ระบบสุริยะเป็นสถานที่ที่ใหญ่มากและใช้เวลาตลอดไปในการเดินทางจากโลกหนึ่งสู่อีกโลกด้วยจรวดเคมีแบบดั้งเดิม แต่เทคนิคหนึ่งที่ได้รับการพัฒนาย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1960 อาจเป็นวิธีที่ทำให้เวลาในการเดินทางของเราสั้นลงอย่างมากนั่นคือจรวดนิวเคลียร์
แน่นอนว่าการเปิดตัวจรวดที่ขับเคลื่อนด้วยวัสดุกัมมันตรังสีก็มีความเสี่ยงเช่นกัน เราควรลองดูไหม
สมมติว่าคุณต้องการเยี่ยมชมดาวอังคารโดยใช้จรวดเคมี คุณจะระเบิดออกจากโลกและไปสู่วงโคจรของโลกที่ต่ำ จากนั้นในเวลาที่เหมาะสมคุณจะยิงจรวดยกวงโคจรของคุณจากดวงอาทิตย์ เส้นทางโคจรรูปไข่ใหม่ที่คุณกำลังติดตามตัดกับดาวอังคารหลังจากผ่านไปแปดเดือนของการบิน
สิ่งนี้เรียกว่าการถ่ายโอน Hohmann และเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่เรารู้วิธีเดินทางในอวกาศโดยใช้จรวดน้อยที่สุดและปริมาณบรรทุกมากที่สุด ปัญหาแน่นอนคือเวลาที่ใช้ ตลอดการเดินทางนักบินอวกาศจะบริโภคอาหารน้ำอากาศและสัมผัสกับรังสีในระยะยาวของห้วงอวกาศ จากนั้นภารกิจส่งคืนจะเพิ่มความต้องการทรัพยากรและเพิ่มปริมาณรังสีให้เป็นสองเท่า
เราต้องไปให้เร็วขึ้น
ปรากฎว่านาซากำลังคิดเกี่ยวกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นหลังจากจรวดเคมีเป็นเวลาเกือบ 50 ปี
จรวดความร้อนนิวเคลียร์ แน่นอนว่าพวกเขาเร่งความเร็วการเดินทาง แต่พวกเขาไม่ได้โดยปราศจากความเสี่ยงของตัวเองซึ่งเป็นสาเหตุที่คุณไม่ได้เห็นพวกเขา แต่บางทีเวลาของพวกเขาอยู่ที่นี่
ในปี 1961 องค์การนาซ่าและคณะกรรมการพลังงานปรมาณูทำงานร่วมกันในความคิดของการขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์หรือ NTP สิ่งนี้ถูกบุกเบิกโดย Werner von Braun ซึ่งหวังว่าภารกิจของมนุษย์จะบินไปดาวอังคารในปี 1980 บนปีกของจรวดนิวเคลียร์
ก็ไม่เกิดขึ้น แต่พวกเขาทำการทดสอบความสำเร็จของการขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์และแสดงให้เห็นว่ามันทำงานได้ดี
ในขณะที่จรวดเคมีใช้งานโดยการจุดติดไฟของสารเคมีที่ติดไฟได้บางส่วนแล้วบังคับให้ไอเสียออกมาจากหัวฉีด ด้วยกฎข้อที่สามของนิวตันเก่าที่ดีคุณรู้ไหมว่าทุก ๆ การกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่าเทียมกันและตรงกันข้ามจรวดจะได้รับแรงขับในทิศทางตรงกันข้ามจากก๊าซที่ถูกขับ
จรวดนิวเคลียร์ทำงานในลักษณะที่คล้ายกัน ลูกบอลขนาดใหญ่ของเชื้อเพลิงยูเรเนียมผ่านกระบวนการฟิชชันโดยปล่อยความร้อนจำนวนมหาศาล นี่จะทำให้ไฮโดรเจนร้อนขึ้นถึงเกือบ 2,500 C ซึ่งจะถูกขับออกไปทางด้านหลังของจรวดด้วยความเร็วสูง ความเร็วสูงมากมากทำให้จรวดมีประสิทธิภาพการขับเคลื่อนของจรวดเคมีสองถึงสามเท่า
จำ 8 เดือนที่ฉันพูดถึงจรวดเคมีได้หรือไม่ จรวดความร้อนนิวเคลียร์สามารถลดเวลาในการขนส่งลงได้ครึ่งหนึ่งหรืออาจเดินทางไปดาวอังคารได้ 100 วัน ซึ่งหมายถึงทรัพยากรที่มนุษย์ใช้บริโภคน้อยลงและมีปริมาณรังสีต่ำกว่า
และยังมีประโยชน์ใหญ่อีกประการหนึ่ง แรงขับของจรวดนิวเคลียร์อาจทำให้ภารกิจต่างๆดำเนินไปได้เมื่อโลกและดาวอังคารไม่สอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ ตอนนี้ถ้าคุณพลาดหน้าต่างของคุณคุณต้องรออีก 2 ปี แต่จรวดนิวเคลียร์อาจทำให้คุณต้องรับมือกับความล่าช้าของเที่ยวบิน
การทดสอบจรวดนิวเคลียร์ครั้งแรกเริ่มต้นในปีพ. ศ. 2498 โดย Project Rover ที่ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ Los Alamos การพัฒนาที่สำคัญคือการทำให้เครื่องปฏิกรณ์มีขนาดเล็กลงจนสามารถใส่จรวดได้ ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าวิศวกรได้สร้างและทดสอบเครื่องปฏิกรณ์มากกว่าหนึ่งโหลที่มีขนาดและกำลังไฟฟ้าที่แตกต่างกัน
ด้วยความสำเร็จของโปรเจ็คโรเวอร์ทำให้นาซ่าได้กำหนดมุมมองเกี่ยวกับภารกิจมนุษย์ถึงดาวอังคารซึ่งจะติดตามยานอพอลโลบนดวงจันทร์ เนื่องจากระยะทางและเวลาในการบินพวกเขาตัดสินใจว่าจรวดนิวเคลียร์จะเป็นกุญแจสำคัญในการทำให้ภารกิจมีความสามารถมากขึ้น
แน่นอนว่าจรวดนิวเคลียร์ไม่มีความเสี่ยงแน่นอน เครื่องปฏิกรณ์บนเรือจะเป็นแหล่งกำเนิดรังสีขนาดเล็กให้กับลูกเรืออวกาศบนเรือซึ่งจะมีค่ามากกว่าเมื่อเวลาบินลดลง ห้วงอวกาศเองนั้นเป็นอันตรายจากการแผ่รังสีมหาศาลด้วยการแผ่รังสีคอสมิคคอสมิคที่ทำลายดีเอ็นเอของมนุษย์อวกาศ
ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 นาซ่าได้ตั้งโปรแกรมนิวเคลียร์สำหรับยานพาหนะแอปพลิเคชั่นยานพาหนะจรวดหรือ NERVA เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีที่จะกลายเป็นจรวดนิวเคลียร์ที่จะนำมนุษย์ไปสู่ดาวอังคาร
พวกเขาทดสอบจรวดนิวเคลียร์ขนาดใหญ่ที่ทรงพลังกว่าในทะเลทรายเนวาดาปล่อยก๊าซไฮโดรเจนความเร็วสูงออกสู่ชั้นบรรยากาศ กฎหมายสิ่งแวดล้อมนั้นเข้มงวดน้อยกว่าเดิมมาก
ในที่สุด NERVA NRX คนแรกก็ได้รับการทดสอบเป็นเวลาเกือบสองชั่วโมงโดยใช้เวลา 28 นาทีที่เต็มกำลัง และเครื่องยนต์ที่สองเริ่มต้นขึ้น 28 ครั้งและวิ่งเป็นเวลา 115 นาที
ในตอนท้ายพวกเขาได้ทดสอบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาคือเครื่องปฏิกรณ์ Phoebus-2A ที่สามารถผลิตพลังงานได้ 4,000 เมกะวัตต์ แรงขับเป็นเวลา 12 นาที
แม้ว่าส่วนประกอบต่าง ๆ ไม่เคยรวมตัวกันเป็นจรวดพร้อมสำหรับการบิน แต่วิศวกรก็พอใจว่าจรวดนิวเคลียร์จะตอบสนองความต้องการของเที่ยวบินสู่ดาวอังคาร
แต่สหรัฐอเมริกาตัดสินใจว่าไม่ต้องการไปดาวอังคารอีกแล้ว พวกเขาต้องการกระสวยอวกาศแทน
โครงการดังกล่าวถูกปิดตัวลงในปี 1973 และไม่มีใครทดสอบจรวดนิวเคลียร์ตั้งแต่นั้นมา
แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีล่าสุดทำให้แรงขับความร้อนของนิวเคลียร์น่าดึงดูดยิ่งขึ้น ย้อนกลับไปในทศวรรษ 1960 แหล่งเชื้อเพลิงเดียวที่พวกเขาสามารถใช้ได้คือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูง แต่ตอนนี้วิศวกรคิดว่าพวกเขาสามารถได้รับยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ
สิ่งนี้จะปลอดภัยกว่าในการทำงานกับและจะช่วยให้จรวดสามารถทำการทดสอบได้มากขึ้น นอกจากนี้ยังง่ายกว่าที่จะจับอนุภาคกัมมันตภาพรังสีในไอเสียและกำจัดทิ้งอย่างเหมาะสม นั่นจะทำให้ค่าใช้จ่ายโดยรวมในการทำงานกับเทคโนโลยีลดลง
เมื่อวันที่ 22 พฤษภาคม 2019 รัฐสภาคองเกรสแห่งสหรัฐอเมริกาได้อนุมัติเงินทุนจำนวน 125 ล้านดอลลาร์สหรัฐสำหรับการพัฒนาจรวดความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์ แม้ว่าโปรแกรมนี้จะไม่มีบทบาทใด ๆ ใน Artemis 2024 ของนาซาคืนสู่ดวงจันทร์ แต่อ้าง -“ เรียกร้องให้นาซ่าพัฒนาแผนหลายปีที่เปิดใช้งานการสาธิตการขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์รวมถึงระยะเวลาที่เกี่ยวข้องกับการสาธิตอวกาศ และรายละเอียดของภารกิจในอนาคตและระบบขับเคลื่อนและพลังงานที่เปิดใช้งานโดยความสามารถนี้”
ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเป็นวิธีหนึ่งในการควบคุมพลังของอะตอม แน่นอนว่ามันต้องใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะและก่อให้เกิดกากกัมมันตรังสีที่เป็นพิษ แล้วฟิวชั่นล่ะ อะตอมของไฮโดรเจนถูกบีบให้ฮีเลียมปลดปล่อยพลังงานที่ไหน?
ดวงอาทิตย์ได้หลอมรวมแล้วต้องขอบคุณมวลมหาศาลและอุณหภูมิแกนกลาง แต่ฟิวชั่นบวกพลังงานที่ยั่งยืนนั้นเราเข้าใจยากสำหรับมนุษย์
การทดลองขนาดใหญ่อย่าง ITER ในยุโรปหวังที่จะรักษาพลังงานฟิวชั่นไว้ในทศวรรษหน้า หลังจากนั้นคุณสามารถจินตนาการถึงเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่มีขนาดเล็กลงจนถึงจุดที่พวกเขาสามารถทำหน้าที่เหมือนกับเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันในจรวดนิวเคลียร์ แต่แม้ว่าคุณจะไม่สามารถรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นได้จนถึงจุดที่พลังงานสุทธิเป็นบวก แต่พวกเขาก็ยังสามารถเร่งความเร็วอย่างมากสำหรับปริมาณมวล
และบางทีเราไม่จำเป็นต้องรอหลายสิบปี กลุ่มวิจัยที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสม่าของพรินซ์ตันกำลังทำงานบนแนวคิดที่เรียกว่า Direct Fusion Drive ซึ่งพวกเขาคิดว่าจะพร้อมเร็วกว่านี้
มันขึ้นอยู่กับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นการกำหนดค่าฟิวชั่นที่ตรงกันข้ามกับ Princeton ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 2002 โดยซามูเอลโคเฮน พลาสมาร้อนของฮีเลียม -3 และดิวทีเรียมนั้นบรรจุอยู่ในภาชนะแม่เหล็ก ฮีเลียม -3 นั้นหายากบนโลกและมีค่าเพราะปฏิกิริยาฟิวชั่นกับมันจะไม่สร้างปริมาณรังสีอันตรายหรือกากนิวเคลียร์เท่ากับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นหรือฟิชชันอื่น ๆ
เช่นเดียวกับจรวดฟิชชันจรวดฟิวชั่นจะทำให้จรวดร้อนขึ้นจนถึงอุณหภูมิสูงแล้วระเบิดมันออกไปทางด้านหลังทำให้เกิดแรงขับ
มันทำงานโดยการเรียงตัวของแม่เหล็กเชิงเส้นจำนวนมากที่มีและหมุนพลาสมาร้อนมาก เสาอากาศรอบ ๆ พลาสมาถูกปรับให้เข้ากับความถี่เฉพาะของไอออนและสร้างกระแสในพลาสมา พลังงานของพวกมันถูกปั๊มขึ้นไปจนถึงจุดที่อะตอมหลอมรวมปล่อยอนุภาคใหม่ออกมา อนุภาคเหล่านี้เดินผ่านสนามกักกันจนกว่าพวกมันจะถูกจับโดยเส้นสนามแม่เหล็กและพวกมันก็ถูกเร่งออกไปทางด้านหลังของจรวด
ในทางทฤษฎีจรวดฟิวชั่นจะสามารถให้แรงขับ 2.5 ถึง 5 นิวตันต่อเมกะวัตต์โดยมีแรงกระตุ้นเฉพาะ 10,000 วินาที - จำ 850 จากจรวดฟิชชันและ 450 จากจรวดเคมี มันยังเป็นการผลิตไฟฟ้าที่ยานอวกาศต้องการจากดวงอาทิตย์ซึ่งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากนัก
ไดรฟ์ฟิวชั่นไดรฟ์โดยตรงจะสามารถบรรทุกภารกิจ 10 ตันให้กับดาวเสาร์ในเวลาเพียง 2 ปีหรือยานอวกาศ 1 ตันจากโลกถึงพลูโตในเวลาประมาณ 4 ปี นิวฮอริซอนส์ต้องการเกือบ 10
เนื่องจากเป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นขนาด 1 เมกะวัตต์จึงให้พลังงานสำหรับเครื่องมือทั้งหมดของยานอวกาศเมื่อมาถึง มากกว่าแบตเตอรี่นิวเคลียร์ในปัจจุบันที่ดำเนินการโดยภารกิจห้วงอวกาศเช่น Voyager และ New Horizons
ลองนึกภาพว่าภารกิจระหว่างดวงดาวชนิดใดที่อาจอยู่บนโต๊ะด้วยเทคโนโลยีนี้เช่นกัน
และ Princeton Satellite Systems ไม่ใช่กลุ่มเดียวที่ทำงานกับระบบเช่นนี้ Applied Fusion Systems ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องยนต์นิวเคลียร์ฟิวชั่นที่สามารถผลักยานอวกาศ
ฉันรู้ว่าเป็นเวลาหลายสิบปีแล้วที่นาซ่าทดสอบจรวดนิวเคลียร์อย่างจริงจังเพื่อลดระยะเวลาการบิน แต่ดูเหมือนว่าเทคโนโลยีจะกลับมา ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าฉันคาดว่าจะเห็นฮาร์ดแวร์ใหม่และการทดสอบใหม่ของระบบขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์ และฉันรู้สึกตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อที่ความเป็นไปได้ของการขับเคลื่อนฟิวชั่นที่เกิดขึ้นจริงพาเราไปยังโลกอื่น และเช่นเคยคอยติดตามฉันจะแจ้งให้คุณทราบเมื่อมีใครบินได้
