Füzyon roket motorlarının ardında yeni bir uzay araştırması dönemi

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

NASA ve Elon Musk, Mars'ın hayalini kuruyor ve insanlı derin uzay görevleri yakında gerçek olacak. Muhtemelen şaşıracaksınız, ancak modern roketler geçmişin roketlerinden biraz daha hızlı uçuyor.

Hızlı uzay gemileri çeşitli nedenlerle daha uygundur ve hızlandırmanın en iyi yolu nükleer enerjili roketlerdir. Konvansiyonel yakıtlı roketlere veya modern güneş enerjili elektrikli roketlere göre birçok avantajları var, ancak son 40 yılda Amerika Birleşik Devletleri sadece sekiz nükleer enerjili roket fırlattı.

Ancak geçtiğimiz yıl nükleer uzay yolculuğuyla ilgili yasalar değişti ve yeni nesil roketler üzerinde çalışmalar şimdiden başladı.

Hız neden gereklidir?

Uzaya herhangi bir uçuşun ilk aşamasında, bir fırlatma aracına ihtiyaç vardır - gemiyi yörüngeye alır. Bu büyük motorlar yanıcı yakıtlarla çalışır ve genellikle konu roket fırlatma olduğunda kastedilmektedir. Yakın zamanda hiçbir yere gitmiyorlar - yerçekimi kuvveti gibi.

Ancak gemi uzaya girdiğinde işler daha da ilginçleşiyor. Dünyanın yerçekiminin üstesinden gelmek ve derin uzaya gitmek için geminin ek ivmeye ihtiyacı var. İşte burada nükleer sistemler devreye giriyor. Astronotlar Ay'ın ötesinde veya Mars'ın ötesinde bir şey keşfetmek istiyorlarsa acele etmeleri gerekecek. Kozmos çok büyük ve mesafeler oldukça büyük.

Hızlı roketlerin uzun mesafeli uzay yolculuğu için daha uygun olmasının iki nedeni vardır: güvenlik ve zaman.

Mars yolunda astronotlar, kanser ve kısırlık dahil olmak üzere ciddi sağlık sorunlarıyla dolu çok yüksek düzeyde radyasyonla karşı karşıya. Radyasyon koruması yardımcı olabilir, ancak son derece ağırdır ve görev ne kadar uzun olursa, o kadar güçlü korumaya ihtiyaç duyulur. Bu nedenle radyasyon dozunu azaltmanın en iyi yolu, hedefinize daha hızlı ulaşmaktır.

Ancak mürettebat güvenliği tek fayda değil. Ne kadar uzak uçuşlar planlarsak, insansız görevlerden gelen verilere o kadar çabuk ihtiyacımız olur. Voyager 2'nin Neptün'e ulaşması 12 yıl sürdü - ve uçarken bazı inanılmaz fotoğraflar çekti. Voyager'ın daha güçlü bir motoru olsaydı, bu fotoğraflar ve veriler astronomlarda çok daha önce ortaya çıkacaktı.

Yani hız bir avantajdır. Peki nükleer sistemler neden daha hızlı?

Günümüz sistemleri

Yerçekimi kuvvetinin üstesinden gelen gemi, üç önemli yönü dikkate almalıdır.

itme- geminin alacağı ivme.

Ağırlık verimliliği- belirli bir yakıt miktarı için sistemin ne kadar itme üretebileceği.

Spesifik enerji tüketimi- belirli bir miktardaki yakıtın ne kadar enerji yaydığı.

Günümüzde en yaygın kimyasal motorlar, geleneksel yakıt yakıtlı roketler ve güneş enerjili elektrikli roketlerdir.

Kimyasal tahrik sistemleri çok fazla itme sağlar, ancak özellikle verimli değildir ve roket yakıtı çok enerji yoğun değildir. Astronotları aya taşıyan Satürn 5 roketi, kalkışta 35 milyon Newton güç sağladı ve 950.000 galon (4,318.787 litre) yakıt taşıdı. Çoğu, roketi yörüngeye oturtmak için harcandı, bu nedenle sınırlamalar açık: nereye giderseniz gidin, çok fazla ağır yakıta ihtiyacınız var.

Elektrikli tahrik sistemleri, güneş panellerinden gelen elektriği kullanarak itme gücü üretir. Bunu başarmanın en yaygın yolu, iyonları hızlandırmak için, örneğin bir Hall indüksiyon iticisinde olduğu gibi bir elektrik alanı kullanmaktır. Bu cihazlar uydulara güç sağlamak için kullanılır ve ağırlık verimliliği kimyasal sistemlerin beş katıdır. Ancak aynı zamanda çok daha az itme gücü veriyorlar - yaklaşık 3 Newton. Bu, otomobili yaklaşık iki buçuk saatte 0'dan 100 kilometreye çıkarmak için yeterlidir. Güneş özünde dipsiz bir enerji kaynağıdır, ancak gemi ondan ne kadar uzaklaşırsa, o kadar az kullanışlı olur.

Nükleer füzelerin özellikle umut verici olmasının nedenlerinden biri, inanılmaz enerji yoğunluklarıdır. Nükleer reaktörlerde kullanılan uranyum yakıtı, tipik bir kimyasal roket yakıtı olan hidrazinden 4 milyon kat daha fazla enerji içeriğine sahiptir. Ve uzaya biraz uranyum getirmek, yüzbinlerce galonluk yakıttan çok daha kolay.

Peki ya çekiş ve ağırlık verimliliği?

İki nükleer seçenek

Uzay yolculuğu için mühendisler iki ana tip nükleer sistem geliştirdiler.

Birincisi termonükleer bir motordur. Bu sistemler çok güçlü ve yüksek verimlidir. Bir gazı (hidrojen gibi) ısıtmak için - nükleer denizaltılardakiler gibi - küçük bir nükleer fisyon reaktörü kullanırlar. Bu gaz daha sonra itme sağlamak için roket memesinden hızlandırılır. NASA mühendisleri, termonükleer bir motor kullanarak Mars'a yapılacak bir yolculuğun, kimyasal motorlu bir roketten %20-25 daha hızlı olacağını hesapladılar.

Füzyon motorları, kimyasal olanlardan iki kat daha verimlidir. Bu, aynı miktarda yakıt için iki kat itme sağladıkları anlamına gelir - 100.000 Newton'a kadar itme. Bu, arabayı saniyenin dörtte biri kadar bir sürede saatte 100 kilometre hıza çıkarmak için yeterlidir.

İkinci sistem bir nükleer elektrikli roket motorudur (NEPE). Bunların hiçbiri henüz oluşturulmadı, ancak fikir, elektrik üretmek için güçlü bir fisyon reaktörü kullanmak, bu da daha sonra bir Hall motoru gibi bir elektrikli tahrik sistemine güç sağlamak. Bu çok etkili olurdu - bir füzyon motorundan yaklaşık üç kat daha verimli. Bir nükleer reaktörün gücü çok büyük olduğundan, aynı anda birkaç ayrı elektrik motoru çalışabilir ve itme kuvveti sağlam olacaktır.

Nükleer roket motorları, son derece uzun menzilli görevler için belki de en iyi seçimdir: güneş enerjisi gerektirmezler, çok verimlidirler ve nispeten yüksek itiş sağlarlar. Ancak tüm umut verici doğalarına rağmen, nükleer güç tahrik sistemi, işletmeye alınmadan önce çözülmesi gereken birçok teknik soruna sahiptir.

Neden hala nükleer enerjili füze yok?

Termonükleer motorlar 1960'lardan beri araştırılıyor, ancak henüz uzaya uçmadılar.

1970'lerin tüzüğü uyarınca, her nükleer uzay projesi ayrı ayrı değerlendirildi ve bir dizi devlet kurumunun ve başkanın onayı olmadan daha ileri gidemedi. Nükleer füze sistemlerine yönelik araştırmalar için finansman eksikliği ile birleştiğinde, bu, uzayda kullanılmak üzere nükleer reaktörlerin daha da geliştirilmesini engelledi.

Ancak tüm bunlar, Trump yönetiminin bir başkanlık muhtırası yayınladığı Ağustos 2019'da değişti. Yeni direktif, nükleer fırlatmaların maksimum güvenliğinde ısrar ederken, karmaşık kurumlar arası onay olmaksızın düşük miktarlarda radyoaktif malzeme içeren nükleer misyonlara izin veriyor. Görevin güvenlik tavsiyelerine uygun olduğunun NASA gibi bir sponsor kuruluş tarafından onaylanması yeterlidir. Büyük nükleer misyonlar, daha önce olduğu gibi aynı prosedürlerden geçer.

Kuralların bu revizyonu ile birlikte NASA, termonükleer motorların geliştirilmesi için 2019 bütçesinden 100 milyon dolar aldı. Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı ayrıca, Dünya yörüngesinin ötesinde ulusal güvenlik operasyonları için bir termonükleer uzay motoru geliştiriyor.

60 yıllık durgunluğun ardından, on yıl içinde bir nükleer roketin uzaya gitmesi mümkün. Bu inanılmaz başarı, uzay araştırmalarında yeni bir çağı başlatacak. İnsan Mars'a gidecek ve bilimsel deneyler güneş sistemi ve ötesinde yeni keşiflere yol açacak.