Прекрасное далеко: что дадут ракеты на ядерном топливе
Мечтая о Марсе, да и не только о нем, человечество создает новые ракеты с реактивными двигателями. Но вы можете быть удивлены, узнав, что современные ракеты летают не намного быстрее, чем ракеты прошлого.
Есть много причин гнаться за скоростью полетов. Первый шаг любого космического путешествия — выход на орбиту с помощью реактивных двигателей, у которых пока нет альтернатив. Когда же корабль попадает в космос, все становится гораздо интереснее — ему нужно дополнительное ускорение. Вот тут ядерные системы и вступят в игру. Если космонавты хотят исследовать что-то более отдаленное, чем Луна и, возможно, Марс, им нужно будет двигаться очень и очень быстро.
Есть две причины стремиться к этому: безопасность и время. По пути на Марс люди будут подвергаться воздействию очень высоких уровней радиации, что может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Радиационная защита весит немало, и чем дальше путь, тем массивнее она должна быть. Лучший способ уменьшить радиационное облучение — просто быстрее добраться до места назначения.
Но безопасность человека — не единственное преимущество, которое дает скорость. По мере того, как мы исследуем глубины космоса, появляется необходимость получать данные о нем как можно быстрее. Нам уже некогда ждать по 10 лет, пока аппараты доберутся до окраин Солнечной системы. Зонду Voyager 2 потребовалось 12 лет, чтобы долететь до Нептуна.
Чем отличаются двигатели
При сравнении двигателей необходимо учитывать три важных аспекта:
- тягу — насколько быстро система может ускорить корабль;
- массовую эффективность — сколько тяги система может произвести для данного количества топлива;
- плотность энергии — сколько энергии может произвести данное количество топлива.
В настоящее время наиболее распространенными двигателями являются химические, работающие на топливе, а также электрические, использующие солнечную энергию.
Химические двигатели обеспечивают большую тягу, но они неэффективны, а ракетное топливо недостаточно энергоемко. Ракета «Сатурн V», которая доставила астронавтов на Луну, производила 35 миллионов Ньютонов и в нее пришлось заправить 4,3 миллиона литров топлива. По сути эта ракета — огромный топливный бак.
Электрические двигательные установки генерируют тягу, питаясь от солнечных батарей. При этом используется электрическое поле для ускорения ионов — двигатель Холла. Подобные двигатели применяются в спутниках и могут иметь более чем в пять раз большую массовую эффективность, чем химические. Но их тяга никуда не годится — около трех ньютонов. Если бы вы оснастили таким мотором автомобиль, то до 100 км/ч он разгонялся бы примерно за два с половиной часа. Кроме того, чем этот двигатель дальше от Солнца, тем меньше энергии он получает.
Одна из причин, из-за которых возобновились разработки атомных двигателей, заключается в том, что они обладают невероятной плотностью энергии. Урановое топливо, используемое в ядерных реакторах, имеет плотность энергии в четыре миллиона раз превосходящую плотность химического ракетного топлива. Согласитесь, легче доставить в космос немного урана, чем миллионы литров жидкого топлива.
Два типа ядерных двигателей
Инженеры разработали два типа ядерных систем для космических путешествий. Первый называется ядерно-тепловым двигателем (nuclear thermal propulsion). Эти системы очень мощные и в меру эффективные. Они имеют небольшой ядерный реактор, подобный тем, которыми оснащаются атомные подводные лодки. В нем нагревается водород, который впоследствии ускоряется через сопло ракеты — так получается тяга. Инженеры NASA считают, что полет на Марс с ядерным двигателем будет на 20−25% быстрее.
Ядерно-тепловые двигательные установки более чем в два раза эффективнее химических двигателей. Это означает, что они генерируют вдвое больше тяги при одинаковом количестве ракетного топлива — до 100 000 ньютонов. Этого достаточно, чтобы разогнать автомобиль до скорости 100 км/ч за четверть секунды.
Вторая система называется ядерным электроракетным двигателем (nuclear electric propulsion). В реальности его еще не существует, но идея состоит в том, чтобы использовать мощный реактор для выработки электроэнергии, которая затем приводила бы в действие электрическую двигательную установку — все тот же двигатель Холла. Такая установка была бы примерно в три раза эффективнее ядерно-тепловой.
Спустя 60 лет простоя (ядерный двигатель — разработка 1960-х годов) ракета с ядерным двигателем может отправится в космос в течение ближайшего десятилетия. Это откроет новую эру освоения космоса. Марс станет гораздо ближе, а полеты к нему — дешевле. Научные же эксперименты будут проводиться быстрее, а исследователи будут осыпать нас открытиями, сделанными в разных уголках Солнечной системы и за ее пределами.
