НАСА изо всех сил старается помочь человечеству побыстрее начать осваивать Солнечную систему. И для этого его руководители предпринимают самые разные меры. Они постоянно добиваются увеличения финансирования агентства. Привлекают всё больше и больше технологически продвинутых фирм и предприятий к выполнению заказов по космической тематике. А недавно НАСА так и вовсе объединило свои усилия с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. В простонародье – DARPA.
Время – деньги
Вы спросите – но зачем же космическое агентство связалось с этими, скажем так, не очень умными военными? Да еще и с американскими. Ответы на эти вопросы есть. Во-первых потому, что речь идёт об изделии, которое без военных сделать не получится. А во-вторых – миф о недалёкости военных сильно преувеличен. Есть в этих структурах и довольно умные ребята. Ведь в конце концов кто-то из них однажды догадался, что в строю нужно непременно ходить в ногу (шутка).
На самом деле кооперация случилась для того, чтобы, наконец, воплотить в жизнь один из самых амбициозных и неоднозначных инженерных проектов: создание ядерного ракетного двигателя! Этот неутомимый монстр должен будет доставить с Земли на Марс всё что угодно. От 50-литрового бидона с ключевой водой до танка Т-72. И сделать это быстрее, чем когда-либо кто-либо делал это в прошлом.
Сокращение времени полёта до Марса – это очень полезная штука. Ведь вполне очевидно, что такой подход снизит потребность в запасах, которые непременно нужно будет брать с собой в случае осуществления пилотируемой экспедиции. К тому же он уменьшит риски для здоровья членов экипажа. Ведь уже давно установлено, что члены космических экспедиций, работающих на околоземной орбите, сталкиваются с вредным воздействием радиации и снижением плотности костей и мышц. И ещё эти люди почти всегда испытывают какие-нибудь психологические неудобства.
Предполагается, что ядерные ракетные двигатели будут способны сократить время полёта и существенно увеличить грузоподъёмность космического корабля. Поскольку они в 3-5 раз эффективнее стандартных химических ракет. И имеют в 10 000 раз большую тяговооружённость, чем электрические двигатели.
Удельный импульс
Ядерные ракетные двигатели имеют очень высокий удельный импульс. Если не использовать довольно сложную терминологию и ещё более непонятные формулы, просто можно сказать так: удельный импульс – это показатель эффективности преобразования реактивным двигателем топлива в тягу. Обычно его измеряют в секундах.
Классические химические ракеты имеют максимальный удельный импульс около 450 секунд или 7,5 минут. Тогда как ядерные двигатели – до 900 секунд или 15 минут.
Чем выше удельный импульс, тем большую скорость может развить космический корабль.
Самый высокий удельный импульс, когда-либо достигнутый химическим двигателем, составлял 542 секунды. В качестве компонентов топлива для него использовались литий, фтор и водород. Однако такое сочетание химических элементов массово использовать нецелесообразно. По той причине, что литий и фтор химически очень активны и легко воспламеняются, а водород очень любит взрываться от любого неосторожно сказанного слова (шутка).
Такой тип топлива также очень токсичен для человека. И представляет опасность для окружающей среды. Что тоже не очень хорошо.
Увеличенная грузоподъёмность ядерных ракетных двигателей ко всему прочему позволит отправлять в космос ценные научные и коммуникационные инструменты. И это очень важно. Все мы видим, что космос приобретает всё большее значение в самых различных сферах жизнедеятельности человека. От обороны и научных исследований до торговли. Возможность перемещать в космосе крупные полезные грузы на высоких скоростях может дать заметное преимущество тому, кто первым овладеет подобными технологиями.
Всё дело в ракетном двигателе
США очень хотят получить подобные преимущества. И запустили для этого специальный проект, который называется «Демонстрационная ракета для окололунных операций» или DRACO. Он включает в себя создание к концу 2027 года не только работающего ядерного двигателя, но и совершенно новых космического корабля и ракеты-носителя. И это является весьма амбициозной заявкой. Ведь для того, чтобы воплотить эту концепцию в жизнь, и провести демонстрацию в космосе, времени остаётся не так уж и много. Космический корабль, который будет оснащён ядерным двигателем, получил название NTR (X-NTRV).
Одно из самых больших различий между DRACO и традиционными химическими ракетами заключается в том, что ядерный двигатель не будет «сжигать» топливо. В этом и заключается его принципиальное отличие от двигателей химических ракет. Они вынуждены нести на борту топливо и окислитель, чтобы сжечь это топливо. И, как и в случае с любым костром, для поддержания этой химической реакции необходим кислород. Однако такой подход обходится слишком дорого. Поскольку окислитель занимает огромное количество места на борту ракеты. И имеет большую массу, ограничивая удельный импульс корабля.
А вот ядерные ракетные реакторы нагревают рабочее тело (в данном случае – водород) до сверхвысоких температур (до 2760 градусов по Цельсию в случае с DRACO) по-другому. Они используют реакцию деления. Подобную той, что происходит на атомных электростанциях. После нагревания рабочее тело расширяется, после чего выбрасывает через сопло, создавая тягу. Поскольку необходимости иметь на борту ракеты окислитель нет, она избавлена от лишнего веса. И занимающего много места бака.
Топливом, используемым в ядерной реакции, является низкообогащённый уран. Концентрация делящегося изотопа составляет в нём от 5 до 20% массы топлива. Чтобы дать Вам представление об энергетическом потенциале этого урана, оцените такой факт: достаточно всего 3 столовых ложек этого химического элемента, чтобы удовлетворить потребности человека в электроэнергии на всю жизнь!
Именно этот материал может сделать реальностью пилотируемые полёты на Марс.
Есть нюанс
Конечно же, если бы всё было так просто, то подобные двигатели уже давно использовались бы при выполнении космических полётов. Есть, как говорится, и здесь нюансы. И одной из самых больших проблем, связанных с ядерным ракетным двигателем, является ущерб окружающей среде, который он может нанести. Хотя ядерный материал, на самом деле, будет запущен в космос далеко не в первый раз.
На самом деле в космос уже довольно долго летают РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы). Это ядерные батареи. Уже более 60 лет их используют для обеспечения энергией спутников и других космических аппаратов, которым для работы недостаточно солнечной энергии.
И некоторые авиакосмические катастрофы приводили в прошлом к выбросу плутония, урана и полония в разных районах нашей планеты. Однако ни одна подобная авария никак не повлияла на использование радиоактивных материалов в космосе.
Агентство DARPA между тем заявило, что ядерные реакции не будут использоваться для запуска космического корабля. Ядерный двигатель будет включаться только один раз в открытом космосе для его ускорения до достижения нужной скорости.
Отчасти причина установления столь амбициозных сроков реализации проекта может быть объяснена тем, что ядерные тепловые двигатели – вовсе не новая идея. Подобная концепция исследовалась с 60-х годов как НАСА, как и другими космическими структурами разных стран. И какие-то наработки несомненно остались.
Однако, как ни крути, сегодня мы наблюдаем первые по-настоящему серьёзные попытки создать технологии, которые смогут вывести нас далеко за пределы внутренних границ нашей Солнечной системы.
И возможно именно они позволят нам когда-нибудь отправиться в океаны межзвёздного пространства…