НАСА планира да изпрати мисии с екипаж до Марс през следващото десетилетие - но пътуването до Червената планета, която се намира на 225 милиона километра, може да отнеме от няколко месеца до години в двете посоки.

Това сравнително дълго време е резултат от използването на традиционното химическо ракетно гориво. Алтернативна технология на ракетите с химическо гориво, които агенцията разработва сега, е т.нар. ядрено-термично задвижване (NTP), използващо ядрено делене. Един ден то би могло да захрани ракета, която да извърши пътуването само за половината от нужното в момента време.

Ядреното делене е свързано с използването на невероятното количество енергия, която се освобождава, когато атомът се разцепва. Тази реакция е известна като реакция на делене. Технологията на делене е добре позната в производството на електроенергия и ядрените подводници, а прилагането ѝ за задвижване или захранване на ракета може един ден да даде на НАСА по-бърза и по-мощна алтернатива на ракетите с химическо задвижване.

НАСА и DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) разработват съвместно технологията NTP. Те планират да разгърнат и демонстрират възможностите на прототипна система в космоса през 2027 г.

Ядрено-термичното задвижване също така би могло един ден да задвижва маневрени космически платформи, които да защитават спътниците в и извън земната орбита. Но технологията все още е в процес на разработване.

Ядрено и химическо задвижване

Конвенционалните системи за химическо задвижване използват химическа реакция, включваща лек горивен материал, например водород, и окислител. Когато се смесят, тези две вещества се запалват, в резултат на което горивото излиза много бързо от дюзата, за да задвижи ракетата. Тази технология не се нуждае от никаква система за запалване, така че е надеждна. Но ракетите, базирани на нея, трябва да носят със себе си кислород в космоса, което може да ги направи по-тежки.

За разлика от химическите системи за задвижване, ядрено-термичните системи за задвижване разчитат на реакциите на ядрено делене за загряване на горивото, което след това се изхвърля от дюзата, за да създаде движещата тяга.

НАСА търси "нестандартни" начини за проучване на Марс

При много от реакциите на делене изследователите изпращат неутрон към по-лек изотоп на урана - уран-235. Той поглъща неутрона, като създава уран-236. След това уран-236 се разделя на два фрагмента - продукти на деленето - и реакцията излъчва няколко различни частици.

Понастоящем повече от 400 действащи ядрени реактора по света използват технологията на ядреното делене. По-голямата част от тях са реактори с вода. В тях водата се използва за забавяне на неутроните и за поглъщане и предаване на топлина. Водата може да създава пара директно в активната зона или в парогенератор, който задвижва турбина за производство на електроенергия.

Ядрено-термичните двигатели работят по подобен начин, но използват различно ядрено гориво, което съдържа повече уран-235. Освен това те развиват много по-висока температура, което ги прави изключително мощни и компактни. Ядрено-термичните двигатели имат около 10 пъти по-голяма плътност на мощността от традиционния реактор с вода.

Те могат да имат предимство пред химическите двигатели по няколко причини.

Ядрените двигатели ще изхвърлят горивото от дюзата на двигателя много по-бързо, като генерират висока тяга. Тази висока тяга позволява на ракетата да ускорява за по-малко време.

Тези системи имат и висок специфичен импулс. Специфичният импулс измерва колко ефективно се използва горивото за генериране на тяга. Ядрено-термичните двигатели имат приблизително два пъти по-висок специфичен импулс от химическите, което означава, че те могат да съкратят времето за пътуване 2 пъти.

История на ядрените топлинни двигатели

В продължение на десетилетия правителството на САЩ финансира разработването на технологии за ядрено-термични двигатели. Между 1955 г. и 1973 г. в рамките на програми на НАСА, General Electric и Argonne National Laboratories създават и тестват на земята 20 ядрени топлинни двигатели. Но тези проекти отпреди 1973 г. разчитат на високообогатено ураново гориво, което вече не се използва заради опасностите, свързани с разпространението на ядрените материали и технологии.

Global Threat Reduction Initiative, стартирана от Министерството на енергетиката и Националната администрация за ядрена сигурност на САЩ, има за цел да преобразува много от изследователските реактори, използващи гориво от високообогатен уран, като ги насочи към нискообогатен такъв с висока степен на обогатяване - HALEU.

Космическите стартъпи потриват ръце: NASA ще предостави мисията за Марс на свободния пазар

Този вид гориво съдържа по-малко материал, способен да претърпи реакция на делене, в сравнение с горивото от високообогатен уран. Затова ракетите трябва да бъдат заредени с по-голямо количество, което прави двигателя по-тежък. За да решат този проблем, изследователите търсят специални материали, които биха използвали горивото по-ефективно.

Програмата на НАСА и DARPA Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) възнамерява да използва това гориво с високо съдържание на обогатен уран в своя ядрен топлинен двигател. Програмата планира да изстреля своята ракета през 2027 г. В нейните рамки аерокосмическата компания Lockheed Martin си партнира с BWX Technologies за разработване на дизайна на реактора и горивото.

Разработваните от тези групи ядрени топлинни двигатели ще трябва да отговарят на специфични стандарти за ефективност и безопасност. Те ще трябва да имат ядро, което да може да работи през цялото времетраене на мисията и да извършва необходимите маневри за бързо пътуване до Марс. В идеалния случай двигателят трябва да може да произвежда висок специфичен импулс, като същевременно отговаря на изискванията за висока тяга и ниска маса на двигателя.

Преди инженерите да могат да проектират двигател, който да отговаря на всички тези стандарти, те трябва да започнат с модели и симулации. Тези модели им помагат да разберат как двигателят ще се справи с пускането и спирането. Това са операции, които изискват бързи и големи промени в температурата и налягането.

Ядрено-термичният двигател ще се различава от всички съществуващи енергийни системи, работещи на принципа на деленето на ядрата, така че инженерите ще трябва да създадат софтуерни инструменти, които да работят с него.