться под воздействием высоких температур и химических воздействий со стороны чрезвычайно реактивного водорода.

Однако компания Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), базирующаяся в Сиэтле, использует урановое топливо с обогащением ниже 20 процентов, что является более высокой степенью обогащения, чем у энергетических реакторов, но «это топливо не может быть использовано для преступных целей, что значительно снижает риски для режима нераспространения», - говорит технический директор USNC-Tech Майкл Идс. Топливо компании содержит микроскопические частицы уранового топлива с керамическим покрытием, диспергированные в матрице карбида циркония. Микрокапсулы удерживают радиоактивные побочные продукты деления внутри, позволяя уйти теплу.

Компания BWX Technologies из Линчбурга, штат Вирджиния, работает по контракту с НАСА, чтобы изучить конструкции с использованием аналогичного керамического композитного топлива, а также исследует альтернативную форму топлива, заключенную в металлическую матрицу. «Мы работаем над проектом нашего реактора с 2017 года, - говорит Джо Миллер, генеральный менеджер группы передовых технологий компании.

В проектах обеих компаний используются разные типы замедлителей, которые замедляют энергетические нейтроны, образующиеся при делении, чтобы они могли поддерживать цепную реакцию, вместо того, чтобы поражать и повреждать конструкцию реактора. BWX размещает свои топливные блоки между гидридными элементами, в то время как уникальная конструкция USNC-Tech включает в себя замедлитель из металлического бериллия. «Наше топливо остается целым, выдерживает условия горячего водорода и излучения и не поглощает все нейтроны реактора», - говорит Идс.

Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы используют этот экспериментальный реактор для нагрева термоядерной плазмы до одного миллиона градусов по Цельсию - в долгом путешествии по созданию реактивных двигателей для межпланетных путешествий.

По словам Сэмюэля Коэна из Принстонской лаборатории физики плазмы, есть еще один путь к маленьким безопасным ракетам с ядерной энергетикой: это термоядерные реакторы. Основной термоядерный синтез использует дейтерий и тритиевое топливо, но Коэн возглавляет усилия по созданию реактора, основанного на синтезе между атомами дейтерия и гелием-3 в высокотемпературной плазме, производящей очень мало нейтронов. «Нам не нравятся нейтроны, потому что они могут превратить структурный материал, такой как сталь, в нечто более похожее на швейцарский сыр, и могут сделать его радиоактивным», - говорит он. По словам Коэна, концепция Принстонской лаборатории, называемая Direct Fusion Drive, также требует гораздо меньше топлива, чем традиционный термоядерный синтез, а размер устройства может быть в тысячу раз меньше.

По словам Шихи из НАСА, термоядерная тяга теоретически может намного превзойти тягу, основанную на делении, потому что реакции термоядерного синтеза выделяют в четыре раза больше энергии. Однако технология не так уж далеко продвинута и сталкивается с рядом проблем, включая создание и удержание плазмы и эффективное преобразование высвобождаемой энергии в направленный выброс струи. «Эта технология не может быть готова к полетам на Марс в конце 2030-х годов», - говорит он.

USNC-Tech, напротив, уже сделала небольшие прототипы оборудования на основе своего нового топлива. «Мы находимся на пути к достижению цели НАСА - подготовить к 2027 году демонстрационную систему половинного масштаба», - говорит Идес. Следующим шагом будет создание полномасштабной системы полёта на Марс, которая вполне могла бы приводить в движение такой полёт в 2035 году.