Een Amerikaanse professor legt uit waarom nucleaire raketmotoren efficiënter zijn dan chemische. Daarom zijn zij degenen die zullen helpen Mars en alles daarbuiten te verkennen. Maar hij denkt niet na over de vraag of NASA genoeg geld zal hebben om dergelijke motoren te ontwikkelen, als het Pentagon er ook mee bezig is, en hij krijgt eerst.
NASA en Elon Musk dromen van Mars, en bemande missies in de diepe ruimte zullen binnenkort werkelijkheid worden. Je zult waarschijnlijk verrast zijn, maar moderne raketten vliegen iets sneller dan de raketten uit het verleden.
Snelle ruimteschepen zijn om verschillende redenen handiger, en de beste manier om te versnellen is met raketten met nucleair vermogen. Ze hebben veel voordelen ten opzichte van conventionele raketten op brandstof of moderne elektrische raketten op zonne-energie, maar in de afgelopen 40 jaar hebben de Verenigde Staten slechts acht nucleair aangedreven raketten gelanceerd.
In het afgelopen jaar zijn de wetten met betrekking tot nucleaire ruimtevaart echter veranderd en is het werk aan de volgende generatie raketten al begonnen.
Waarom is snelheid nodig?
In de eerste fase van elke vlucht in de ruimte is een draagraket nodig - het brengt het schip in een baan om de aarde. Deze grote motoren werken op brandbare brandstof - en meestal bedoelen ze ze als het gaat om het lanceren van raketten. Ze zullen binnenkort nergens heen gaan, net als de zwaartekracht.
Maar als het schip de ruimte binnengaat, wordt het interessanter. Om de zwaartekracht van de aarde te overwinnen en de ruimte in te gaan, heeft het schip extra versnelling nodig. Dit is waar nucleaire systemen in het spel komen. Als astronauten iets buiten de maan willen verkennen, of nog meer Mars, moeten ze opschieten. De kosmos is enorm, en de afstanden zijn vrij groot.
Promotie video:
Er zijn twee redenen waarom snelle raketten beter geschikt zijn voor lange afstanden in de ruimte: veiligheid en tijd.
Op weg naar Mars worden astronauten geconfronteerd met zeer hoge stralingsniveaus, beladen met ernstige gezondheidsproblemen, waaronder kanker en onvruchtbaarheid. Afscherming tegen straling kan helpen, maar het is extreem zwaar en hoe langer de missie, des te krachtiger is afscherming nodig. Daarom is de beste manier om de stralingsdosis te verlagen, door simpelweg sneller op uw bestemming te komen.
Maar de veiligheid van de bemanning is niet het enige voordeel. Hoe verder we vluchten plannen, des te eerder hebben we gegevens van onbemande missies nodig. Het kostte de Voyager 2 12 jaar om Neptunus te bereiken - en terwijl het voorbij vloog, werden er een aantal ongelooflijke foto's gemaakt. Als Voyager een krachtigere motor had gehad, zouden deze foto's en gegevens veel eerder in astronomen zijn verschenen.
Snelheid is dus een voordeel. Maar waarom zijn nucleaire systemen sneller?
De systemen van vandaag
Nadat het schip de zwaartekracht heeft overwonnen, moet het drie belangrijke aspecten in overweging nemen.
De meest voorkomende zijn tegenwoordig chemische motoren, dat wil zeggen conventionele raketten op brandstof en elektrische raketten op zonne-energie.
Chemische voortstuwingssystemen bieden veel stuwkracht, maar zijn niet bijzonder efficiënt, en raketbrandstof is niet erg energie-intensief. De Saturn 5-raket die de astronauten naar de maan bracht, produceerde bij het opstijgen 35 miljoen Newton kracht en droeg 950.000 gallon (4.318.787 liter) brandstof. Het meeste werd gebruikt om de raket in een baan om de aarde te krijgen, dus de beperkingen liggen voor de hand: waar je ook gaat, je hebt veel zware brandstof nodig.
Elektrische voortstuwingssystemen genereren stuwkracht met behulp van elektriciteit van zonnepanelen. De meest gebruikelijke manier om dit te bereiken is om een elektrisch veld te gebruiken om ionen te versnellen, zoals in een Hall-inductie-thruster. Deze apparaten worden gebruikt om satellieten van stroom te voorzien en hun gewichtsefficiëntie is vijf keer die van chemische systemen. Maar tegelijkertijd geven ze veel minder stuwkracht af - ongeveer 3 newton. Dit is slechts voldoende om de auto in ongeveer twee en een half uur van 0 naar 100 kilometer per uur te laten accelereren. De zon is in wezen een bodemloze energiebron, maar hoe verder het schip ervan af beweegt, hoe minder nuttig het is.
Een van de redenen waarom kernraketten bijzonder veelbelovend zijn, is hun ongelooflijke energie-intensiteit. Uraniumbrandstof die in kernreactoren wordt gebruikt, heeft een energie-intensiteit van 4 miljoen keer die van hydrazine, een typische chemische raketbrandstof. En het is veel gemakkelijker om wat uranium de ruimte in te krijgen dan honderdduizenden liters brandstof.
Hoe zit het met tractie en gewichtsefficiëntie?
Twee nucleaire opties
Voor ruimtevaart hebben ingenieurs twee hoofdtypen nucleaire systemen ontwikkeld.
De eerste is een thermonucleaire motor. Deze systemen zijn erg krachtig en zeer efficiënt. Ze gebruiken een kleine kernsplijtingsreactor - zoals die op kernonderzeeërs - om een gas (zoals waterstof) te verwarmen. Dit gas wordt vervolgens versneld door het raketmondstuk om stuwkracht te leveren. NASA-ingenieurs hebben berekend dat een reis naar Mars met een thermonucleaire motor 20-25% sneller zal zijn dan een raket met een chemische motor.
Fusion-motoren zijn meer dan twee keer zo efficiënt als chemische motoren. Dit betekent dat ze twee keer zoveel stuwkracht leveren voor dezelfde hoeveelheid brandstof - tot 100.000 Newton stuwkracht. Dit is voldoende om de auto in ongeveer een kwart seconde naar 100 kilometer per uur te accelereren.
Het tweede systeem is een nucleaire elektrische raketmotor (NEP). Geen van deze is nog gemaakt, maar het idee is om een krachtige splijtingsreactor te gebruiken om elektriciteit op te wekken, die vervolgens een elektrisch voortstuwingssysteem zoals een Hall-motor zal aandrijven. Dat zou heel effectief zijn - ongeveer drie keer efficiënter dan een fusiemotor. Omdat de kracht van een kernreactor enorm is, kunnen meerdere afzonderlijke elektromotoren tegelijkertijd werken en zal de stuwkracht solide blijken te zijn.
Nucleaire raketmotoren zijn misschien wel de beste keuze voor missies op zeer lange afstand: ze hebben geen zonne-energie nodig, zijn zeer efficiënt en bieden een relatief hoge stuwkracht. Maar ondanks hun veelbelovende karakter, heeft NEP nog steeds veel technische problemen die moeten worden opgelost voordat ze in gebruik worden genomen.
Waarom zijn er nog steeds geen nucleair aangedreven raketten?
Fusiemotoren worden sinds de jaren zestig bestudeerd, maar zijn nog niet de ruimte in gevlogen.
Onder het handvest van de jaren zeventig werd elk nucleair ruimteproject afzonderlijk beschouwd en kon het niet verder gaan zonder de goedkeuring van een aantal overheidsinstanties en de president zelf. In combinatie met een gebrek aan financiering voor onderzoek naar nucleaire raketsystemen heeft dit de verdere ontwikkeling van kernreactoren voor gebruik in de ruimte verhinderd.
Maar dat veranderde allemaal in augustus 2019 toen de regering-Trump een presidentieel memorandum publiceerde. Hoewel de nieuwe richtlijn aandringt op de maximale veiligheid van nucleaire lanceringen, staan nucleaire missies met kleine hoeveelheden radioactief materiaal nog steeds toe zonder ingewikkelde goedkeuring tussen instanties. Bevestiging door een sponsorend bureau zoals NASA dat de missie voldoet aan de veiligheidsaanbevelingen is voldoende. Grote nucleaire missies doorlopen dezelfde procedures als voorheen.
Samen met deze herziening van de regels ontving NASA $ 100 miljoen uit het budget voor 2019 voor de ontwikkeling van thermonucleaire motoren. Het Defense Advanced Research Projects Agency ontwikkelt ook een thermonucleaire ruimtemotor voor nationale veiligheidsoperaties buiten de baan om de aarde.
Na 60 jaar stagnatie is het mogelijk dat binnen een decennium een nucleaire raket de ruimte in gaat. Deze ongelooflijke prestatie zal een nieuw tijdperk van verkenning van de ruimte inluiden. De mens zal naar Mars gaan en wetenschappelijke experimenten zullen leiden tot nieuwe ontdekkingen in het zonnestelsel en daarbuiten.
Iain Boyd is hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Colorado in Boulder