ยุคใหม่ของการสำรวจอวกาศเบื้องหลังเครื่องยนต์จรวดฟิวชั่น

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

NASA และ Elon Musk ฝันถึงดาวอังคาร และภารกิจในห้วงอวกาศที่ควบคุมดูแลจะกลายเป็นจริงในไม่ช้า คุณอาจจะแปลกใจ แต่จรวดสมัยใหม่บินได้เร็วกว่าจรวดในอดีตเล็กน้อย

ยานอวกาศที่เร็วจะสะดวกกว่าด้วยเหตุผลหลายประการ และวิธีที่ดีที่สุดในการเร่งความเร็วคือการใช้จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ พวกเขามีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือจรวดเชื้อเพลิงธรรมดาหรือจรวดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์สมัยใหม่ แต่ในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา สหรัฐฯ ได้เปิดตัวจรวดที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์เพียงแปดลูกเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ในปีที่ผ่านมา กฎหมายเกี่ยวกับการเดินทางในอวกาศของนิวเคลียร์ได้เปลี่ยนแปลงไป และการทำงานกับจรวดรุ่นต่อไปได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว

เหตุใดจึงต้องมีความเร็ว

ในขั้นตอนแรกของการบินสู่อวกาศจำเป็นต้องมียานยิง - จะนำเรือขึ้นสู่วงโคจร เครื่องยนต์ขนาดใหญ่เหล่านี้ใช้เชื้อเพลิงที่ติดไฟได้ และโดยปกติแล้วเมื่อพูดถึงการปล่อยจรวด พวกมันจะไม่ไปไหนในเร็วๆ นี้ เช่นเดียวกับแรงโน้มถ่วง

แต่เมื่อเรือเข้าสู่อวกาศ สิ่งต่างๆ กลับน่าสนใจยิ่งขึ้น เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกและไปสู่ห้วงอวกาศ เรือต้องการความเร่งเพิ่มเติม นี่คือจุดเริ่มต้นของระบบนิวเคลียร์ หากนักบินอวกาศต้องการสำรวจบางสิ่งที่อยู่นอกเหนือดวงจันทร์หรือมากกว่านั้นบนดาวอังคาร พวกเขาจะต้องรีบไป จักรวาลมีขนาดใหญ่และระยะทางค่อนข้างใหญ่

มีเหตุผลสองประการที่ว่าทำไมจรวดเร็วจึงเหมาะกว่าสำหรับการเดินทางในอวกาศทางไกล: ความปลอดภัยและเวลา

ระหว่างทางไปดาวอังคาร นักบินอวกาศต้องเผชิญกับรังสีที่สูงมาก ซึ่งเต็มไปด้วยปัญหาสุขภาพที่ร้ายแรง รวมถึงมะเร็งและภาวะมีบุตรยาก การป้องกันรังสีสามารถช่วยได้ แต่มันหนักมากและยิ่งทำภารกิจนานเท่าไหร่ก็ยิ่งต้องการเกราะป้องกันที่ทรงพลังมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น วิธีที่ดีที่สุดในการลดปริมาณรังสีคือการไปถึงที่หมายให้เร็วขึ้น

แต่ความปลอดภัยของลูกเรือไม่ใช่ข้อดีเพียงอย่างเดียว ยิ่งเราวางแผนเที่ยวบินที่ห่างไกล ยิ่งต้องการข้อมูลจากภารกิจไร้คนขับเร็วเท่านั้น ยานโวเอเจอร์ 2 ใช้เวลา 12 ปีกว่าจะไปถึงดาวเนปจูน และเมื่อมันบินผ่านไป มันก็ได้ภาพที่น่าทึ่งบางอย่าง หากยานโวเอเจอร์มีกลไกที่ทรงพลังกว่า ภาพถ่ายและข้อมูลเหล่านี้น่าจะปรากฏในนักดาราศาสตร์เร็วกว่านี้มาก

ความเร็วจึงเป็นข้อได้เปรียบ แต่ทำไมระบบนิวเคลียร์ถึงเร็วกว่า?

ระบบวันนี้

เมื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงแล้ว เรือจะต้องพิจารณาประเด็นสำคัญสามประการ

แรงขับ- เรือจะได้รับความเร่งเท่าใด

ประสิทธิภาพน้ำหนัก- ระบบสามารถผลิตเชื้อเพลิงได้มากเพียงใดสำหรับปริมาณเชื้อเพลิงที่กำหนด

การใช้พลังงานจำเพาะ- ปริมาณเชื้อเพลิงที่กำหนดให้พลังงานเท่าใด

ปัจจุบัน เครื่องยนต์เคมีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ จรวดเชื้อเพลิงธรรมดาและจรวดไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

ระบบขับเคลื่อนทางเคมีให้แรงขับมากแต่ไม่ได้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ และเชื้อเพลิงจรวดก็ไม่ได้ใช้พลังงานมากนัก จรวดดาวเสาร์ 5 ที่บรรทุกนักบินอวกาศไปยังดวงจันทร์ส่งกำลัง 35 ล้านนิวตันเมื่อบินขึ้นและบรรทุกเชื้อเพลิง 950,000 แกลลอน (4,318,787 ลิตร) ส่วนใหญ่ทำให้จรวดเข้าสู่วงโคจร ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดที่ชัดเจน: ทุกที่ที่คุณไป คุณต้องใช้เชื้อเพลิงหนักจำนวนมาก

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าสร้างแรงขับโดยใช้ไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ วิธีที่พบบ่อยที่สุดในการบรรลุสิ่งนี้คือการใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเร่งไอออน เช่น ในเครื่องขับดันแบบเหนี่ยวนำฮอลล์ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ในการจ่ายไฟให้กับดาวเทียม และประสิทธิภาพน้ำหนักของมันนั้นมากกว่าระบบเคมีถึงห้าเท่า แต่ในขณะเดียวกันพวกมันก็ให้แรงขับน้อยกว่ามาก - ประมาณ 3 นิวตันซึ่งก็เพียงพอแล้วในการเร่งความเร็วรถจาก 0 ถึง 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมงในเวลาประมาณสองชั่วโมงครึ่ง โดยพื้นฐานแล้วดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุด แต่ยิ่งเรือเคลื่อนตัวออกห่างจากมันมากเท่าไร ก็ยิ่งมีประโยชน์น้อยลงเท่านั้น

สาเหตุหนึ่งที่ขีปนาวุธนิวเคลียร์มีแนวโน้มสูงเป็นพิเศษคือความเข้มข้นของพลังงานที่เหลือเชื่อ เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีปริมาณพลังงาน 4 ล้านเท่าของไฮดราซีน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงจรวดเคมีทั่วไป และการนำยูเรเนียมเข้าสู่อวกาศง่ายกว่าการใช้เชื้อเพลิงหลายแสนแกลลอน

ประสิทธิภาพการยึดเกาะถนนและน้ำหนักเป็นอย่างไร

สองตัวเลือกนิวเคลียร์

สำหรับการเดินทางในอวกาศ วิศวกรได้พัฒนาระบบนิวเคลียร์สองประเภทหลัก

อย่างแรกคือเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์ ระบบเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากและมีประสิทธิภาพสูง พวกเขาใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันขนาดเล็ก - เช่นเดียวกับในเรือดำน้ำนิวเคลียร์ - เพื่อให้ความร้อนแก่แก๊ส (เช่นไฮโดรเจน) ก๊าซนี้จะถูกเร่งความเร็วผ่านหัวฉีดจรวดเพื่อให้เกิดแรงขับ วิศวกรของ NASA ได้คำนวณว่าการเดินทางไปดาวอังคารโดยใช้เครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์จะเร็วกว่าจรวดที่มีเครื่องยนต์เคมี 20-25%

เครื่องยนต์ฟิวชันมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์เคมีถึงสองเท่า ซึ่งหมายความว่าพวกมันส่งแรงขับสองเท่าสำหรับปริมาณเชื้อเพลิงเท่ากัน - มากถึง 100,000 นิวตันของแรงขับ ซึ่งก็เพียงพอแล้วในการเร่งความเร็วรถให้มีความเร็ว 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมงในเวลาประมาณหนึ่งในสี่ของวินาที

ระบบที่สองคือเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้านิวเคลียร์ (NEPE) สิ่งเหล่านี้ยังไม่ได้ถูกสร้างขึ้น แต่แนวคิดคือการใช้เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันที่ทรงพลังเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งจะให้พลังงานแก่ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าเช่นมอเตอร์ฮอลล์ นั่นจะมีประสิทธิภาพมาก - มีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ฟิวชันประมาณสามเท่า เนื่องจากพลังของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีมหาศาล มอเตอร์ไฟฟ้าหลายตัวแยกจากกันสามารถทำงานพร้อมกันได้ และแรงขับจะกลายเป็นของแข็ง

มอเตอร์จรวดนิวเคลียร์อาจเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับภารกิจระยะไกลอย่างยิ่งยวด พวกมันไม่ต้องการพลังงานแสงอาทิตย์ มีประสิทธิภาพมากและให้แรงขับที่ค่อนข้างสูง แต่สำหรับลักษณะที่เป็นไปได้ทั้งหมด ระบบขับเคลื่อนพลังงานนิวเคลียร์ยังคงมีปัญหาทางเทคนิคมากมายที่จะต้องแก้ไขก่อนนำไปใช้จริง

ทำไมจึงยังไม่มีขีปนาวุธที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์?

เครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์ได้รับการศึกษามาตั้งแต่ปี 1960 แต่ยังไม่ได้บินสู่อวกาศ

ภายใต้กฎบัตรแห่งทศวรรษ 1970 โครงการอวกาศนิวเคลียร์แต่ละโครงการได้รับการพิจารณาแยกจากกัน และไม่สามารถดำเนินการต่อไปได้หากปราศจากการอนุมัติจากหน่วยงานรัฐบาลหลายแห่งและตัวประธานาธิบดีเอง ประกอบกับการขาดเงินทุนสำหรับการวิจัยระบบขีปนาวุธนิวเคลียร์ จึงเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อใช้ในอวกาศ

แต่ทุกอย่างเปลี่ยนไปในเดือนสิงหาคม 2019 เมื่อฝ่ายบริหารของทรัมป์ออกบันทึกข้อตกลงประธานาธิบดี ในขณะที่ยืนยันในความปลอดภัยสูงสุดของการเปิดตัวนิวเคลียร์ คำสั่งใหม่ยังคงอนุญาตให้ภารกิจนิวเคลียร์ที่มีวัสดุกัมมันตภาพรังสีในปริมาณต่ำโดยไม่ต้องได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานที่ซับซ้อน การยืนยันโดยหน่วยงานสนับสนุนเช่น NASA ว่าภารกิจปฏิบัติตามคำแนะนำด้านความปลอดภัยก็เพียงพอแล้ว ภารกิจนิวเคลียร์ขนาดใหญ่ต้องผ่านขั้นตอนเดิมเหมือนเมื่อก่อน

นอกเหนือจากการแก้ไขกฎนี้แล้ว NASA ยังได้รับเงิน 100 ล้านดอลลาร์จากงบประมาณปี 2019 สำหรับการพัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โมนิวเคลียร์ สำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหมกำลังพัฒนาเครื่องยนต์อวกาศแสนสาหัสสำหรับปฏิบัติการด้านความมั่นคงของชาติที่อยู่นอกเหนือวงโคจรของโลก

หลังจาก 60 ปีแห่งความซบเซา เป็นไปได้ว่าจรวดนิวเคลียร์จะเข้าสู่อวกาศภายในหนึ่งทศวรรษ ความสำเร็จอันน่าทึ่งนี้จะนำไปสู่ยุคใหม่ของการสำรวจอวกาศ มนุษย์จะไปดาวอังคาร และการทดลองทางวิทยาศาสตร์จะนำไปสู่การค้นพบใหม่ๆ ทั่วทั้งระบบสุริยะและที่อื่นๆ