Era baru eksplorasi luar angkasa di balik mesin roket fusi

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

NASA dan Elon Musk memimpikan Mars, dan misi luar angkasa berawak akan segera menjadi kenyataan. Anda mungkin akan terkejut, tetapi roket modern terbang sedikit lebih cepat daripada roket masa lalu.

Pesawat luar angkasa cepat lebih nyaman karena berbagai alasan, dan cara terbaik untuk mempercepat adalah melalui roket bertenaga nuklir. Mereka memiliki banyak keunggulan dibandingkan roket berbahan bakar konvensional atau roket listrik bertenaga surya modern, tetapi dalam 40 tahun terakhir, Amerika Serikat hanya meluncurkan delapan roket bertenaga nuklir.

Namun, pada tahun lalu, undang-undang tentang perjalanan ruang angkasa nuklir berubah, dan pengerjaan roket generasi berikutnya telah dimulai.

Mengapa kecepatan dibutuhkan?

Pada tahap pertama setiap penerbangan ke luar angkasa, kendaraan peluncuran diperlukan - itu membawa kapal ke orbit. Mesin besar ini menggunakan bahan bakar yang mudah terbakar - dan biasanya saat meluncurkan roket, memang demikian. Mereka tidak akan kemana-mana dalam waktu dekat - seperti gaya gravitasi.

Tetapi ketika kapal memasuki ruang angkasa, segalanya menjadi lebih menarik. Untuk mengatasi gravitasi bumi dan masuk ke luar angkasa, kapal membutuhkan percepatan tambahan. Di sinilah sistem nuklir berperan. Jika astronot ingin menjelajahi sesuatu di luar Bulan atau bahkan lebih Mars, mereka harus bergegas. Kosmos sangat besar, dan jaraknya agak besar.

Ada dua alasan mengapa roket cepat lebih cocok untuk perjalanan ruang angkasa jarak jauh: keamanan dan waktu.

Dalam perjalanan ke Mars, astronot menghadapi tingkat radiasi yang sangat tinggi, penuh dengan masalah kesehatan yang serius, termasuk kanker dan infertilitas. Perisai radiasi dapat membantu, tetapi ini sangat berat dan semakin lama misinya, perisai yang lebih kuat akan dibutuhkan. Oleh karena itu, cara terbaik untuk mengurangi dosis radiasi adalah dengan tiba di tempat tujuan lebih cepat.

Tapi keselamatan kru bukan satu-satunya keuntungan. Semakin jauh penerbangan yang kami rencanakan, semakin cepat kami membutuhkan data dari misi tak berawak. Butuh Voyager 2 12 tahun untuk mencapai Neptunus - dan saat terbang, ia mengambil beberapa gambar yang luar biasa. Jika Voyager memiliki mesin yang lebih kuat, foto-foto dan data ini akan muncul di astronom jauh lebih awal.

Jadi kecepatan adalah keuntungan. Tapi mengapa sistem nuklir lebih cepat?

Sistem hari ini

Setelah mengatasi gaya gravitasi, kapal harus mempertimbangkan tiga aspek penting.

Dorongan- berapa percepatan yang akan diterima kapal.

Efisiensi berat:- berapa banyak daya dorong yang dapat dihasilkan sistem untuk sejumlah bahan bakar tertentu.

Konsumsi energi spesifik- berapa banyak energi yang diberikan sejumlah bahan bakar.

Saat ini, mesin kimia yang paling umum adalah roket berbahan bakar bahan bakar konvensional dan roket listrik bertenaga surya.

Sistem propulsi kimia memberikan banyak daya dorong, tetapi tidak terlalu efisien, dan bahan bakar roket tidak terlalu intensif energi. Roket Saturn 5 yang membawa astronot ke bulan menghasilkan gaya 35 juta newton saat lepas landas dan membawa 950.000 galon (4.318.787 liter) bahan bakar. Sebagian besar digunakan untuk membawa roket ke orbit, jadi batasannya jelas: ke mana pun Anda pergi, Anda membutuhkan banyak bahan bakar berat.

Sistem propulsi listrik menghasilkan daya dorong menggunakan listrik dari panel surya. Cara paling umum untuk mencapai ini adalah dengan menggunakan medan listrik untuk mempercepat ion, misalnya, seperti pada pendorong induksi Hall. Perangkat ini digunakan untuk memberi daya pada satelit, dan efisiensi bobotnya lima kali lipat dari sistem kimia. Tetapi pada saat yang sama mereka memberikan daya dorong yang jauh lebih sedikit - sekitar 3 newton. Ini hanya cukup untuk mempercepat mobil dari 0 hingga 100 kilometer per jam dalam waktu sekitar dua setengah jam. Matahari pada dasarnya adalah sumber energi tanpa dasar, tetapi semakin jauh kapal menjauh darinya, semakin tidak berguna.

Salah satu alasan mengapa rudal nuklir sangat menjanjikan adalah intensitas energinya yang luar biasa. Bahan bakar uranium yang digunakan dalam reaktor nuklir memiliki kandungan energi 4 juta kali lipat dari hidrazin, bahan bakar roket kimia biasa. Dan jauh lebih mudah untuk memasukkan uranium ke luar angkasa daripada ratusan ribu galon bahan bakar.

Bagaimana dengan traksi dan efisiensi bobot?

Dua opsi nuklir

Untuk perjalanan ruang angkasa, para insinyur telah mengembangkan dua jenis utama sistem nuklir.

Yang pertama adalah mesin termonuklir. Sistem ini sangat kuat dan sangat efisien. Mereka menggunakan reaktor fisi nuklir kecil - seperti yang ada di kapal selam nuklir - untuk memanaskan gas (seperti hidrogen). Gas ini kemudian dipercepat melalui nosel roket untuk memberikan daya dorong. Insinyur NASA telah menghitung bahwa perjalanan ke Mars menggunakan mesin termonuklir akan 20-25% lebih cepat daripada roket dengan mesin kimia.

Mesin fusi lebih dari dua kali lebih efisien daripada mesin kimia. Ini berarti bahwa mereka menghasilkan dua kali daya dorong untuk jumlah bahan bakar yang sama - hingga 100.000 Newton daya dorong. Ini cukup untuk mempercepat mobil hingga kecepatan 100 kilometer per jam dalam waktu sekitar seperempat detik.

Sistem kedua adalah mesin roket listrik nuklir (NEPE). Tak satu pun dari ini telah dibuat, tetapi idenya adalah menggunakan reaktor fisi yang kuat untuk menghasilkan listrik, yang kemudian akan memberi daya pada sistem propulsi listrik seperti motor Hall. Itu akan sangat efektif - sekitar tiga kali lebih efisien daripada mesin fusi. Karena daya reaktor nuklir sangat besar, beberapa motor listrik terpisah dapat bekerja pada saat yang sama, dan daya dorongnya akan menjadi padat.

Motor roket nuklir mungkin merupakan pilihan terbaik untuk misi jarak jauh: mereka tidak memerlukan energi matahari, sangat efisien dan memberikan daya dorong yang relatif tinggi. Tetapi dengan semua sifatnya yang menjanjikan, sistem propulsi tenaga nuklir masih memiliki banyak masalah teknis yang harus dipecahkan sebelum dioperasikan.

Mengapa masih belum ada rudal bertenaga nuklir?

Mesin termonuklir telah dipelajari sejak tahun 1960-an, tetapi belum diterbangkan ke luar angkasa.

Di bawah piagam tahun 1970-an, setiap proyek ruang angkasa nuklir dianggap terpisah dan tidak dapat melangkah lebih jauh tanpa persetujuan sejumlah lembaga pemerintah dan presiden sendiri. Ditambah dengan kurangnya dana untuk penelitian sistem rudal nuklir, ini telah menghambat pengembangan lebih lanjut dari reaktor nuklir untuk digunakan di luar angkasa.

Tapi itu semua berubah pada Agustus 2019 ketika pemerintahan Trump mengeluarkan memorandum presiden. Sementara bersikeras pada keselamatan maksimum peluncuran nuklir, arahan baru masih memungkinkan misi nuklir dengan bahan radioaktif dalam jumlah rendah tanpa persetujuan antarlembaga yang rumit. Konfirmasi oleh lembaga sponsor seperti NASA bahwa misi tersebut sesuai dengan rekomendasi keselamatan sudah cukup. Misi nuklir besar melalui prosedur yang sama seperti sebelumnya.

Bersamaan dengan revisi aturan ini, NASA menerima $ 100 juta dari anggaran 2019 untuk pengembangan mesin termonuklir. Defense Advanced Research Projects Agency juga mengembangkan mesin luar angkasa termonuklir untuk operasi keamanan nasional di luar orbit Bumi.

Setelah 60 tahun stagnasi, ada kemungkinan roket nuklir akan pergi ke luar angkasa dalam satu dekade. Pencapaian luar biasa ini akan mengantarkan era baru eksplorasi ruang angkasa. Manusia akan pergi ke Mars, dan eksperimen ilmiah akan menghasilkan penemuan baru di seluruh tata surya dan sekitarnya.