KOSMONAUTIKA

Ivan Kremer

Novi motori za druge svetove

Što brže kroz vasionu

Američka agencija za napredne istraživačke projekte iz oblasti odbrane, poznatija po svojoj engleskoj skraćenici DARPA, u saradnji sa NASA-om, radi na tehnologiji nuklearnog pogona za svemirske letelice, u okviru projekta DRACO, sa ciljem proizvodnje prve testne letelice i probe nuklearnog motora u svemiru do 2027. godine.

Sadašnja tehnologija propulzije raketa koristi hemijska goriva. Pogonsko gorivo se kontrolisano pali, prilikom sagorevanja se usmerava kroz mlaznicu i generiše potisak. Kao tečna pogonska goriva, najviše se koriste metan, vodonik i visokoprečišćeni kerozin. Pošto van atmosfere nema kiseonika, rakete, osim goriva, u rezervoarima moraju sa sobom da nose i kiseonik za sagorevanje, i to najčešće u tečnom obliku (eng. LOX, liquid oxygen). Činjenica da se i sredstvo za sagorevanje i gorivo moraju nositi povećava masu rakete. Začarani krug da više goriva daje, sa jedne strane, veći potisak, a sa druge strane povećava ukupnu masu rakete, a samim tim i potreban potisak za podizanje tovara, predstavlja srž problematike raketne jednačine i večitu prepreku za lansiranje veće količine tovara sa Zemlje, a uzročno-posledično i osvajanje svemira.
Logično, decenijama se traga za alternativnim načinima propulzije. Mnogi skromniji alternativni načini propulzije svemirskih letelica, poput jonskog pogona napajanog solarnim jedrima, prigodniji su za sonde, odnosno male istraživačke letelice bez posade koje se lansiraju ka drugim planetama Sunčevog sistema sa ciljem prikupljanja naučnih podataka. Kada je svemirski let sa posadom u pitanju, pogon na hemijsko gorivo još uvek je glavni način.
Već decenijama nije bilo putovanja ljudi van naše orbite. Korišćenjem sadašnjih metoda propulzije, put do Meseca traje nekoliko dana, zavisno od relativnih položaja Zemlje i Meseca, a put do Marsa bi, u slučaju najpovoljnijih relativnih pozicija, trajao šest meseci. Iako je mali broj ljudi proveo i duže vremenske periode od pomenutog na Međunarodnoj svemirskoj stanici, šest meseci je opasno dug i skup period za trajanje leta u jednom smeru. Ne deluje svemirsko zračenje i nulta gravitacija isto na svakog. Koliko će biti negativnih posledica po zdravlje, zavisi i od zdravstvenog stanja putnika na početku putovanja i od toga da li dovoljno vežba tokom dugog perioda provedenog u svemiru. Za toliko dug period, potrebno je obezbediti dovoljno hrane i drugih potrepština za sve članove posade, a to je dosta skupo, pogotovo ako je u pitanju više uzastopnih misija sa ciljem uspostavljanja trajnog prisustva i gradnje infrastrukture na Marsu. Tu je i faktor psiholoških posledica, ne samo trajanja putovanja u jednom smeru nego i činjenice da bi pri takvoj misiji astronauti proveli minimum godinu ili dve dana na Marsu i još godinu dana u putu u oba smera, što znači da bi više godina bili odvojeni od svojih porodica. Zbog svega navedenog, od velike koristi bi bile metode propulzije koje bi drastično skratile vreme putovanja. Tu na scenu stupa nuklearni pogon. Trenutno aktuelan predlog tipa nuklearne propulzije obećava da skrati vreme putovanja na svega 45 dana.

Moglo je, a nije

Ideja korišćenja nuklearnih reakcija za pogon svemirskih letelica uopšte nije nova. Čim je čovečanstvo ovladalo nuklearnom fisijom, sredinom 20. veka, javila se ideja korišćenja nuklearnih reakcija za svemirske letelice. Već pedesetih i šezdesetih godina, dok su se SAD i SSSR takmičili da odvedu ljude, najpre u Zemljinu orbitu a zatim i na Mesec, uz pomoć klasičnih hemijskih pogonskih goriva, postojali su projekti sa ciljem da se do Marsa i ostatka Sunčevog sistema stigne sedamdesetih godina 20. veka, upravo pomoću nuklearnog pogona.
Britanci, fizičar Lezli Šepard i raketni inženjer Artur Valentajn Kliver su uporedo, tokom 1948. i 1949. Godine, objavili više naučnih radova koji su se bavili primenom nuklearnog pogona u svrhu međuplanetarnog putovanja. Pomenuti radovi pokrivali su dva osnovna tipa nuklearnog pogona: termonuklearni pogon i nuklearni električni pogon.
Termonuklearni pogon (eng. NTP) se zasniva na tome da reakcije raspada nuklearnog goriva u reaktoru oslobađaju toplotu koja zagreva potisni gas, npr. vodonik, koji se onda zagrejan širi i usmerava kroz mlaznicu rakete dajući pogon. Potisak generisan na ovaj način, ipak je višestruko manji od onog dobijenog hemijskim pogonskim gorivima. U rano doba razvoja termonuklearnog pogona, nuklearni reaktori su bili toliko veliki i teški da su prve aproksimacije bile skeptične da termonuklearni motori uopšte mogu postići odnos potisak/težina 1:1, koji je potreban za savladavanje Zemljine gravitacije i napuštanje planete. Narednih godina razvijen je dizajn termonuklearnog motora koji postiže odnos potisak/težina od 7:1, što je opet mnogo manje od tog odnosa kod klasičnih raketa sa hemijskim gorivom, koji iznosi oko 70:1.
Nuklearni električni pogon (eng. NEP) zapravo predstavlja varijantu jonskog pogona u kome se struja potrebna za napajanje jonskog pogona dobija iz nuklearnog reaktora.
Kombinovanje ova dva koncepta nuklearne propulzije u hibridni NTP/NEP dizajn prvi je predložio, 1963. Godine, hemijski inženjer Majron Levoj. Ideja je da takav dvostruki dizajn pruži u NTP režimu rada motora mogućnost jačeg potiska, a u NEP režimu - mogućnost slabijeg potiska, što bi onda pokrilo potrebe različitih faza misije na Mars, ili negde drugde u Sunčevom sistemu. Iako je tadašnji predlog ostao neprimenjen, danas je ponovo aktuelan ovakav pristup.
SAD države su, pod okriljem NASA-e (u početku njene preteče NACA-e) i tadašnje Komisije za atomsku energiju (AEC) razvijale program termonuklearnog pogona naziva NERVA (eng. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)od pedesetih do sedamdesetih godina, kada je konačno ugašen od strane Niksonove administracije. Ovaj program vodi korene iz projekta „Rover“, pokušaja razvoja termonuklearnog pogona za gornju fazu interkontinentalne balističke rakete za Američko vazduhoplovstvo. Kasnije, kada je projekat „Rover“ prerastao u združeni program NASA-e i AEC-a, u Vašingtonu je, u okviru institucija američke vlade, formirana Kancelarija za svemirski nuklearni pogon (eng. Space Nuclear Propulsion Office, SNPO) sa ciljem koordinacije projektom i institucionalnog okupljanja ljudi koji rade na programu iz obe agencije. Tokom trajanja NERVA programa, dizajnirani su motori sa termonuklearnim pogonom koji su davali dovoljan potisak da služe svrsi pokretanja raketa koje su trebale odvesti čovečanstvo dalje od Meseca. U periodu od 1964. do 1969. godine obavljeno je više testova različitih verzija NERVA motora, pri kojima je uspešno demonstriran rad motora na Zemlji, sa stvaranjem potiska očekivane jačine. Kao čvrsto gorivo, ti motori su koristili uranijum-235, a kao potisnu supstancu koja je koristila toplotu oslobođenu nuklearnim raspadom uranijuma-235, tečni vodonik. Kao gradivni materijal za reaktor, odnosno materijal u kome će uranijum biti suspendovan, nakon razmatranja volframa, ipak je izabran grafit zbog činjenice da na visokim temperatrama očvršćuje, da se ne topi nego sublimuje i da je jeftiniji i dostupniji od volframa.

Kod grafita postoji problem mogućnosti reagovanja sa potisnom supstancom, vodonikom. Zbog toga je presvlačen, najpre niobijum karbidom, a kasnije cirkonijum karbidom u cilju sprečavanja direktnog kontakta grafita, odnosno ugljenika sa vodonikom koji je proticao. Do početka sedamdesetih godina, NERVA motori bili su spremni za ugradnju u postojeće rakete. Davali su potisak od oko 334 kN, a odnos potisak/težina im je bio 3:1. Glavni cilj bio je misija sa ljudskom posadom na Mars 1978. godine. Rakete pokretane NERVA motorima trebalo je da budu i glavno sredstvo prenosa materijala za izgradnju lunarne baze do osamdesetih godina. Međutim, uprkos opisanom uspehu programa, prva smanjivanja budžeta nastupila su već krajem šezdesetih, a Niksonova administracija je, januara 1973, ukinula program NERVA i Kancelarija za svemirski nuklearni pogon ubrzo je raspuštena. Ukupna suma novca, potrošena od strane NASA-e i AEC zajedno na ovaj program iznosi oko 1,4 milijarde dolara. Bez obzira na njihovo dokazano funkcionisanje u svrhu dužeg svemirskog leta, NERVA motori nikad nisu leteli, a čovečanstvo je propustilo priliku da, već u drugoj polovini 20. Veka, postane višeplanetarna civilizacija.
Tokom godina postojali su predlozi NTP koncepata zasnovanih na tečnom ili gasovitom jezgru reaktora, nasuprot čvrstog jezgra reaktora NERVA motora. Treba napomenuti i da su neki od predloga dizajna motora uključivali otvoreni ciklus, u kome gorivo može pobeći, pre nego što bude iskorišćeno, kroz mlaznicu u svemir, ili atmosferu, stvarajući time gubitke i problem radioaktivnog zagađenja u atmosferi. Nasuprot tome, neki su podrazumevali zatvoreni ciklus u kome tako nešto nije moguće.
Pararelno sa američkim programom termonuklearnog raketnog pogona, postojao je i sovjetski. Između šezdesetih i osamdesetih godina, u sovjetskom Konstruktorskom birou za hemijsku automatiku, razvijeni su RD-0410 i RD-0411 termonuklearni motori. Koristili su uranijum-karbid kao čvrsto gorivo i tečni vodonik kao potisnu supstancu. Jedinstveni su po tome što je čvrsto gorivo bilo u obliku uvijenih traka u cilju povećanja dodirne površine sa potisnom supstancom. Prošli su seriju testova na čuvenom Semipalatinskom poligonu u Kazahstanu, čime je, kao i u slučaju NERVA-e, uspešno demonstriran rad tih motora na Zemlji, uz generisanje malo jačeg potiska nego u slučaju njihovog američkog parnjaka. Uprkos svemu, ova ruska verzija termonuklearnog motora takođe nikad nije poletela. Sa druge strane, Sovjeti jesu uspešno pokretali neke od lansiranih satelita električnim pogonom sa nuklearnim izvorom napajanja.

Nova nuklearna nada

Iako, poslednjih decenija, zvanično nije postojao program za razvoj termonuklearnog pogona za svemirske letelice, bilo je predloga koji predstavljaju značajan napredak na ovom polju, a u poslednjih nekoliko godina, NASA je oživela program razvoja nuklearne propulzije za svemirske letelice. U okviru NASA-inog „Glen“ istraživačkog centra, 2016. godine, objavljen je elaborat koji upoređuje konvencionalne rakete nasuprot onih sa bimodalnim NTP pogonom zarad letova sa ljudskom posadom do Marsa. Taj rad predlaže NTP motor čiji bi nuklearni reaktor istovremeno bio generator struje za sve procese na letelici: sisteme za održavanje života, hlađenje potisne supstance, tj. vodonika, sisteme za komunikaciju itd. Dakle, njegova bimodalnost podrazumeva režim termonuklearnog pogona i režim napajanja letelice. Ovaj bimodalni NTP koncept daje oko 200 kN potiska i odnos potisak/težina oko 3:1. U pomenutom elaboratu govori se i o trimodalnom konceptu, zvanom TRITON, prvi put opisanom 2004. godine. Takav motor koristi volframovu matricu, umesto grafitne, a uranijum dioksid kao gorivo, umesto čistog uranijuma. Osim režima umerenog potiska generisanog zagrevanjem vodonika toplotom iz nuklearnih reakcija i režima nuklearnog napajanja i električnog pogona, kod ovog predloga postoji i treći režim rada. On predstavlja režim turbo potiska, pogodan za situacije kada je npr. potrebno poslati u orbitu neki jako težak tovar, poput modula svemirske stanice. Režim turbo potiska mu omogućauje sistem koji tečni kiseonik (eng. LOX) raspršuje u gas, koji se onda šalje u dodatnu mlaznicu da reaguje sa vodonikom zagrejanim raspadom nuklearnog goriva, a to sagorevanje daje potisak. Dakle, TRITON koncept pokriva sve scenarije, od najslabijeg potiska (električnim pogonom), preko umerenog (zagrevanjem tečnog vodonika nuklearnim reakcijama UO2), do turbo potiska (sagorevanjem „nuklearno zagrejanog“ vodonika raspršenim kiseonikom). Odnos potisak/težina mu je između oko 4:1 u režimu umerenog potiska, ili čak oko 10:1 u režimu turbo potiska.

Trenutno, NASA-ina Direkcija za svemirsko-tehnološke misije radi na razvoju termonuklearnog motora u saradnji sa DARPA-om u okviru na početku pomenutog projekta DRACO. Taj motor bi trebalo da bude ugrađen u eksperimentalnu svemirsku letelicu koju razvija DARPA. Prvi deo DRACO projekta sastoji se iz dva glavna cilja: konačni izbor dizajna NTP reaktora i testiranje prototipa motora, sa ciljem demonstracije mogućnosti propulzije na Zemlji. Drugi i treći deo DRACO projekta uključuju proizvodnju funkcionalnog motora, ugradnju u letelicu, testiranje uticaja letelice na okolinu i, konačno, probni let. Kao što je na početku rečeno, probni let se očekuje već 2027. godine. Najnoviji pomak u ovom programu je činjenica da je pomenuta Direkcija za svemirsko-tehnološke misije, u okviru svog programa za inovativne napredne koncepte (eng. NIAC), u sezoni za 2023. godinu, odobrila nuklearni koncept bimodalnog hibridnog NTP/NEP motora sa talasnim rotorom, predložen od strane profesora Rajana Gosa, sa Univerziteta u Floridi, za prvu fazu razvoja.
Ova verzija kombinacije termonuklearnog i nuklearnog električnog pogona je ta koja ima potencijal da putovanje do Marsa skrati na samo 45 dana, u slučaju najbližih relativnih pozicija Zemlje i Marsa, naravno. Tehnologija talasnog rotora je nešto što se već koristi u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Talasni rotor koristi energiju talasa pritiska reakcija sagorevanja goriva da sabije vazduh koji se usisava. Analogno tome, kada se tehnologija talasnog rotora primeni na NTP motor, onda talasni rotor koristi pritisak koji nastaje zagrevanjem vodonika usled toplote oslobođene nuklearnim reakcijama da dodatno sabije reakcionu masu. Najveće unapređenje NTP/NEP motora sa talasnim rotorom je veći specifični impuls (Isp). Kod NERVA motora, specifični impuls iznosi oko 841 sekundu, a ovakav dizajn povećava Isp na 1400 do 2000 sekundi. Kada se uzme u obzir i NEP režim rada, to daje specifični impuls radnog ciklusa od oko 4000 sekundi. Ta činjenica otvara mogućnost bržeg leta unutar Sunčevog sistema, odnosno provođenja daleko kraćeg vremena u svemiru tokom leta.
Nesrećne društveno-političke okolonosti više puta su dovele do toga da se niz ranijih predloga dizajna nuklearnog pogona za svemirske letelice ne realizuje, na štetu celog čovečanstva. Sadašnje geopolitičke okolnosti nove svemirske trke i upliva privatnih kompanija u planiranje i sprovođenje misija daju novu šansu za davno očekivanu revoluciju u propulziji svemirskih letelica koja će omogućiti osvajanje Marsa i ostatka Sunčevog sistema.

Ivan Kremer

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"