עידן חדש של חקר החלל מאחורי מנועי רקטות היתוך

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

נאס א ואילון מאסק חולמים על מאדים, ומשימות מאוישות בחלל עמוק יהפכו בקרוב למציאות. בטח תתפלאו, אבל רקטות מודרניות עפות קצת יותר מהר מהרקטות של פעם.

חלליות מהירות נוחות יותר ממגוון סיבות, והדרך הטובה ביותר להאיץ היא באמצעות רקטות גרעיניות. יש להם יתרונות רבים על פני רקטות דלק קונבנציונליות או רקטות חשמליות מודרניות המונעות על ידי שמש, אבל ב-40 השנים האחרונות שיגרה ארצות הברית רק שמונה רקטות המונעות על ידי גרעיני.

עם זאת, בשנה האחרונה השתנו החוקים בנוגע למסעות בחלל גרעיניים, וכבר החלה העבודה על הדור הבא של הרקטות.

למה צריך מהירות?

בשלב הראשון של כל טיסה לחלל יש צורך בכלי שיגור - הוא לוקח את הספינה למסלול. המנועים הגדולים הללו פועלים על דלקים דליקים - ובדרך כלל כשמדובר בשיגור רקטות, מתכוונים אליהם. הם לא הולכים לשום מקום בזמן הקרוב - וכך גם כוח הכבידה.

אבל כשהספינה נכנסת לחלל, הדברים נעשים מעניינים יותר. כדי להתגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ולהיכנס לחלל העמוק, הספינה זקוקה להאצה נוספת. כאן נכנסות לתמונה מערכות גרעיניות. אם אסטרונאוטים רוצים לחקור משהו מעבר לירח או אפילו יותר למאדים, הם יצטרכו למהר. הקוסמוס עצום, והמרחקים די גדולים.

ישנן שתי סיבות מדוע רקטות מהירות מתאימות יותר למסעות בחלל למרחקים ארוכים: בטיחות וזמן.

בדרך למאדים, אסטרונאוטים מתמודדים עם רמות גבוהות מאוד של קרינה, רצופות בבעיות בריאות חמורות, כולל סרטן ועקרות. מיגון קרינה יכול לעזור, אך הוא כבד ביותר וככל שהמשימה ארוכה יותר, כך יהיה צורך במיגון חזק יותר. לכן, הדרך הטובה ביותר להפחית את מינון הקרינה היא פשוט להגיע ליעד שלך מהר יותר.

אבל בטיחות הצוות היא לא היתרון היחיד. ככל שאנו מתכננים טיסות רחוקות יותר, כך נצטרך מוקדם יותר נתונים ממשימות בלתי מאוישות. לקח לוויאג'ר 2 12 שנים להגיע לנפטון - וכשהיא עפה על פניה, היא צילמה כמה תמונות מדהימות. אם לוויאג'ר היה מנוע חזק יותר, התצלומים והנתונים הללו היו מופיעים אצל אסטרונומים הרבה קודם.

אז מהירות היא יתרון. אבל למה מערכות גרעיניות מהירות יותר?

המערכות של היום

לאחר שהתגברה על כוח הכבידה, על הספינה לשקול שלושה היבטים חשובים.

דַחַף- איזו תאוצה תקבל הספינה.

יעילות משקל- כמה דחף יכולה המערכת לייצר עבור כמות נתונה של דלק.

צריכת אנרגיה ספציפית- כמה אנרגיה מפיקה כמות נתונה של דלק.

כיום, המנועים הכימיים הנפוצים ביותר הם רקטות דלק קונבנציונליות ורקטות חשמליות המונעות על ידי שמש.

מערכות הנעה כימיות מספקות דחף רב, אך אינן יעילות במיוחד, ודלק רקטי אינו אינטנסיבי במיוחד. רקטת שבתאי 5 שהובילה אסטרונאוטים לירח סיפקה 35 מיליון ניוטון של כוח בהמראה ונשאה 950,000 גלונים (4,318,787 ליטר) של דלק. רוב זה הושקע בהעברת הרקטה למסלול, כך שהמגבלות ברורות: לאן שלא תלך, אתה צריך הרבה דלק כבד.

מערכות הנעה חשמליות מייצרות דחף באמצעות חשמל מפאנלים סולאריים. הדרך הנפוצה ביותר להשיג זאת היא להשתמש בשדה חשמלי כדי להאיץ יונים, למשל, כמו במדחף אינדוקציה של הול. מכשירים אלה משמשים להנעת לוויינים, ויעילות המשקל שלהם היא פי חמישה מזו של מערכות כימיות. אבל במקביל הם נותנים הרבה פחות דחף - בערך 3 ניוטון.זה מספיק רק כדי להאיץ את המכונית מ-0 ל-100 קמ ש תוך כשעתיים וחצי. השמש היא בעצם מקור אנרגיה ללא תחתית, אבל ככל שהספינה מתרחקת ממנה, כך היא פחות שימושית.

אחת הסיבות לכך שטילים גרעיניים מבטיחים במיוחד היא עוצמת האנרגיה המדהימה שלהם. לדלק אורניום המשמש בכורים גרעיניים יש תכולת אנרגיה פי 4 מיליון מזו של הידרזין, דלק טילים כימי טיפוסי. והרבה יותר קל להכניס קצת אורניום לחלל מאשר מאות אלפי ליטרים של דלק.

מה לגבי יעילות משיכה ומשקל?

שתי אפשרויות גרעיניות

עבור מסע בחלל, מהנדסים פיתחו שני סוגים עיקריים של מערכות גרעיניות.

הראשון הוא מנוע תרמו-גרעיני. מערכות אלו חזקות מאוד ויעילות ביותר. הם משתמשים בכור ביקוע גרעיני קטן - כמו אלה של צוללות גרעיניות - כדי לחמם גז (כמו מימן). גז זה מואץ לאחר מכן דרך פיית הרקטה כדי לספק דחף. מהנדסי נאס א חישבו שנסיעה למאדים באמצעות מנוע תרמו-גרעיני תהיה מהירה ב-20-25% מרקטה עם מנוע כימי.

מנועי פיוז'ן יעילים יותר מפי שניים מהמנועים הכימיים. המשמעות היא שהם מספקים פי שניים את הדחף עבור אותה כמות דלק - עד 100,000 ניוטון של דחף. זה מספיק כדי להאיץ את המכונית למהירות של 100 קילומטרים לשעה בתוך כרבע שנייה.

המערכת השנייה היא מנוע רקטות חשמלי גרעיני (NEPE). אף אחד מאלה עדיין לא נוצר, אבל הרעיון הוא להשתמש בכור ביקוע רב עוצמה כדי לייצר חשמל, שיפעיל אז מערכת הנעה חשמלית כמו מנוע הול. זה יהיה יעיל מאוד - בערך פי שלושה יותר יעיל ממנוע היתוך. מכיוון שהכוח של כור גרעיני הוא עצום, כמה מנועים חשמליים נפרדים יכולים לעבוד בו זמנית, והדחף יתברר כמוצק.

מנועי רקטות גרעיניים הם אולי הבחירה הטובה ביותר למשימות ארוכות טווח במיוחד: הם אינם דורשים אנרגיה סולארית, יעילים מאוד ומספקים דחף גבוה יחסית. אבל למרות כל האופי המבטיח שלהם, למערכת ההנעה הגרעינית יש עדיין הרבה בעיות טכניות שיצטרכו לפתור לפני שתוכנס לפעולה.

למה עדיין אין טילים גרעיניים?

מנועים תרמו-גרעיניים נחקרו מאז שנות ה-60, אך הם עדיין לא טסו לחלל.

על פי האמנה של שנות ה-70, כל פרויקט חלל גרעיני נשקל בנפרד ולא יכול היה להמשיך הלאה ללא אישור של מספר סוכנויות ממשלתיות והנשיא עצמו. יחד עם היעדר מימון למחקר על מערכות טילים גרעיניים, הדבר פגע בפיתוח נוסף של כורים גרעיניים לשימוש בחלל.

אבל כל זה השתנה באוגוסט 2019 כאשר ממשל טראמפ הוציא מזכר נשיאותי. למרות התעקשות על הבטיחות המקסימלית של שיגורים גרעיניים, ההוראה החדשה עדיין מאפשרת משימות גרעיניות עם כמויות נמוכות של חומר רדיואקטיבי ללא אישור מסובך בין רשויות. די באישור של סוכנות נותנת חסות כמו נאס א שהמשימה עומדת בהמלצות הבטיחות. משימות גרעיניות גדולות עוברות את אותם הליכים כמו בעבר.

יחד עם תיקון זה של הכללים, נאס א קיבלה 100 מיליון דולר מתקציב 2019 לפיתוח מנועים תרמו-גרעיניים. Defense Advanced Research Projects Agency מפתחת גם מנוע חלל תרמו-גרעיני לפעולות ביטחון לאומי מעבר למסלול כדור הארץ.

לאחר 60 שנה של קיפאון, ייתכן שרקטה גרעינית תצא לחלל תוך עשור. ההישג המדהים הזה יפתח עידן חדש של חקר החלל. האדם ילך למאדים, וניסויים מדעיים יובילו לתגליות חדשות ברחבי מערכת השמש ומחוצה לה.