Solsystemet är en riktigt stor plats, och det tar alltid att resa från världen till världen med traditionella kemiska raketer. Men en teknik, utvecklad på 1960-talet, kan ge ett sätt att dramatiskt förkorta våra resetider: kärnvapen.
Självklart har också en egen raket att starta en raket som drivs av radioaktivt material. Ska vi försöka det?
Låt oss säga att du ville besöka Mars med en kemisk raket. Du skulle spränga från jorden och gå in i låg jordbana. Sedan, i rätt ögonblick, skulle du skjuta din raket och höja din bana från solen. Den nya elliptiska banan som du följer korsar Mars med åtta månaders flygning.
Det här kallas Hohmann-överföring, och det är det mest effektiva sättet vi vet hur vi reser i rymden med den minsta mängden drivmedel och den största mängden nyttolast. Problemet är naturligtvis tiden det tar. Under resan kommer astronauter att konsumera mat, vatten, luft och utsättas för långsiktigt strålning av djupa rymden. Sedan fördubblar ett returuppdrag behovet av resurser och fördubblar strålningsbelastningen.
Vi måste gå snabbare.
Det visar sig att NASA har tänkt på vad som kommer sedan efter kemiska raketer i nästan 50 år.
Kärnvärmraketer. De påskyndar definitivt resan, men de är inte utan sina egna risker, varför du inte har sett dem. Men kanske är deras tid här.
1961 arbetade NASA och Atomic Energy Commission tillsammans om idén om kärnvärmeframdrivning, eller NTP. Detta var banbrytande av Werner von Braun, som hoppades att mänskliga uppdrag skulle flyga till Mars på 1980-talet, på vingarna av kärnvapen.
Det hände inte. Men de utförde några framgångsrika tester med termisk framdrivning av kärnkraft och visade att det fungerar.
Medan en kemisk raket fungerar genom att antända någon form av brandfarlig kemikalie och sedan tvinga avgaserna ut ett munstycke. Tack vare den gamla gamla Newtons tredje lag, vet du, för varje handling finns det en lika och motsatt reaktion, raketen får ett tryck i motsatt riktning från de utvisade gaserna.
En kärnraket fungerar på liknande sätt. En marmorstor boll med uranbränsle genomgår processen med klyvning och släpper en enorm mängd värme. Detta värmer upp ett väte till nästan 2 500 C, som sedan utvisas på baksidan av raketten med hög hastighet. Mycket mycket hög hastighet, vilket ger raketen två till tre gånger framdrivningseffektiviteten för en kemisk raket.
Kommer du ihåg de 8 månader som jag nämnde för en kemisk raket? En kärnvärmraket kunde minska transittiden i halva, kanske till och med 100 dagsutflykter till Mars. Vilket innebär mindre resurser som astronauterna förbrukar och en lägre strålningsbelastning.
Och det finns en annan stor fördel. Styrkan från en kärnvapen skulle tillåta uppdrag att gå när Jorden och Mars inte är perfekt i linje. Just nu, om du saknar ditt fönster, måste du vänta i ytterligare två år, men en kärnvapen skulle kunna ge dig kraft att hantera flygförseningar.
De första testerna av kärnraketer startade 1955 med Project Rover vid Los Alamos Scientific Laboratory. Den viktigaste utvecklingen var att miniatyrera reaktorerna tillräckligt för att kunna sätta dem på en raket. Under de närmaste åren byggde och testade ingenjörer mer än ett dussin reaktorer i olika storlekar och effektuttag.
Med framgång med Project Rover satte NASA sina synpunkter på de mänskliga uppdragen till Mars som skulle följa Apollo-landarna på månen. På grund av avståndet och flygtiden bestämde de sig för att kärnraketer skulle vara nyckeln till att göra uppdragen mer kapabla.
Kärnraketer är naturligtvis inte utan deras risker. En reaktor ombord skulle vara en liten strålningskälla för astronautbesättningen ombord, detta skulle uppvägas av den minskade flygtiden. Själva djuputrymmet är en enorm strålningsrisk, med konstant galaktisk kosmisk strålning som skadar astronautens DNA.
I slutet av 1960-talet inrättade NASA programmet Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, eller NERVA, för att utveckla teknologier som skulle bli kärnraketer som skulle ta människor till Mars.
De testade större, kraftfullare kärnraketer i Nevadaöknen och ventilerade vätgasen med hög hastighet rakt ut i atmosfären. Miljölagar var mycket mindre stränga då.
Den första NERVA NRX testades så småningom i nästan två timmar, med 28 minuter vid full effekt. Och en andra motor startades 28 gånger och kördes i 115 minuter.
I slutet testade de den mest kraftfulla kärnreaktor som någonsin byggts, Phoebus-2A-reaktorn, som kan generera 4 000 megawatt kraft. Tryck i 12 minuter.
Även om de olika komponenterna faktiskt aldrig samlades in i en flyktklar raket, var ingenjörerna nöjda med att en kärnvapen skulle uppfylla behoven för en flygning till Mars.
Men då beslutade USA att de inte ville åka till Mars längre. De ville ha rymdfärjan istället.
Programmet stängdes 1973 och ingen testade kärnraketer sedan dess.
Men de senaste tekniska framstegen har gjort kärnkraftens framdrivning mer tilltalande. Redan på 1960-talet var den enda bränslekällan de kunde använda mycket anrikat uran. Men nu tror ingenjörer att de kan klara sig med låganrikat uran.
Detta skulle vara säkrare att arbeta med och skulle göra det möjligt för fler raketanläggningar att utföra tester. Det skulle också vara lättare att fånga de radioaktiva partiklarna i avgaserna och kassera dem på rätt sätt. Det skulle minska de totala kostnaderna för att arbeta med tekniken.
Den 22 maj 2019 godkände den amerikanska kongressen $ 125 miljoner dollar i finansiering för utveckling av raketer med termisk framdrivning. Även om detta program inte har någon roll att spela i NASA: s Artemis 2024 återkomst till månen, uppmanar den - citat - NASA att utveckla en flerårig plan som möjliggör en demonstration av termisk framdrivning av kärnkraft inklusive tidslinjen associerad med rymdemonstrationen och en beskrivning av framtida uppdrag och framdrivnings- och kraftsystem aktiverade med denna kapacitet. ”
Kärnklyvning är ett sätt att utnyttja atomens kraft. Naturligtvis kräver det anrikat uran och genererar giftigt radioaktivt avfall. Vad sägs om fusion? Där väteatomer pressas in i helium och frigör energi?
Solen har fusion utarbetat, tack vare sin enorma massa och kärntemperatur, men hållbar, energipositiv fusion har varit svårfångad av oss dumma människor.
Stora experiment som ITER i Europa hoppas kunna upprätthålla fusionsenergi inom det närmaste decenniet. Efter det kan du föreställa dig att fusionsreaktorer blir miniatyriserade till att de kan tjäna samma roll som en fissionreaktor i en kärnvapen. Men även om du inte kan få fusionsreaktorer så att de är netto energipositiva kan de fortfarande ge en enorm acceleration för mängden massa.
Och kanske behöver vi inte vänta decennier. En forskargrupp vid Princeton Plasma Physics Laboratory arbetar med ett koncept som kallas Direct Fusion Drive, som de tror kan vara klart mycket tidigare.
Den är baserad på Princeton Field-Reversed Configuration-fusionsreaktorn utvecklad 2002 av Samuel Cohen. Het plasma av helium-3 och deuterium finns i en magnetbehållare. Helium-3 är sällsynt på jorden och värdefull eftersom fusionsreaktioner med den inte genererar samma mängd farligt strålning eller kärnavfall som andra fusions- eller fissionreaktorer.
Liksom med klyvningsraketten värmer en fusionsraket upp ett drivmedel till höga temperaturer och spränger sedan ut ryggen och producerar drivkraft.
Det fungerar genom att samla upp ett gäng linjära magneter som innehåller och snurrar mycket het plasma. Antenner runt plasma är inställda på den specifika frekvensen för jonerna och skapar en ström i plasma. Deras energi pumpas upp till den punkt som atomerna smälter samman och släpper nya partiklar. Dessa partiklar vandrar genom inneslutningsfältet tills de fångas upp av magnetfältlinjerna och de accelereras ut ur raketens baksida.
I teorin skulle en fusionsraket kunna ge 2,5 till 5 Newtons tryck per megawatt, med en specifik impuls på 10 000 sekunder - kom ihåg 850 från fission raketer och 450 från kemiska raketer. Det skulle också generera el som behövs av rymdskeppet långt från solen, där solpaneler inte är särskilt effektiva.
En Direct Fusion Drive skulle kunna transportera ett uppdrag på 10 ton till Saturn på bara 2 år, eller ett rymdfarkoster på 1 ton från Jorden till Pluto på cirka 4 år. Nya horisonter behövde nästan 10.
Eftersom det också är en fusionsreaktor på 1 megawatt, skulle den också ge kraft för alla rymdskeppets instrument när den anländer. Mycket mycket mer än de kärnbatterier som för närvarande transporteras av djupa rymdsuppdrag som Voyager och New Horizons.
Föreställ dig vilka typer av interstellära uppdrag som kan finnas på bordet med denna teknik också.
Och Princeton Satellite Systems är inte den enda gruppen som arbetar med system som denna. Tillämpade fusionssystem har ansökt om patent för en kärnfusionsmotor som kan ge kraft till rymdskepp.
Jag vet att det har gått decennier sedan NASA allvarligt testat kärnvapen som ett sätt att förkorta flygtiderna, men det ser ut som om tekniken är tillbaka. Under de närmaste åren förväntar jag mig att se ny hårdvara och nya tester av kärnvärme framdrivningssystem. Och jag är otroligt upphetsad över möjligheten att faktiska fusionsdrivande tar oss till andra världar. Som alltid, håll dig uppdaterad, jag ska meddela dig när man faktiskt flyger.
