Уран. Этот химический элемент играет важнейшую роль в развитии нашей цивилизации. Он дает нам энергию, которая обогревает наши города, освещает наши улицы и позволяет майнить криптовалюты😁. Нашлось ему и военное применение. Ядерное оружие, принцип работы которого основан на делении ядер урана, запросто может уничтожить нашу цивилизацию. И превратить некогда величественные города и природные пейзажи в радиоактивные руины…
Ядерный ракетный двигатель
Но в сегодняшней нашей теме все будет как раз наоборот. Сегодня мы поговорим про ракетный двигатель Nuclear salt-water rocket (NSWR), который может использовать уран для осуществления дальних космических перелетов. Эту концепцию предложил американский аэрокосмический инженер Роберт Зубрин. Это очень интересная идея, весьма многообещающая, но при этом сохраняющая верность реальной науке. Для ее реализации не требуется ни изобретения новой физики, ни открытия каких-либо экзотических материалов. NSWR (в теории) сможет разгонять ракеты до скоростей, составляющих значительную часть скорости света. Из всех предложенных на настоящий момент способов межзвездных путешествий NSWR, пожалуй, самый доступный.
Ракетный двигатель Зубрина в основе своей работы будет опираться на управляемую ядерную реакцию. В общих чертах принцип работы устройства выглядит так: уран растворяют в воде в виде 2% -ной смеси тетрабромида урана. Уран в смеси обогащен примерно до 20% по U-235. И это дает ему большее количество делящегося материала, так что он вполне может поддерживать ядерные реакции. Эта урановая соль (или в некоторых случаях соль плутония) представляет собой «соленую» часть ракеты.
Таким образом получается, что ракетное топливо представляет собой раствор солей урана с воде, который должен обеспечивать мощную реакцию ядерного деления при прохождении через двигатель. Эта реакция происходит потому, что при определенных концентрациях соленая вода быстро может достичь критической массы. Это создает самоподдерживающуюся цепную реакцию, заставляя воду с растворенными в ней солями урана превращаться в горячую плазму, обеспечивающую тягу ракеты. Выхлоп такой ядерной ракеты может быть в 100 раз горячее, чем выхлоп обычной химической ракеты. Температура сгорания топлива у которой достигает 3200 ° C.
Но для более эффективных двигателей с большей тягой температура должна быть еще выше.
Такой двигатель – высокоэффективный и обеспечивающий большую тягу – мечта инженеров. Но его очень сложно спроектировать. Однако, в случае успеха, NSWR станет самым мощным ракетным двигателем из когда-либо созданных. Ведь его мощность будет достигать не менее 700 ГВт.
Пару месяцев до Марса
Использование урана реакторного качества позволит ракетам, оснащенным двигателем NSWR, достигать планет внешней части Солнечной системы всего за несколько месяцев. Для сравнения, использование традиционной ракеты для достижения Сатурна сегодня занимает от 3 до 7 лет при полете в один конец.
Скорость истечения рабочего тела NSWR составляет около 60 000 м/с против 4500 м/с у обычной химической ракеты.
Это впечатляет. Но этого все равно будет недостаточно для полета к далеким звездам. Чтобы NSWR мог двигаться со скоростью, составляющей какую-то значимую часть скорости света, нам придется заменить реакторный уран на что-то гораздо более мощное: уран оружейного качества. Этот уран обогащен до 90% по U-235 вместо 20% уровня обогащения, который мы использовали для исследования Солнечной системы.
Если бы 330-тонный космический корабль нес 3000 тонн соляного раствора, уран с обогащением до 90% мог бы обеспечить ему скорость истечения 4700000 м/с. Или чуть более 3% скорости света. Это позволило бы нам достичь Альфы Центавра всего за каких-то 120 лет.
Конечно, самый большой недостаток в этой конструкции – это высокая температура и мощность ракеты. Выхлопное сопло, подвергающееся таким высоким температурам и излучению, должно быть изготовлено из чрезвычайно прочного материала. Точно так же топливный бак должен быть изготовлен из специальных поглощающих нейтроны стенок. Например – из бора. Без бора, поглощающего лишние нейтроны, в емкости с топливом может начаться неуправляемая ядерная реакция. Именно поэтому Зубрин предложил сделать для топлива резервуар из длинных трубок, выполненный из карбида бора. По этим трубкам топливо будет закачиваться в реакционную камеру. Где затем и может происходить деление. Для охлаждения сопла и камеры Зубрин предлагал пустить по их поверхности поток обычной воды.
Необходимые материалы есть!
А как насчет самой реакционной камеры? Какой материал может выдержать такую энергичную реакцию? Зубрин предлагал сконструировать ракету таким образом, чтобы наибольшее значение имел поток жидкости, а не используемые материалы. Его мысль такова – если скорость жидкости, проходящей через реакционную камеру, поддерживать на необходимом уровне, максимальное выделение энергии будет происходить в конце камеры. Поэтому на материалы не будет слишком большой нагрузки.
Один из самых твердых среди доступных материалов – это вышеупомянутый карбид бора. Он часто используется в авиации и других областях из-за своей низкой плотности и высокой износостойкости. Однако его практически не применяют в области ядерной энергетики. В основном потому, что этот материал активно поглощает нейтроны. Однако при этом карбид бора является одним из самых химически устойчивых веществ.
Очевидно, что все инженерные проблемы, связанные с NSWR, могут быть решены с использованием наших современных научных знаний. Однако поскольку прототип так и не был построен, неясно, будет ли ракетный двигатель Зубрина работать на практике.
Ракетный двигатель и опасная радиация
Также существует еще одна проблема. Это врожденный порок любой ядерной ракеты – выброс в окружающую среду высокорадиоактивных материалов. Поэтому такой двигатель нельзя использовать при запуске с Земли. Однако это обстоятельство не будет проблемой в глубоком космосе. Ведь огромные расстояния разбавят концентрацию радиоактивных материалов до не имеющего значения уровня. Даже при запуске с низкой околоземной орбиты атомы в выхлопе будут иметь достаточную скорость, чтобы избежать гравитации Солнца. И даже вообще покинуть Солнечную систему. Очевидно, что количество радиоактивного материала, которое в этом случае достигнет Земли, будет весьма незначительным.
NSWR не нарушает и Договор о запрещении ядерных испытаний от 1968 года. Он гласит, что ядерные бомбы ни в коем случае нельзя взрывать в космическом пространстве. Однако NSWR не является ни бомбой, ни оружием. Предыдущие ядерные двигательные установки, такие например, как проект Орион, не увидели свет в значительной степени потому, что они нарушали этот самый договор.
NSWR – это лучший на настоящий день межзвездный ракетный двигатель, который мы можем создать с использованием современных технологий. И это можно сделать, используя списанное ядерное оружие, сконцентрировавшее в себе огромные запасы урана и плутония. И вопрос, на который мы должны ответить сами себе, заключается в том, как лучше использовать эти запасы? Делают ли они добро здесь, на Земле, в нашем ядерном арсенале? Или мы должны использовать их где-нибудь в глубинах космоса?