Kategorie
Kosmologia

Napęd jądrowy

Napęd jądrowy

Podstawową przyczyną fizyczną, dla której chemiczne silniki rakietowe nie są w stanie osiągnąć prędkości wylotowych większych niż 5 km/s, jest ilość energii przypadającej na jednostkę masy, inaczej entalpia. W przypadku paliw chemicznych wynosi ona około 13 megadżuli na kilogram (MJ/kg), zgodnie z prawami chemii. Z drugiej strony, rozszczepienie jądra atomowego oferuje nam paliwa o entalpii sięgającej 82 milionów MJ/kg, ponad 6 milionów razy większej niż najlepsze nawet paliwo chemiczne. Teoretycznie maksymalna prędkość gazów wylotowych paliwa rakietowego jest równa podwojonemu pierwiastkowi kwadratowemu z wartości entalpii, czyli 5,1 km/s dla paliwa chemicznego i 12 800 km/s dla paliwa jądrowego. 12 800 km/s to zdecydowanie lepszy wynik. Światło porusza się z prędkością 300 tysięcy km/s. Rakieta o napędzie jądrowym mogłaby, w zasadzie, wygenerować prędkość gazów wylotowych równą 4% prędkości światła. Ponieważ statek kosmiczny można zbudować tak, by uzyskiwał AV równą podwojonej prędkości wylotowej gazów, potencjalna idealnie wykonana rakieta mogłaby rozpędzić się do 8% prędkości światła. Ponieważ alfa Centauri znajduje się w odległości 4,3 roku świetlnego od nas, podróż w jedną stronę trwałaby w takim wypadku 54 lata. Gdyby połowa AV została użyta do zwolnienia statku przed dotarciem do punktu docelowego, maksymalna prędkość wynosiłaby 4% prędkości światła, a podróż w jedną stronę zajęłaby 108 lat.

Istnieją jednak problemy. Jednym z nich jest kwestia, jak wykorzystać całą dostępną energię. Prymitywne napędy jądrowe, takie jak termiczne rakiety jądrowe, bardzo kiepsko sobie z tym radzą. Przy użyciu reaktora jądrowego do ogrzewania gazu maksymalna prędkość gazów wylotowych osiąga zaledwie 9 km/s – co jest dobrym wynikiem w porównaniu z napędami chemicznymi, lecz zdecydowanie odbiega od wartości, które są niezbędne do odbywania podróży międzygwiezdnych. Jeżeli dopuścimy użycie paliwa jądrowego w postaci gazu (rakieta typu gas-core – NASA wykonała sporo pożytecznych badań nad tego typu systemami w latach sześćdziesiątych XX wieku), można uzyskać prędkości gazów wylotowych rzędu 50 km/s. Byłoby to znakomitym osiągnięciem na potrzeby lotów międzyplanetarnych, lecz w dalszym ciągu nie spełnia naszych oczekiwań, jeżeli chodzi o loty międzygwiezdne. Gdybyśmy użyli reaktora jądrowego do wytworzenia energii elektrycznej zasilającej silnik jonowy (NEP), można by otrzymać prędkości wylotowe rzędu kilkuset kilometrów na sekundę, pod warunkiem wykorzystania wodoru jako paliwa. Tego typu systemy są jednak bardzo masywne, ciąg silnika jest w związku z tym mały (a więc i przyspieszenie), prędkość gazów wylotowych zaś i tak niewystarczająca dla potrzeb misji międzygwiezdnych. Tak naprawdę powinniśmy móc przemieniać energię jądrową bezpośrednio w ciąg. Jedno z rozwiązań tego problemu jest tak ewidentne, że znano je już w 1945 roku: chodzi o użycie bomb atomowych.

Nie ulega wątpliwości, że gdyby ktoś zdetonował serię ładunków atomowych bezpośrednio za statkiem kosmicznym, popchnąłby go w ten sposób do przodu. Oczywiście, gdyby zabrać się do tego w nieodpowiedni sposób, ryzykujemy zamienienie statku w parę, wysadzenie go w powietrze, zmiażdżenie załogi w marmoladę, gdy statek uzyska przyspieszenie 100 tysięcy g, lub zabicie wszystkich śmiertelną dawką promieni gamma. Jak mawiamy w branży inżynierskiej: te obawy należy wziąć pod uwagę. Trzeba by więc zrobić to jak należy. Jeżeli jednak wiesz, jak tego dokonać, masz w zasięgu ręki znakomity napęd.

Rozważania te leżały u podstaw projektu Orion, ściśle tajnego programu sponsorowanego przez Komisję Energii Jądrowej Stanów Zjednoczonych, który realizowany był w latach 1957-1963. Pomysł pochodził od matematyka pracującego w Los Alamos przy konstruowaniu bomb, Stanisława Ulama, a w programie uczestniczyli tacy wizjonerzy, zajmujący się produkcją broni, jak Ted Taylor i Free-man Dyson. Szkic koncepcyjny jednego z projektów programu Orion przedstawia rysunek.

Statek kosmiczny napędzany bombami atomowymi zaprojektowany w ramach programu Orion.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *