Historia
Już w 1944 roku Stanisław Ulam (polski matematyk pracujący m.in. przy Projekcie Manhattan) oraz Austriak Frederic de Hoffmann rozpoczęli prace koncepcyjne nad statkami kosmicznymi napędzanymi wybuchami jądrowymi. Tak właśnie – wybuchami jądrowymi, takimi jak ten, który w 1945 roku miał miejsce na poligonie Alamogordo w Nowym Meksyku. Seria regularnych kontrolowanych wybuchów miała zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona nadać rakiecie odpowiedni ciąg, znacznie silniejszy niż w przypadku klasycznej rakiety napędzanej silnikiem chemicznym. Pomysł ten został jednak dość szybko zarzucony. Kolejne pomysły pojawiły się pod koniec lat 40., ale wszystkie były natychmiast uznane za tajne. I w zasadzie tak było przez cały okres zimnej wojny. Dziś wiemy, że na przełomie lat 40. i 50. XX wieku zarzucono już pomysł seryjnych eksplozji jądrowych na rzecz silnika elektrycznego napędzanego reaktorem jądrowym. Oczywiście nie jest to taki silnik elektryczny, jaki znamy choćby z pojazdów na drogach. Tutaj reaktor w sposób ciągły produkuje energię elektryczną, która następnie zostaje zużyta do jonizacji atomów, a powstałe jony zostają przyśpieszone w polu elektrostatycznym, co powoduje powstanie ciągu. Co ciekawe – pierwszymi, którzy rozważali taki napęd, byli Robert Goddard (1906 rok, USA) oraz niezależnie Konstanty Ciołkowski (1911, Rosja). Oczywiście w tamtych czasach nie było mowy o reaktorach jądrowych.
Współczesność
Napęd jonowy jest od czasu do czasu stosowany we współczesnych sondach kosmicznych, z których pierwszą była Deep Space 1, wystrzelona w 1998 roku.
Sonda Deep Space 1 – widok od strony silnika jonowego
żródło: NASA, licencja: domena publiczna
W tym przypadku źródłem energii elektrycznej były klasyczne panele słoneczne. Dziś jednak są rozważane także inne pomysły, z których pierwszym był nuklearny silnik cieplny. Pierwsze takie silniki oparte na koncepcji wodoru jako czynnika roboczego stworzono na przełomie lat 50. i 60. XX wieku. Projekt nosił znaczącą nazwę Kiwi, ponieważ z definicji były to silniki tylko do testów naziemnych. Testy prowadzono najpierw z użyciem gazowego wodoru, później zastąpionego ciekłym wodorem. Do ogrzewania H2 i wytworzenia ciągu używane były niewielkie reaktory uranowe (U-235). Były one wyposażone w wąskie kanaliki, którymi przepływał czynnik roboczy, ogrzewając się do temperatury ponad 2000 stopni. Bardzo gorący gaz był następnie kierowany do dyszy, w której ulegał rozprężeniu i ochłodzeniu.
Inną wdrażaną koncepcją są wspomniane wcześniej silniki elektryczne, a dokładniej elektrostatyczne. W tym przypadku czynnikiem roboczym jest zwykle ksenon (czasami rtęć albo jod). W pierwszym etapie atomy czynnika roboczego ulegają jonizacji, a powstałe w tym procesie kationy są kierowane przy użyciu pola magnetycznego w stronę dodatnio naładowanych elektrycznie metalowych siatek. Siatka odpycha kationy i kieruje je w stronę siatki naładowanej ujemnie, gdzie przy pomocy lampy katodowej są one neutralizowane, a rozpędzony elektrostatycznie strumień obojętnych atomów wytwarza ciąg napędzający rakietę. Tego typu napęd jonowy z silnikiem NEXT wykorzystano między innymi w misji DART, która wystartowała w 2021 roku, przy czym tutaj źródłem prądu były panele słoneczne.
Silnik jonowy NEXT – testy w komorze próżniowej
źródło: NASA, licencja: domena publiczna
Warto tu podkreślić, że reaktor jądrowy projektowany do takich misji nie będzie w niczym przypominał tych, które znamy z typowych elektrowni jądrowych. Nie będzie też tak duży, jak obecnie projektowane reaktory SMR (Small Modular Reactors). Rozmiarami będzie raczej przypominał typową pralkę, choć jego masa będzie zapewne większa.
Bezpieczeństwo
Wykorzystanie reaktorów jądrowych działających już w czasie startu rodzi pytania o bezpieczeństwo. To prawda, można sobie wyobrazić, co by się stało, gdyby taka rakieta eksplodowała w czasie startu. Dlatego też zakłada się, że sam reaktor, jak też potem silnik, może zostać uruchomiony dopiero wtedy, gdy rakieta znajdzie się wystarczająco daleko od Ziemi. Nie znamy szczegółów konstrukcyjnych projektowanych napędów, ale badacze zapewniają, że nawet w przypadku eksplozji całego systemu podczas samego startu, jak też lotu w kierunku wysokiej orbity, materiały rozszczepialne nie będą w stanie wywołać skażenia promieniotwórczego.
Co dalej?
Tekst mój powstał nieprzypadkowo w lipcu 2023. Kilka dni temu NASA wraz z Departamentem Obrony USA ogłosiły, że firma Lockheed Martin wygrała przetarg na stworzenie nuklearnego napędu, który docelowo miałby posłużyć do transportu załogowej misji na Marsa. Program o nazwie DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) ma ruszyć w 2027 roku. Oczywiście pierwsze próby będą przeprowadzone bez udziału załogi, aby nie szafować niepotrzebnie ludzkim życiem.
Planowana rakieta DRACO – wizja artystyczna
źródło: NASA, licencja: domena publiczna
Docelowo przelot Ziemia – Mars ma trwać ok. 100 dni. W przypadku użycia aktualnie posiadanych napędów trwałby on co najmniej 8 miesięcy. Krótszy czas lotu jest kluczowy, ponieważ załoga jest wtedy mniej narażona na promieniowanie kosmiczne. Nie bez znaczenia jest to, że pozwoli to na zmniejszenie zapotrzebowania na jedzenie oraz tlen.
Ale to nie koniec nowości. Brytyjska firma Pulsar Fusion zaczęła właśnie prace nad projektem jeszcze wydajniejszego silnika, w którym źródłem energii ma być reakcja fuzji jądrowej (czyli taka, jaka jest w bombach wodorowych). Prace studialne wykazały, że rakieta tego typu może osiągnąć prędkość maksymalną rzędu 800 tys. km/h. Jeśli to się powiedzie, podróż do Saturna lub jego księżyców zajmie 2 lata zamiast 8.
Trzymamy kciuki!
Literatura uzupełniająca
https://www.darpa.mil/program/demonstration-rocket-for-agile-cislunar-operations
https://www.sciencealert.com/worlds-largest-nuclear-fusion-rocket-engine-begins-construction
