V posledních čtyřech desetiletích dokázala NASA a další vesmírné agentury z celého světa úžasné činy. Společně vyslali pilotované mise na Měsíc, prozkoumali Mars, zmapovali Venuši a Merkur, prováděli průzkumy a pořídili úchvatné snímky vnější sluneční soustavy. Nicméně s výhledem na další generaci průzkumu a na vzdálenější hranice, které je třeba prozkoumat, je jasné, že je třeba předložit nové nápady, jak se do těchto destinací rychle a efektivně dostat.
V zásadě to znamená najít způsoby, jak pohánět rakety, které jsou palivově a nákladově efektivnější a přitom stále poskytují nezbytnou energii k tomu, aby se posádky, vozítka a orbitery dostaly do jejich vzdálených cílů. V tomto ohledu NASA dobře posuzuje jaderné štěpení jako možný způsob pohonu.
Ve skutečnosti podle prezentace vytvořil doktor Michael G. Houts z NASA Marshall Space Flight Center v říjnu 2014, jaderná energie a pohon mají potenciál stát se „technologiemi, které mění hru pro výzkum vesmíru“.
Jako manažer nukleárního tepelného výzkumu Marshall Space Flight Center je Dr. Houts dobře obeznámen s výhodami, které nabízí průzkum vesmíru. Podle prezentace, kterou on a ostatní zaměstnanci provedli, lze štěpný reaktor použít v raketovém designu k vytvoření jaderného tepelného pohonu (NTP). V raketě NTP se reakce uranu nebo deuteria používají k ohřevu kapalného vodíku uvnitř reaktoru, který se přeměňuje na plynný ionizovaný vodík (plazma), který je pak veden tryskou rakety a vytváří tah.
Návrh NASA pro jaderný motor pro aplikace raketových vozidel (NERVA). Obrazový kredit: NASA
Druhá možná metoda, známá jako jaderný elektrický pohon (NEC), zahrnuje stejný základní reaktor přeměňující své teplo a energii na elektrickou energii, která pak pohání elektrický motor. V obou případech se raketa spoléhá na jaderné štěpení, aby generovala pohon spíše než chemické pohonné látky, což bylo doposud hlavní oporou NASA a všech ostatních vesmírných agentur.
Ve srovnání s touto tradiční formou pohonu nabízí NTP i NEC řadu výhod. První a nejzřetelnější je prakticky neomezená hustota energie, kterou nabízí ve srovnání s raketovým palivem. V ustáleném stavu produkuje štěpný reaktor v průměru 2,5 neutronu na reakci. K následnému štěpení, řetězové reakci a zajištění konstantní energie by však stačil jediný neutron.
Ve skutečnosti by podle zprávy mohla raketa NTP generovat 200 kWt energie s použitím jediného kilogramu uranu po dobu 13 let – což se vyšplhalo až k hodnocení palivové účinnosti asi 45 gramů na 1 000 MW-h.
Kromě toho by motor s jaderným pohonem mohl také poskytovat lepší tah vzhledem k množství použitého pohonu. Toto je to, co je známé jako specifický impuls, který se měří buď v kilo-newtonech za sekundu na kilogram (kN·s/kg), nebo v množství sekund, které může raketa nepřetržitě vystřelit. To by snížilo celkové množství potřebného pohonu, čímž by se snížila hmotnost startu a náklady na jednotlivé mise. A výkonnější jaderný motor by znamenal zkrácení doby jízdy, další opatření ke snížení nákladů.
Klíčové prvky jaderně-tepelného motoru NERVA s pevným jádrem. Kredit: NASA
Ačkoli žádné jaderně-tepelné motory nikdy nelétaly, v posledních několika desetiletích bylo postaveno a testováno několik konstrukčních konceptů a bylo navrženo mnoho konceptů. Ty sahaly od tradičního designu s pevným jádrem až po pokročilejší a účinnější koncepty, které spoléhají buď na kapalné nebo plynné jádro.
V případě konstrukce s pevným jádrem, jediného typu, který byl kdy postaven, reaktor vyrobený z materiálů s velmi vysokým bodem tání obsahuje soubor pevných uranových tyčí, které podléhají řízenému štěpení. Vodíkové palivo je obsaženo v samostatné nádrži a poté prochází trubkami kolem reaktoru, získává teplo a přeměňuje se na plazmu, než je vedeno tryskami k dosažení tahu.
Při použití vodíkové pohonné hmoty poskytuje konstrukce s pevným jádrem specifické impulsy v řádu 850 až 1000 sekund, což je asi dvojnásobek oproti konstrukcím s kapalným vodíkem a kyslíkem – tedy hlavním motorem raketoplánu.
Významná nevýhoda však vyplývá ze skutečnosti, že jaderné reakce v modelu s pevným jádrem mohou vytvářet mnohem vyšší teploty, než jaké mohou odolat konvenčním materiálům. Praskání povlaků paliva může být také výsledkem velkých teplotních změn podél délky tyčí, což dohromady obětuje velkou část potenciálu motoru pro výkon.
Schéma otevřeného cyklu, plynového designu pro jaderně-tepelný raketový motor. Kredit: NASA
Mnoho z těchto problémů bylo řešeno konstrukcí kapalného jádra, kde se jaderné palivo přimíchává do kapalného vodíku a umožňuje, aby štěpná reakce probíhala v samotné kapalné směsi. Tato konstrukce může pracovat při teplotách nad bodem tání jaderného paliva díky tomu, že stěna nádoby je aktivně chlazena kapalným vodíkem. Očekává se také, že poskytne specifický impulsní výkon 1300 až 1500 (1,3 až 1,5 kN·s/kg) sekund.
Ve srovnání s konstrukcí s pevným jádrem jsou však motory tohoto typu mnohem komplikovanější, a tudíž dražší a obtížněji se staví. Část problému souvisí s časem potřebným k dosažení štěpné reakce, který je výrazně delší než čas potřebný k zahřátí vodíkového paliva. Proto motory tohoto druhu vyžadují způsoby jak zachycovat palivo uvnitř motoru a současně umožnit ohřátému plazmatu schopnost vystupovat tryskou.
Konečná klasifikace je motor s plynovým jádrem, modifikace konstrukce s kapalným jádrem, která využívá rychlou cirkulaci k vytvoření prstencové kapsy plynného uranového paliva uprostřed reaktoru, která je obklopena kapalným vodíkem. V tomto případě se vodíkové palivo nedotýká stěny reaktoru, takže teploty mohou být udržovány pod bodem tání použitých materiálů.
Motor tohoto druhu by mohl umožnit specifické impulsy 3000 až 5000 sekund (30 až 50 kN·s/kg). Ale v konstrukci s „otevřeným cyklem“ tohoto druhu by bylo obtížné kontrolovat ztráty jaderného paliva. Pokus o nápravu byl navržen s „designem uzavřeného cyklu“ – aka. motor s „jadernou žárovkou“ – kde je plynné jaderné palivo obsaženo v sérii kvartových nádob o super vysoké teplotě.
Jaderný tepelný raketový motor s plynovým jádrem s uzavřenou koncepcí (aka. Žárovka). Kredit: NASA
Ačkoli je tato konstrukce méně účinná než konstrukce s otevřeným cyklem a má více společného s koncepcí s pevným jádrem, omezujícím faktorem je zde kritická teplota křemene a nikoli teplota palivové sady. Navíc se očekává, že design s uzavřeným cyklem bude stále poskytovat slušný specifický impuls asi 1500–2000 sekund (15–20 kN·s/kg).
Jak však Houts naznačil, jedním z největších přínosů jaderného štěpení je dlouhá historie služeb, které se zde na Zemi těší. Kromě komerčních reaktorů zajišťujících elektřinu po celém světě, námořní plavidla (jako letadlové lodě a ponorky) po desetiletí dobře využívají reaktory s pomalým štěpením.
NASA také již více než čtyři desetiletí spoléhá na jaderné reaktory pro pohon bezpilotních plavidel a roverů, zejména ve formě radioizotopových termoelektrických generátorů (RTG) a radioizotopových ohřívacích jednotek (RHU). V prvním případě se teplo vytváří pomalým rozpadem plutonia-238 (Pu-238), které se následně přeměňuje na elektřinu. V případě posledně jmenovaného se teplo samotné používá k udržení komponentů a lodních systémů v teple a provozu.
Tyto typy generátorů byly použity k napájení a údržbě všeho od raket Apollo po Curiosity Rover, stejně jako nespočet satelitů, orbiterů a robotů mezi nimi. Od svého založení zahájila NASA celkem 44 misí, které používaly buď RTG nebo RHU, zatímco bývalý sovětský vesmírný program zahájil poměrně solidních 33.
Pomocí modulárních komponent by mohla být kosmická loď NTP vybavena pro řadu profilů misí. Kredit: NASA
Jaderné motory byly určitou dobu také zvažovány jako náhrada za J-2, kryogenní raketový motor na kapalné palivo používaný na stupních S-II a S-IVB na raketách Saturn V a Saturn I. Ale navzdory tomu, že se jednalo o četné verze reaktorů s pevným jádrem vyrobených a testovaných v minulosti, žádný nebyl nikdy uveden do provozu pro skutečný vesmírný let.
V letech 1959 až 1972 Spojené státy testovaly dvacet různých velikostí a konstrukcí během Project Rover a programu NASA Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA). Nejvýkonnějším motorem, který kdy byl testován, byl Phoebus 2a, který při vysokovýkonném testu pracoval celkem 32 minut – z toho 12 minut bylo na úrovních výkonu více než 4,0 milionů kilowattů.
Ale při pohledu do budoucnosti vidí Houts a Marshall Space Flight Center velký potenciál a mnoho možných aplikací. Příklady citované ve zprávě zahrnují družice dlouhého dosahu, které by mohly prozkoumat vnější sluneční soustavu a Kuiperův pás, rychlou a efektivní dopravu pro mise s lidskou posádkou po celé Sluneční soustavě a dokonce i dodávky energie pro osídlení na Měsíci a Marsu jednoho dne.
Jednou z možností je vybavit nejnovější vlajkovou loď NASA – Space Launch System (SLS) – chemicky poháněnými motory spodního stupně a jaderně-tepelným motorem na horním stupni. Jaderný motor by zůstal „studený“, dokud by raketa nedosáhla oběžné dráhy, v tomto okamžiku by byl rozmístěn horní stupeň a reaktor by byl aktivován, aby generoval tah.
Návrhy NASA na průzkumná vozítka a plavidla s jaderným pohonem. Kredit: NASA
Tento koncept „bimodální“ rakety – takové, která se při dosažení oběžné dráhy opírá o chemické pohonné látky a jaderně-tepelný motor pro pohon ve vesmíru – by se mohl v nadcházejících letech stát hlavním pilířem NASA a dalších vesmírných agentur. Podle les a dalších v Marshallu, by dramatické zvýšení účinnosti nabízené takovými raketami mohlo také usnadnit plány NASA na průzkum Marsu tím, že umožní spolehlivé dodání vysoce hmotných automatizovaných nákladů před misemi s lidskou posádkou.
Tyto stejné rakety by pak mohly být přestavěny na rychlost (místo hmotnosti) a použity k přepravě samotných astronautů na Mars za zhruba poloviční čas, než by cesta potřebovala konvenční raketa. To by nejen ušetřilo čas a snížilo náklady na misi, ale také by to zajistilo, že astronauti budou během letu vystaveni méně škodlivému slunečnímu záření.
Aby se tato vize stala skutečností, Dr. Houts a další výzkumníci z výzkumné a vývojové laboratoře pohonu Marshall Space Center v současné době provádějí testy související s NTP na Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator (nebo „NTREES“) v Huntsville, Alabama.
Zde strávili několik posledních let analýzou vlastností různých jaderných paliv v simulovaném tepelném prostředí a doufali, že se dozvědí více o tom, jak mohou ovlivnit výkon motoru a životnost, pokud jde o jaderně-termální raketový motor.
Koncepce znázorňující pilotované plavidlo s jaderným tepelným pohonem dosahující oběžné dráhy Marsu. Kredit: NASA
Tyto testy mají probíhat do června 2015 a očekává se, že položí základy pro rozsáhlé pozemní testy a případné testování v plném měřítku za letu. Konečným cílem toho všeho je zajistit, aby se mise s lidskou posádkou na Mars uskutečnila do 30. let 20. století, a poskytnout letovým inženýrům a plánovačům mise NASA všechny informace, které potřebují, aby ji prohlédli.
Ale samozřejmě je také pravděpodobné, že bude mít svůj podíl aplikací, pokud jde o budoucí lunární mise, vysílání posádek ke studiu objektů v blízkosti Země (NEO) a vysílání plavidel na měsíce Jovian a další místa ve vnější sluneční soustavě. Jak zpráva ukazuje, plavidla NTP lze snadno upravit pomocí modulárních komponent, aby prováděla vše od přistání nákladu na Měsíci přes mise s posádkou až po průzkum blízkozemních asteroidů (NEA).
Vesmír je velké místo a průzkum vesmíru je stále v plenkách. Ale pokud ho hodláme dál zkoumat a sklízet odměny, které takové úsilí nabízí, naše metody budou muset dozrát. NTP je pouze jednou navrhovanou možností. Ale na rozdíl od Nukleární pulzní pohon , Koncept Daedalus , antihmotové motory , nebo Alcubierre Warp Drive , raketa, která běží na jaderné štěpení, je proveditelná, praktická a možná v blízké budoucnosti.
Nukleární tepelný výzkum v Marshallově centru je součástí divize NASA Advanced Exploration Systems (AES), kterou řídí ředitelství lidských průzkumných a operačních misí a zahrnuje účast Ministerstva energetiky USA.