Наука

Вчені винайшли спосіб долетіти до Марсу за 45 днів замість одного року

Ігор Романько

Ракету NASA спорядять новим типом ядерного двигуна

Ми живемо в епоху освоєння космосу, кілька агентств планують відправити астронавтів на Місяць у найближчі роки. За цим у наступне десятиліття відбудуться місії на Марс з екіпажем НАСА та Китаю, до яких незабаром можуть приєднатися інші країни. Про це пише ScienceAlert.

Ці та інші місії, які виведуть астронавтів за межі низької навколоземної орбіти та системи Земля-Місяць, вимагають нових технологій, починаючи від життєзабезпечення та радіаційного захисту до потужності та руху. Тому нові ядерні теплові та ядерні електричні двигуни (NTP/NEP) є головними претендентами на місце у новій ракеті, що полетить на Марс.

NASA та радянська космічна програма десятиліттями досліджували ядерний двигун під час космічної гонки. А кілька років тому NASA відновило свою ядерну програму з метою розробки бімодального ядерного двигуна – двокомпонентної системи, що складається з елементів NTP і NEP, яка могла б забезпечити транзит до Марса за 100 днів.

Читайте також: Астрономи знайшли другу потенційно населену екзопланету схожого на Землю розміру, лише за 100 світлових років від нас

У рамках програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 рік, агенство вибрало ядерну концепцію для першої фази розробки. Цей новий клас бімодальних ядерних силових установок використовує "цикл обертання хвильового ротора" і може скоротити час транзиту до Марса лише до 45 днів.

Новий клас бімодальних NTP/NEP із хвильовим циклом закриття ротора, що забезпечує швидкий транзит до Марса

Проєкт під назвою "Бімодальний NTP/NEP із циклом закриття хвильового ротора" висунув професор Раян Госсе, керівник програми Hypersonics в Університеті Флориди та член команди Флоридських прикладних досліджень в інженерії (FLARE).

Пропозиція вченого є однією з 14, відібраних NAIC цього року для першої фази розробки, яка включає грант у розмірі 12 500 доларів США на допомогу у вдосконаленні технології та методів. Інші пропозиції включали інноваційні датчики, інструменти, технології виробництва, системи живлення тощо.

Ядерний двигун по суті зводиться до двох концепцій, обидві з яких спираються на технології, які були ретельно перевірені та протестовані.

  • Для ядерно-теплового двигуна (NTP) цикл складається з ядерного реактора, який нагріває рідкий водень (LH2), перетворюючи його на іонізований водень (плазму), який потім направляється через сопла для створення тяги.
  • Атомно-електричний двигун (NEP), з іншого боку, покладається на ядерний реактор для забезпечення електроенергією двигуна на ефекті Холла (іонний двигун), який генерує електромагнітне поле, яке іонізує та прискорює інертний газ (наприклад, ксенон) для створення тяга. Спроби розробити цю технологію включають проєкт Прометей Ініціативи ядерних систем НАСА (NSI) (2003-2005).

Читайте також: Біоінженери створили кімнатну рослину, яка очищає повітря у 30 разів краще за інші квіти і навіть очищувачі повітря

Обидві системи мають значні переваги перед звичайним хімічним двигуном, включаючи вищий показник питомого імпульсу (Isp), паливну ефективність і практично необмежену щільність енергії. Хоча концепції NEP відрізняються тим, що забезпечують більше 10 000 секунд Isp, тобто вони можуть підтримувати тягу близько трьох годин, рівень тяги досить низький порівняно зі звичайними ракетами та NTP.

За словами Госсе, потреба в джерелі електроенергії також піднімає проблему відведення тепла в космосі, де за ідеальних умов перетворення теплової енергії становить 30-40%.

І хоча конструкції NTP NERVA є кращим методом для місій з екіпажем на Марс і за його межі, цей метод також має проблеми із забезпеченням відповідних початкових і кінцевих масових часток для місій з високим дельта-v.

Ось чому перевага надається пропозиціям, які включають обидва методи руху (бімодальний), оскільки вони поєднують переваги обох. Проєкт Госсе передбачає бімодальний дизайн на основі реактора NERVA з твердим сердечником, який забезпечував би питомий імпульс (Isp) 900 секунд, що вдвічі перевищує поточну продуктивність хімічних ракет.

Запропонований Госсе цикл також включає хвилевий нагнітач тиску – або хвильовий ротор (WR) – технологію, що використовується у двигунах внутрішнього згоряння, яка використовує хвилі тиску, створені реакціями, для стиснення всмоктуваного повітря.

У парі з двигуном NTP WR використовуватиме тиск, створюваний нагріванням палива LH2 в реакторі, для подальшого стиснення реакційної маси. Госсе запевнив, що це забезпечить рівень тяги, порівнянний з концептом NTP класу NERVA, але з Isp 1400-2000 секунд. У поєднанні з циклом NEP рівні тяги підвищуються ще більше:

"У поєднанні з циклом NEP робочий цикл Isp можна додатково збільшити (1800-4000 секунд) з мінімальним додаванням сухої маси. Ця бімодальна конструкція забезпечує швидкий транзит для пілотованих місій (45 днів на Марс) і революціонізує дослідження глибокого космосу та нашої Сонячної системи", – каже вчений.

Читайте також: Аж через 500 років вченим вдалось вирішити "парадокс Леонардо да Вінчі"

Завдяки звичайним двигунам місія з екіпажем на Марс може тривати до 3 років. Ці місії запускатимуться кожні 26 місяців, коли Земля та Марс максимально зближуються (так зване протистояння Марса), і витрачатимуть у дорозі щонайменше від 6 до 9 місяців.

Транзит тривалістю 45 днів скоротить загальний час місії до місяців замість років. Це значно зменшить основні ризики, пов’язані з місіями на Марс, включаючи радіаційне опромінення, час перебування в умовах мікрогравітації та пов’язані з цим проблеми зі здоров’ям.

На додаток до двигунів, є пропозиції щодо нових конструкцій реакторів, які б забезпечували стабільне електропостачання для довготривалих наземних місій, де сонячна та вітрова енергія не завжди доступна.

Ці та інші ядерні програми колись дозволять здійснювати місії з екіпажем на Марс та інші місця в глибокому космосі, можливо, раніше, ніж ми думаємо.

Раніше, вчені вловили радіосигнал з далекої галактики, випущений, коли нашому Всесвіту було всього 4,9 мільярда років, який може бути пов'язаний з інопланетною цивілізацією.

Бажаєте отримувати найактуальніші новини про війну та події в Україні – підписуйтесь на наш Телеграм-канал!