Een nieuw tijdperk van ruimteverkenning achter fusieraketmotoren

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

NASA en Elon Musk dromen van Mars en bemande ruimtemissies zullen binnenkort werkelijkheid worden. Het zal je waarschijnlijk verbazen, maar moderne raketten vliegen iets sneller dan de raketten van vroeger.

Snelle ruimteschepen zijn om verschillende redenen handiger en de beste manier om te versnellen is door middel van nucleair aangedreven raketten. Ze hebben veel voordelen ten opzichte van conventionele raketten of moderne elektrische raketten op zonne-energie, maar in de afgelopen 40 jaar hebben de Verenigde Staten slechts acht nucleair aangedreven raketten gelanceerd.

In het afgelopen jaar zijn echter de wetten met betrekking tot nucleaire ruimtevaart veranderd en is het werk aan de volgende generatie raketten al begonnen.

Waarom is snelheid nodig?

In de eerste fase van elke vlucht naar de ruimte is een draagraket nodig - het brengt het schip in een baan om de aarde. Deze grote motoren werken op brandbare brandstoffen - en meestal zijn ze bedoeld als het gaat om het lanceren van raketten. Ze gaan nergens snel heen - net als de zwaartekracht.

Maar wanneer het schip de ruimte binnenkomt, wordt het interessanter. Om de zwaartekracht van de aarde te overwinnen en de diepe ruimte in te gaan, heeft het schip extra versnelling nodig. Dit is waar nucleaire systemen in het spel komen. Als astronauten iets buiten de maan of nog meer Mars willen verkennen, zullen ze zich moeten haasten. De kosmos is enorm, en de afstanden zijn vrij groot.

Er zijn twee redenen waarom snelle raketten beter geschikt zijn voor ruimtereizen over lange afstanden: veiligheid en tijd.

Op weg naar Mars worden astronauten geconfronteerd met zeer hoge stralingsniveaus, die gepaard gaan met ernstige gezondheidsproblemen, waaronder kanker en onvruchtbaarheid. Stralingsafscherming kan helpen, maar het is extreem zwaar en hoe langer de missie, hoe krachtiger afscherming nodig zal zijn. Daarom is de beste manier om de stralingsdosis te verminderen, simpelweg sneller op uw bestemming te komen.

Maar de veiligheid van de bemanning is niet het enige voordeel. Hoe verder we vluchten plannen, hoe eerder we gegevens van onbemande missies nodig hebben. Het kostte Voyager 2 12 jaar om Neptunus te bereiken - en terwijl het voorbij vloog, maakte het een aantal ongelooflijke foto's. Als Voyager een krachtigere motor had, zouden deze foto's en gegevens veel eerder in astronomen zijn verschenen.

Snelheid is dus een voordeel. Maar waarom zijn nucleaire systemen sneller?

De systemen van vandaag

Na de zwaartekracht te hebben overwonnen, moet het schip rekening houden met drie belangrijke aspecten.

Stoot- welke versnelling het schip krijgt.

Gewichtsefficiëntie- hoeveel stuwkracht het systeem kan produceren voor een bepaalde hoeveelheid brandstof.

Specifiek energieverbruik- hoeveel energie een bepaalde hoeveelheid brandstof afgeeft.

Tegenwoordig zijn de meest voorkomende chemische motoren conventionele raketten op brandstof en elektrische raketten op zonne-energie.

Chemische voortstuwingssystemen leveren veel stuwkracht, maar zijn niet bijzonder efficiënt, en raketbrandstof is niet erg energie-intensief. De Saturn 5-raket die astronauten naar de maan bracht, leverde 35 miljoen Newton kracht bij het opstijgen en vervoerde 950.000 gallon (4.318.787 liter) brandstof. Het meeste ging om de raket in een baan om de aarde te krijgen, dus de beperkingen zijn duidelijk: waar je ook gaat, je hebt veel zware brandstof nodig.

Elektrische voortstuwingssystemen wekken stuwkracht op met behulp van elektriciteit van zonnepanelen. De meest gebruikelijke manier om dit te bereiken is door een elektrisch veld te gebruiken om ionen te versnellen, bijvoorbeeld in een Hall-inductieschroef. Deze apparaten worden gebruikt om satellieten van stroom te voorzien en hun gewichtsefficiëntie is vijf keer die van chemische systemen. Maar tegelijkertijd geven ze veel minder stuwkracht - ongeveer 3 Newton. Dit is slechts voldoende om de auto in ongeveer tweeënhalf uur van 0 naar 100 kilometer per uur te accelereren. De zon is in wezen een bodemloze energiebron, maar hoe verder het schip zich ervan verwijdert, hoe minder nuttig het is.

Een van de redenen waarom kernraketten bijzonder veelbelovend zijn, is hun ongelooflijke energie-intensiteit. Uraniumbrandstof die in kernreactoren wordt gebruikt, heeft een energie-inhoud die 4 miljoen keer hoger is dan die van hydrazine, een typische chemische raketbrandstof. En het is veel gemakkelijker om wat uranium de ruimte in te krijgen dan honderdduizenden liters brandstof.

Hoe zit het met tractie en gewichtsefficiëntie?

Twee nucleaire opties

Voor ruimtereizen hebben ingenieurs twee hoofdtypen nucleaire systemen ontwikkeld.

De eerste is een thermonucleaire motor. Deze systemen zijn zeer krachtig en zeer efficiënt. Ze gebruiken een kleine kernsplijtingsreactor - zoals die op kernonderzeeërs - om een gas (zoals waterstof) te verwarmen. Dit gas wordt vervolgens versneld door het raketmondstuk om stuwkracht te leveren. NASA-ingenieurs hebben berekend dat een reis naar Mars met een thermonucleaire motor 20-25% sneller zal zijn dan een raket met een chemische motor.

Fusion-motoren zijn meer dan twee keer zo efficiënt als chemische motoren. Dit betekent dat ze twee keer zoveel stuwkracht leveren voor dezelfde hoeveelheid brandstof - tot 100.000 Newton stuwkracht. Dit is voldoende om de auto in ongeveer een kwartier te accelereren naar een snelheid van 100 kilometer per uur.

Het tweede systeem is een nucleaire elektrische raketmotor (NEPE). Geen van deze is nog gemaakt, maar het idee is om een krachtige splijtingsreactor te gebruiken om elektriciteit op te wekken, die vervolgens een elektrisch voortstuwingssysteem zoals een Hall-motor zal aandrijven. Dat zou heel effectief zijn - ongeveer drie keer efficiënter dan een fusiemotor. Omdat de kracht van een kernreactor enorm is, kunnen meerdere afzonderlijke elektromotoren tegelijkertijd werken en zal de stuwkracht solide blijken te zijn.

Kernraketmotoren zijn misschien wel de beste keuze voor missies met een extreem lange afstand: ze hebben geen zonne-energie nodig, zijn zeer efficiënt en hebben een relatief hoge stuwkracht. Maar ondanks al hun veelbelovende karakter, heeft het voortstuwingssysteem van kernenergie nog steeds veel technische problemen die moeten worden opgelost voordat het in gebruik kan worden genomen.

Waarom zijn er nog steeds geen nucleair aangedreven raketten?

Thermonucleaire motoren worden al sinds de jaren zestig bestudeerd, maar ze zijn nog niet de ruimte in gevlogen.

Volgens het handvest van de jaren zeventig werd elk nucleair ruimteproject afzonderlijk beschouwd en kon het niet verder gaan zonder de goedkeuring van een aantal overheidsinstanties en de president zelf. In combinatie met een gebrek aan financiering voor onderzoek naar nucleaire raketsystemen, heeft dit de verdere ontwikkeling van kernreactoren voor gebruik in de ruimte belemmerd.

Maar dat veranderde allemaal in augustus 2019 toen de regering-Trump een presidentieel memorandum uitvaardigde. Hoewel de nieuwe richtlijn aandringt op maximale veiligheid van nucleaire lanceringen, staat de nieuwe richtlijn nog steeds nucleaire missies met kleine hoeveelheden radioactief materiaal toe zonder ingewikkelde goedkeuring door verschillende instanties. Bevestiging door een sponsorbureau zoals NASA dat de missie in overeenstemming is met veiligheidsaanbevelingen is voldoende. Grote nucleaire missies doorlopen dezelfde procedures als voorheen.

Samen met deze herziening van de regels ontving NASA 100 miljoen dollar uit het budget van 2019 voor de ontwikkeling van thermonucleaire motoren. Het Defense Advanced Research Projects Agency ontwikkelt ook een thermonucleaire ruimtemotor voor nationale veiligheidsoperaties buiten de baan van de aarde.

Na 60 jaar stilstand is het mogelijk dat een nucleaire raket binnen tien jaar de ruimte in gaat. Deze ongelooflijke prestatie zal een nieuw tijdperk van ruimteverkenning inluiden. De mens zal naar Mars gaan en wetenschappelijke experimenten zullen leiden tot nieuwe ontdekkingen in het hele zonnestelsel en daarbuiten.