Slnečná sústava z pohľadu nás ľudí, je veľmi veľkým priestorom a precestovať ju súčasnými technológiami, by nám trvalo celú večnosť. Klasické chemické rakety sú z tohto pohľadu úplne nevhodné. Avšak v 60. rokoch minulého storočia boli vyvinuté jadrové motory rakiet, ktoré by vedeli dramaticky skrátiť cestovanie Slnečnou sústavou.
Samozrejme, vypustenie kozmickej lode poháňanej rádioaktívnym materiálom má tiež svoje riziká. Oplatilo by sa to ale vyskúšať?
Predstavme si, že by sme chceli navštíviť planétu Mars pomocou chemickej rakety. Vyštartovali by sme zo Zeme na nízku orbitu a následne by sme manévrovali na dráhu, ktorá by nás po takmer 8 mesiacoch doviedla k planéte Mars. Použili by sme tzv. Hohmannov transfer, čo je najefektívnejší spôsob putovania vesmírom s použitím čo najmenšieho množstva pohonnej látky a čo najväčšieho užitočného zaťaženia. Jediným problémom je však čas, ktorý by sme na cestu potrebovali. Počas našej cesty na Mars by astronauti potrebovali jedlo, vodu, vzduch a boli by vystavený dlhodobému pôsobeniu kozmického žiarenia. Samozrejme, ak by sme sa chceli z Marsu vrátiť na Zem, museli by sme zásobu potrebných zdrojov zdvojnásobiť a logicky by sa zdvojnásobilo aj radiačné zaťaženie astronautov. Výsledok: Musíme ísť rýchlejšie!
NASA už takmer 50 rokov diskutuje a premýšľa nad tým, čo bude nasledovať po raketách na chemický pohon. Odpoveď je v súčasnosti jasná, bude to jadrový tepelný pohon (NTP). Tento typ pohonu jednoznačne urýchľuje cestovanie, avšak zároveň nie je celkom bez rizika. Ich čas pomaly, napriek problémom, prichádza.
V roku 1961 NASA a Komisia pre atómovú energiu (USA) pracovali na myšlienke jadrového tepelného pohonu. Jadrový tepelný pohon bol propagovaný aj Wernherom von Braunom, ktorý veril, že ľudia budú na Mars lietať na jadrových raketách už v 80. rokoch minulého storočia. Bohužiaľ, nestalo sa. Výsledkom myšlienok a snáh bolo množstvo prototypov a pokusom, ktoré jednoznačne preukázali, že jadrový tepelný pohon naozaj funguje.
Klasická chemická raketa pracuje tak, že v spaľovacej komore dochádza k zapáleniu a horeniu chemickej látky, pričom dochádza k úniku plynov z trysky. Vďaka starému dobrému tretiemu Newtonovmu zákonu vieme, že každá akcia vyvoláva rovnako veľkú opačnú reakciu, čo v našom prípade znamená, že raketa dostáva ťah opačným smerom ako unikajúce plyny. Raketa na jadrový pohon pracuje na veľmi podobnom princípe, len s tým rozdielom, že v spaľovacej komore sa nenachádza chemická látka ale napríklad uránové palivo, ktoré prechádza procesom štiepenia a pri tom uvoľňuje obrovské množstvo tepla. To ohrieva vodík na teplotu takmer 2500 °C, ktorý následne uniká tryskami z rakety vysokou rýchlosťou. Táto veľmi vysoká rýchlosť dáva rakete dvakrát až trikrát vyššiu účinnosť ako je to pri chemickom pohone. Teraz si spomeňme na 8 mesiacov dlhú cestu na Mars pri použití chemického pohonu. Po prepočítaní ťahu a účinnosti by nám kozmická loď na jadrový tepelný pohon umožnila skrátiť čas cesty na polovicu, možno aj na 100 dní. To znamená aj menej zdrojov, ktoré by museli astronauti so sebou niesť a zároveň by sa enormne znížilo radiačné zaťaženie posádky. Ďalšou výhodou by bola skutočnosť, že misie zo Zeme na Mars by sa mohli realizovať kedykoľvek a teda nie len v čase, keď je Zem a Mars orbitálne zosúladená. Práve zmeškanie štartovacieho okna v súčasnosti znamená, že musíme čakať dva roky, kým sa otvorí nové štartovacie okno.
Prvé testy jadrového pohonu sa začali v roku 1955 v rámci projektu Rover vo vedeckých laboratóriách Los Alamos. Kľúčom vývoja bola miniaturizácia reaktorov a to do takej veľkosti, aby ich bolo možné umiestniť do rakiet. V priebehu nasledujúcich niekoľkých rokov inžinieri z Los Alamos otestovali viac ako tucet reaktorov rôznych veľkostí a výkonov. S úspechom projektu Rover sa NASA zamerala na ľudské misie na Mars, ktoré by nasledovali po ukončení projektu Apollo. Vzhľadom na vzdialenosť Marsu a dĺžku letu sa rozhodli, že riešením bude využitie jadrového tepelného pohonu. Samozrejme, jadrový pohon nie je bez rizika. Samotný reaktor na palube lode je zdrojom žiarenia, ktoré vplýva na posádku, čo by však bolo kompenzované skrátením dĺžky letu. Na druhej strane samotný vesmír predstavuje pre posádku oveľa väčšie nebezpečenstvo a to najmä konštantnému galaktickému žiareniu, ktoré poškodzuje DNA astronautov.
Koncom 60. rokov minulého storočia NASA vytvorila program jadrového pohonu pre aplikáciu v raketách (NERVA), ktorý mal za úlohu vývoj technológií, ktoré by sa dali implementovať do rakiet a ktoré by v konečnom dôsledku dopravili ľudí na planétu Mars. V rámci projektu sa testovali väčšie a výkonnejšie jadrové pohony a to priamo v Nevadskej púšti. Tieto pokusné rakety vypúšťali zo svojich trysiek rýchlo unikajúci vodíkový plyn priamo do atmosféry Zeme. Áno, zákony o ochrane životného prostredia boli v týchto rokoch iba v plienkach. Prvý zostrojený jadrový pohon (NERVA NRX) bol testovaný takmer 2 hodiny a s plným výkonom bežal 28 minút. Druhý jadrový pohon bal naštartovaný celkovo 28 krát a bežal 115 minút. Nakoniec bol testovaný aj najvýkonnejší jadrový reaktor, aký bol kedy postavený, reaktor Phoebus-2A, schopný generovať 4 000 megawattov energie. Pracoval kontinuálne 12 minút. Hoci rôzne komponenty a reaktory neboli nikdy použité do reálne letiacej rakety, inžinieri boli spokojní, nakoľko nimi vyvinuté technológie boli schopné niesť kozmickú loď s ľudskou posádkou na planétu Mars. Potom sa však USA rozhodlo, že už nechce ísť na Mars a že lepším nápadom je vývoj raketoplánu. Z tohto dôvodu bol program vývoja jadrových tepelných motorov ukončený v roku 1973.
Vedecko technický pokrok v posledných rokoch ale myšlienku jadrového tepelného pohonu oprášil od prachu. V 60. rokoch minulého storočia bol pre NTP pohony jediným zdrojom paliva vysoko obohatený urán. V súčasnosti je ale možné v NTP použiť nízko obohatený urán, resp. vedci na tom intenzívne pracujú. Použitie nízko obohateného uránu by bolo dobrým riešením, nakoľko práca s ním je oveľa bezpečnejšia a zároveň umožní vykonávať viac raketových testov. Tiež by bolo oveľa jednoduchšie zachytávať rádioaktívne častice unikajúce tryskami a, áno vzhľadom na pokrok v oblasti ochrany životného prostredia, ich aj správne a ekologicky zlikvidovať. Suma sumárom to znamená zníženie celkových nákladov na vývoj technológie a jej použitie. Aj z tohto dôvodu americký Kongres v roku 2019 schválil financovanie vývoja NTP pohonu vo výške 125 miliónov dolárov.
Jadrové štiepenie je jedným zo spôsobov, ako využiť silu atómu. Samozrejme, vyžaduje obohatený urán a vytvára toxický rádioaktívny odpad. A čo fúzia? Kde sú atómy vodíka stlačené do hélia a uvoľňujú energiu? Vedeli by sme ju použiť na pohon kozmických lodí? Sila jadrovej fúzie je nepredstaviteľná, vďaka nej svietia hviezdy. Lenže nám ľudom sa technológia Slnka akosi nedarí polapiť. Obrovské experimenty, ako je napríklad ITER v Európe hľadajú vhodné riešenie a dúfajú, že v nasledujúcom desaťročí dokážu vyvinúť a udržať jadrovú fúziu. Potom už len bude potrebné fúzne reaktory miniaturizovať aby sa spratali do rakiet / kozmických lodí. Ale možno nemusíme čakať desaťročia. Výskumný tím Laboratória fyziky plazmy v Princetone pracuje na koncepte Direct Fusion Drive, ktorý by mohol byť pripravený oveľa skôr. Výskum je založený na reaktore Princeton Field-Reversed Configuration, ktorý v roku 2002 vyvinul Samuel Cohen. Horúca plazma hélia-3 a deutéria je obsiahnutá v magnetickej nádobe. Hélium-3 je na Zemi zriedkavé a cenné. Fúzne reakcie s použitím hélia-3 generujú oveľa menšie množstvo nebezpečného žiarenia alebo jadrového odpadu ako iné fúzne alebo štiepne reaktory.
Rovnako ako u jadrového tepelného pohonu, fúzna raketa ohrieva palivo na vysoké teploty, ktoré následne opúšťa trysky vysokou rýchlosťou. Princíp spočíva v použití lineárnych magnetov, ktoré obsahujú a otáčajú veľmi horúcu plazmu. Antény okolo plazmy sú naladené na špecifickú frekvenciu iónov a vytvárajú prúd v plazme. Ich energia sa akumuluje až do tej miery, že atómy sa vzájomne spájajú a uvoľňujú nové častice. Tieto častice putujú ochranným poľom, kým nie sú zachytené čiarami magnetického poľa a sú urýchľované tryskami do priestoru. Teoreticky by fúzny pohon mal byť schopný poskytnúť ťah 2,5 až 5 N na 1 megawatt a to so špecifickým impulzom 10 000 sekúnd. Pre porovnanie je potrebné uviesť, že NTP poskytne impulz len 850 sekúnd a chemický pohon len 450 sekúnd. Na druhej strane by mal fúzny pohon ďalšiu výhodu a to výrobu elektrickej energie pre celú kozmickú loď a jej systémy a to aj vo vzdialených častiach Slnečnej sústavy, kde sú nám solárne panely akurát tak na dve veci. Direct Fusion Drive by bol schopný dopraviť 10-tonovú misiu na Saturn len za 2 roky, alebo 1-tonovú kozmickú loď zo Zeme na Pluto asi za 4 roky. Sonda New Horizons na to potrebovala takmer 10 rokov. Fúzny motor by po príchode do cieľa misie poskytol zároveň dostatok energie pre všetky prístroje kozmickej lode. Oveľa viac ako jadrové batérie, ktoré v súčasnosti nesú misie hlbokého vesmíru ako sú sondy Voyager a New Horizons. Tak a teraz si môžeme pokojne predstaviť, ako by prebiehalo dobíjanie vesmíru ak by táto technológia nebola len na papieri ale aj v reálnej prevádzke. Samozrejme Princeton Satellite Systems nie je jedinou spoločnosťou, ktorá pracuje na nových pohonných systémoch. Spoločnosť Applied Fusion Systems požiadala o patent na jadrový fúzny motor, ktorý by mohol poskytnúť dostatočný ťah prípadnej kozmickej lodi.
Samozrejme, USA nie sú jedinou krajinou, ktorá má v úmysle pri dobývaní vesmíru využiť jadrový pohon. Ambície v tejto oblasti má aj Rusko. S jadrovými reaktormi experimentoval bývalý Sovietsky zväz počas studenej vojny. Tieto experimenty boli súčasťou projektu RORSAT, čo bolo niekoľko sovietskych špionážnych satelitov, vypustených do vesmíru medzi rokmi 1967 a 1988. Od roku 2010 Rusko vyvíja jadrový pohov v rámci tajných projektov. Na programe sa podieľa Ruská akadémia vied spoločne s Moskovskou štátnou technickou univerzitou. Podľa dostupných informácií sa jedná o 500-kilowattový jadrový reaktor, ktorý by mal vážiť okolo 22 ton.
Áno, je to už desaťročia, čo NASA testovala jadrový pohon a hľadala spôsob skrátenia kozmických ciest. Zdá sa, že „stará“ technológia sa vracia. V nasledujúcich rokoch teda môžeme čakať nové technológie, systémy ako aj nové testy pohonov typu NTP, resp. fúznych pohonov. Ktovie, možno to nepotrvá dlho a vydáme sa ku hviezdam.
Zdroj: NASA, UniverseToday
