Statki kosmiczne napędzane energią jądrową. Już za chwilę to będzie codzienność

Obecnie większość statków kosmicznych korzysta albo z napędu chemicznego, który działa na zasadzie spalania paliwa, albo elektrycznego z energią słoneczną w roli głównej. Są to technologie efektywne, ale mające swoje ograniczenia - przede wszystkim niską wydajność i ogromną masę paliwa potrzebną do lotu.

Co więcej, te dwie technologie zbliżają się do swoich fizycznych granic, poza którymi zwiększenie wydajności jest niemożliwe. Aby pokonać te granice i umożliwić logistyce kosmicznej przejście do nowej ligi, należy wprowadzić nowy rodzaj napędu: systemy napędowe oparte na energii jądrowej.

Dzisiejsze technologie sprawiają, że napęd jądrowy jest może wreszcie stać się alternatywą dla konwencjonalnych systemów napędowych. Napęd jądrowy może być wielokrotnie bardziej wydajny niż najbardziej wydajny napęd chemiczny lub przekraczać moc elektryczną ograniczoną przez energię słoneczną, umożliwiając w ten sposób eksplorację tam, gdzie żadna inna technologia nie może dotrzeć. 

Silnik jądrowy to także gigantyczne oszczędności - pieniędzy i środowiska. Dla przykładu, w ramach misji Artemis (powrót ludzi na Księżyc) planowanych jest piętnaście startów rakiet z paliwem, które ma być tankowane na orbicie ziemi do statku, który dostarczy astronautów na Księżyc i z powrotem. Statek z napędem jądrowym może latać wiele razy pomiędzy naszą planetą i Srebrnym Globem, bez potrzeby skomplikowanego tankowania na orbicie.

Aby wysłać ludzi na Marsa przy użyciu napędu chemicznego, potrzeba by stu startów, ale przy użyciu napędu jądrowego możemy ograniczyć tę liczbę do pięciu.

Plany dotyczące wykorzystania napędu jądrowego zyskały ogromny rozmach w ostatnich latach i pracują nad nim agencje kosmiczne, startupy, naukowcy i inżynierowie.

Projekt RocketRoll jest kluczowym elementem strategii Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) na nadchodzące dekady. W ramach programu ESA chce opracować napęd jądrowo-elektryczny (nuclear electric propulsion, NEP), który umożliwiłyby szersze działania poza orbitą Marsa, gdzie energia słoneczna jest ograniczona. W grupie pracującej nad nowym silnikiem są tacy giganci jak ArianeGroup i Airbus.

Jak podaje ESA nowy napęd jądrowy może być wielokrotnie bardziej wydajny niż najefektywniejszy napęd chemiczny lub elektryczny zasilany energią słoneczną, umożliwiając w ten sposób eksplorację obszarów, w których żadna inna technologia nie jest w stanie się rozwinąć.

W przeciwieństwie do tradycyjnych silników NEP wykorzystuje energię z reaktora jądrowego do zasilania silników jonowych, oferując nieporównywalnie wyższą wydajność i możliwość znacznie dłuższych misji w głębokim kosmosie.

Technologia ta nie tylko skróci czas podróży, ale także umożliwi transport większych ładunków i bardziej zaawansowanego sprzętu badawczego.

Główną zaletą takiego silnika jest wydajność i niezależność od promieni słonecznych, co jest szczególnie przydatne w eksploracji poza orbitą Marsa. Ponadto NEP mógłby być wykorzystywany na powierzchni Księżyca lub Marsa do zasilania przyszłych osiedli ludzi, lub do eksploracji Układu Słonecznego przez roboty. Pierwszy statek z tym napędem miałby zostać uruchomiony w 2035 r.

Więcej o niezwykłych statkach kosmicznych przeczytasz na Spider's Web:

Nieco inne podejście do tematu mają Amerykanie, którzy pracują nad nuklearnym cieplnym silnikiem rakietowym (nuclear thermal rocket - NTR). Program, w ramach którego prowadzone są prace, nosi nazwę DRACO.

Jest to wspólne przedsięwzięcie NASA i DARPA (Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony USA), a jako wykonawcy wybrane zostały firmy Lockheed Martin i BWX Technologies. Celem jest wydajniejszy i szybszy transport materiałów przez przestrzeń okołoksiężycową, a docelowo także transport ludzi na Marsa.

Silnik NTR ma wykorzystywać paliwo HALEU (high-assay low-enriched uranium - paliwo o wysokiej zawartości nisko wzbogaconego uranu), czyli uran wzbogacony do 5 - 20 proc. Reakcja rozszczepienia będzie wykorzystywana do szybkiego podgrzewania superzimnego gazu, takiego jak ciekły wodór. Gdy gaz jest podgrzewany, szybko się rozpręża i wytwarza ciąg, który napędzi statek kosmiczny nawet pięć razy wydajniej niż typowe silniki spalinowe.

Prace nad nowym napędem posuwają się bardzo szybko. Start amerykańskiego statku kosmicznego z napędem jądrowym zaplanowano na 2027 r. Reaktor zostanie wystrzelony w stanie zimnym (co oznacza, że ​​reaktor jest wyłączony) za pomocą konwencjonalnej rakiety i zostanie włączony, gdy statek kosmiczny osiągnie odpowiednią pozycję powyżej niskiej orbity okołoziemskiej. Chodzi o bezpieczeństwo - gdyby podczas startu doszło do katastrofy, atmosfera Ziemi nie zostałaby skażona radioaktywnymi szczątkami.

Według ekspertów napęd NTP może skrócić czas lotu na Marsa nawet o 50 proc., co nie tylko zmniejszy ryzyko związane z długotrwałym promieniowaniem kosmicznym, ale także umożliwi transport większej ilości sprzętu i zasobów.

DRACO to jednak coś więcej niż tylko misja technologiczna - to także krok milowy w kierunku eksploracji głębokiego kosmosu i kolonizacji innych planet. Jeśli program zakończy się sukcesem, będzie to pierwszy statek kosmiczny nowej generacji, który otworzy drogę do misji w najdalsze zakątki Układu Słonecznego.

Napęd jądrowy w rakietach kosmicznych nie jest nową koncepcją. W historii eksploracji kosmosu były realizowane różne projekty związane z energią jądrową. Podwaliny teoretyczne pod pulsacyjny napęd jądrowy położono już w latach 50-tych. W pracach nad tym napędem uczestniczyły prawdziwe sławy: genialny polski matematyk Stanisław Ulam oraz fizycy Freeman Dyson i Theodor Taylor.

Jednym z pierwszych programów dotyczących jądrowych silników kosmicznych był projekt Orion prowadzony w latach 60-tych XX w. Prace nad nim nie zostały przerwane przez problemy techniczne - ale z powodu podpisania w 1963 r. traktatu zakazującego przeprowadzanie testów jądrowych w przestrzeni kosmicznej.

Innym projektem był program NERVA-XE, który miał na celu opracowanie silnika rakietowego opartego na reakcji termojądrowej. Silnik ten miał być wykorzystany do misji na Marsa i innych planetach Układu Słonecznego. Jednak program ten został anulowany w 1973 r. z powodów politycznych i ekonomicznych. 

Projekt Prometheus był z kolei rozpoczęty w 2003 r. i miał na celu opracowanie systemów zasilania nuklearnego dla długotrwałych misji kosmicznych. Projekt ten miał być realizowany przez NASA we współpracy z Departamentem Energii USA. Jedną z planowanych misji było badanie lodowych księżyców Jowisza za pomocą sondy JIMO. Jednak projekt ten również został anulowany w 2005 r. z powodu ograniczeń budżetowych.

Jednak dopiero teraz postęp technologiczny i większe budżety umożliwiają wprowadzenie tej technologii do rzeczywistych misji. Choć napęd jądrowy nie rozwiąże wszystkich problemów kosmicznych podróży, jest ogromnym krokiem naprzód. Dzięki niemu eksploracja Marsa, planetoid, a nawet księżyców Jowisza czy Saturna może stać się codziennością już w połowie tego stulecia.