Щоб дослідити Сонячну систему і космос за її межами швидко і безпечно, космічні кораблі повинні мати ядерні двигуни. Закони, що регулюють ядерні космічні польоти, змінилися, і робота над ракетами наступного покоління вже почалася.
Мріючи про Марс, та й не тільки про нього, людство створює нові ракети з реактивними двигунами. Але ви можете бути здивовані, дізнавшись, що сучасні ракети літають не набагато швидше, ніж ракети минулого.
Є багато причин гнатися за швидкістю польотів. Перший крок будь-якої космічної подорожі - вихід на орбіту за допомогою реактивних двигунів, у яких поки немає альтернатив. Коли ж корабель потрапляє в космос, все стає набагато цікавіше - йому потрібно додаткове прискорення. Ось тут ядерні системи і вступлять в гру. Якщо космонавти хочуть дослідити щось більш віддалене, ніж Місяць і, можливо, Марс, їм потрібно буде рухатися дуже і дуже швидко.
Є дві причини прагнути до цього: безпека і час. Дорогою на Марс люди будуть піддаватися впливу дуже високих рівнів радіації, що може викликати серйозні проблеми зі здоров'ям. Радіаційний захист важить чимало, і чим далі шлях, тим масивнішим він повинен бути. Найкращий спосіб зменшити радіаційне опромінення - просто швидше дістатися до місця призначення.
Але безпека людини - не єдина перевага, яка дає швидкість. У міру того, як ми досліджуємо глибини космосу, з'являється необхідність отримувати дані про нього якомога швидше. Нам вже ніколи чекати по 10 років, поки апарати дістануться до околиць Сонячної системи. Зонду Voyager 2 знадобилося 12 років, щоб долетіти до Нептуна.
Чим відрізняються двигуни
При порівнянні двигунів необхідно враховувати три важливих аспекти:
- тягу - наскільки швидко система може прискорити корабель;
- масову ефективність - скільки тяги система може виробити для даної кількості палива;
- щільність енергії - скільки енергії може виробити дана кількість палива.
В даний час найбільш поширеними двигунами є хімічні, що працюють на паливі, а також електричні, що використовують сонячну енергію.
Хімічні двигуни забезпечують велику тягу, але вони неефективні, а ракетне паливо недостатньо енергоємно. Ракета «Сатурн V», яка доставила астронавтів на Місяць, виробляла 35 мільйонів Ньютонів і в неї довелося заправити 4,3 мільйона літрів палива. По суті ця ракета - величезний паливний бак.
Електричні рухові установки генерують тягу, живлячись від сонячних батарей. При цьому використовується електричне поле для прискорення іонів - двигун Холу. Подібні двигуни застосовуються в супутниках і можуть мати більш ніж у п'ять разів більшу масову ефективність, ніж хімічна, але їх тяга нікуди не годиться - близько трьох ньютонів. Якби ви оснастили таким мотором автомобіль, то до 100 км/год він розганявся б приблизно за дві з половиною години. Крім того, чим цей двигун далі від Сонця, тим менше енергії він отримує.
Одна з причин, через які відновилися розробки атомних двигунів, полягає в тому, що вони володіють неймовірною щільністю енергії. Уранове паливо, що використовується в ядерних реакторах, має щільність енергії в чотири мільйони разів перевершує щільність хімічного ракетного палива. Погодьтеся, легше доставити в космос трохи урану, ніж мільйони літрів рідкого палива.
Два типи ядерних двигунів
Інженери розробили два типи ядерних систем для космічних подорожей. Перший називається ядерно-тепловим двигуном (nuclear thermal propulsion). Ці системи дуже потужні і в міру ефективні. Вони мають невеликий ядерний реактор, подібний до тих, якими оснащуються атомні підводні човни. У ньому нагрівається водень, який згодом прискорюється через сопло ракети - так виходить тяга. Інженери NASA вважають, що політ на Марс з ядерним двигуном буде на 20-25% швидшим.
Ядерно-теплові рухові установки більш ніж удвічі ефективніші за хімічні двигуни. Це означає, що вони генерують вдвічі більше тяги при однаковій кількості ракетного палива - до 100 000 ньютонів. Цього достатньо, щоб розігнати автомобіль до швидкості 100 км/год за чверть секунди.
Друга система називається ядерним електроракетним двигуном (nuclear electric propulsion). Насправді його ще не існує, але ідея полягає в тому, щоб використовувати потужний реактор для вироблення електроенергії, яка потім приводила б у дію електричну рухову установку - все той же двигун Холла. Така установка була б приблизно втричі ефективнішою за ядерно-теплову.
Через 60 років простою (ядерний двигун - розробка 1960-х років) ракета з ядерним двигуном може відправиться в космос протягом найближчого десятиліття. Це відкриє нову еру освоєння космосу. Марс стане набагато ближче, а польоти до нього - дешевше. Наукові ж експерименти будуть проводитися швидше, а дослідники будуть обсипати нас відкриттями, зробленими в різних куточках Сонячної системи і за її межами.