Het zonnestelsel is echt een grote plaats, en het duurt een eeuwigheid om met traditionele chemische raketten van wereld naar wereld te reizen. Maar één techniek die in de jaren zestig werd ontwikkeld, zou een manier kunnen bieden om onze reistijden drastisch te verkorten:nucleaire raketten.

Natuurlijk, het lanceren van een raket aangedreven door radioactief materiaal heeft zijn eigen risico's, ook. Moeten we het proberen?

Laten we zeggen dat je Mars wilde bezoeken met een chemische raket. Je zou van de aarde afschieten en in een lage baan om de aarde gaan. Vervolgens, op het juiste moment, je zou je raket afvuren, het verhogen van uw baan van de zon. Het nieuwe elliptische traject dat je volgt, kruist Mars na acht maanden vliegen.

Dit staat bekend als Hohmann-overdracht, en het is de meest efficiënte manier om in de ruimte te reizen met de minste hoeveelheid drijfgas en de grootste hoeveelheid nuttige lading. Het probleem natuurlijk is de tijd die nodig is. Gedurende de hele reis, astronauten zullen voedsel consumeren, water, lucht, en worden blootgesteld aan de langdurige straling van de verre ruimte. Dan verdubbelt een terugkeermissie de behoefte aan middelen en verdubbelt de stralingsbelasting.

We moeten sneller gaan.

Het blijkt dat NASA al bijna 50 jaar nadenkt over wat er na chemische raketten komt:nucleaire thermische raketten. Ze versnellen zeker de reis, maar ze zijn niet zonder hun eigen risico's, daarom heb je ze niet gezien. Maar misschien is hun tijd daar.

1961, NASA en de Atomic Energy Commission werkten samen aan het idee van nucleaire thermische voortstuwing, of NTP. Dit werd ontwikkeld door Werner von Braun, die hoopten dat in de jaren tachtig menselijke missies naar Mars zouden vliegen op de vleugels van nucleaire raketten.

We zullen, dat is niet gebeurd. Maar ze voerden wel enkele succesvolle tests uit van nucleaire thermische voortstuwing en toonden aan dat het werkt.

Een chemische raket werkt door een soort ontvlambare chemische stof te ontsteken en vervolgens de uitlaatgassen uit een mondstuk te persen. Dankzij de derde wet van de goede oude Newton - voor elke actie, er is een gelijke en tegengestelde reactie - de raket krijgt een stuwkracht in de tegenovergestelde richting van de uitgestoten gassen.

Een nucleaire raket werkt op een vergelijkbare manier. Een bal van uraniumbrandstof ter grootte van een knikker ondergaat splijting, een enorme hoeveelheid warmte afgeven. Dit verwarmt waterstof tot bijna 2, 500 graden Celsius, die vervolgens met extreem hoge snelheid uit de achterkant van de raket wordt geworpen, waardoor de raket twee tot drie keer de voortstuwingsefficiëntie van een chemische raket heeft.

Herinner je je de acht maanden die ik noemde voor een chemische raket om naar Mars te reizen? Een nucleaire thermische raket kan de transittijd halveren, misschien zelfs tot 100 dagen, wat betekent dat er minder middelen worden verbruikt door de astronauten, en een lagere stralingsbelasting.

En er is nog een groot voordeel. De stuwkracht van een nucleaire raket kan missies mogelijk maken wanneer de aarde en Mars niet perfect zijn uitgelijnd. Direct, als je je raam mist, je moet nog twee jaar wachten, maar een nucleaire raket zou je de stuwkracht kunnen geven om vluchtvertragingen op te vangen.

De eerste tests van nucleaire raketten begonnen in 1955 met Project Rover in het Los Alamos Scientific Laboratory. De belangrijkste ontwikkeling was het zo klein maken van de reactoren dat ze op een raket pasten. In de komende jaren, ingenieurs bouwden en testten meer dan een dozijn reactoren van verschillende groottes en vermogens.

Met het succes van Project Rover, NASA zette zijn zinnen op de menselijke missies naar Mars die de Apollo-landers op de maan zouden volgen. Vanwege de afstand en vliegtijd, ze besloten dat nucleaire raketten de sleutel zouden zijn om de missies capabeler te maken.

Kernraketten zijn niet zonder risico's, natuurlijk. Een reactor aan boord zou een kleine stralingsbron zijn voor de astronautenbemanning aan boord, dit zou worden gecompenseerd door de verminderde vliegtijd. De diepe ruimte zelf is een enorm stralingsgevaar, met de constante galactische kosmische straling die het astronauten-DNA beschadigt.

Eind jaren zestig, NASA heeft het Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application-programma opgezet, of NERVA, het ontwikkelen van de technologieën die de nucleaire raketten zouden worden die mensen naar Mars zouden brengen.

Ze testten groter, krachtigere kernraketten, in de woestijn van Nevada, het met hoge snelheid waterstofgas rechtstreeks in de atmosfeer afblazen. Milieuwetten waren toen veel minder streng.

De eerste NERVA NRX werd uiteindelijk bijna twee uur lang getest, met 28 minuten op vol vermogen. En een tweede motor werd 28 keer gestart en liep 115 minuten.

Aan het eind, ze testten de krachtigste kernreactor ooit gebouwd, de Phoebus-2A-reactor, geschikt voor het genereren van 4, 000 megawatt vermogen, 12 minuten stoten.

Hoewel de verschillende componenten nooit daadwerkelijk zijn geassembleerd tot een vluchtklare raket, ingenieurs waren ervan overtuigd dat een nucleaire raket zou voldoen aan de behoeften van een vlucht naar Mars. Maar toen besloten de VS dat ze niet meer naar Mars wilden - we wilden in plaats daarvan de spaceshuttle. Het programma werd in 1973 stopgezet, en sindsdien heeft niemand kernraketten meer getest.

Maar recente technologische vooruitgang heeft nucleaire thermische voortstuwing aantrekkelijker gemaakt. Terug in de jaren 60, de enige brandstof die ze konden gebruiken was hoogverrijkt uranium. Maar nu, ingenieurs denken rond te kunnen komen met laagverrijkt uranium.

Dit zou veiliger zijn om mee te werken, en zou meer raketfaciliteiten in staat stellen tests uit te voeren. Het zou ook gemakkelijker zijn om de radioactieve deeltjes in de uitlaat op te vangen en op de juiste manier af te voeren. Dat zou de totale kosten van het werken met de technologie verlagen.

Op 22 mei, 2019, het Amerikaanse Congres keurde $ 125 miljoen aan financiering goed voor de ontwikkeling van nucleaire thermische voortstuwingsraketten. Hoewel dit programma geen rol speelt bij NASA's Artemis 2024-terugkeer naar de maan, het "een beroep doet op NASA om een ​​meerjarenplan te ontwikkelen dat een demonstratie van nucleaire thermische voortstuwing mogelijk maakt, inclusief de tijdlijn in verband met de ruimtedemonstratie en een beschrijving van toekomstige missies en voortstuwings- en aandrijfsystemen die door deze mogelijkheid mogelijk worden gemaakt."

Kernsplijting is een manier om de kracht van het atoom te benutten. Natuurlijk, het vereist verrijkt uranium en genereert giftig radioactief afval. Hoe zit het met fusie, waarin waterstofatomen tot helium worden geperst, energie vrijmaken?

De zon heeft fusie uitgewerkt, dankzij zijn enorme massa en kerntemperatuur, maar duurzaam bouwen, energie-positieve fusie is ongrijpbaar gebleken.

Enorme experimenten zoals ITER in Europa hopen de komende tien jaar de fusie-energie in stand te houden. Daarna, je kunt je fusiereactoren voorstellen die zo verkleind zijn dat ze dezelfde rol kunnen vervullen als een splijtingsreactor in een kernraket. Maar zelfs als ingenieurs de fusiereactoren niet zover kunnen krijgen dat ze netto energiepositief zijn, ze kunnen nog steeds een enorme versnelling bieden voor de hoeveelheid massa.

En misschien hoeven we geen decennia te wachten. Een onderzoeksgroep van het Princeton Plasma Physics Laboratory werkt aan een concept genaamd de Direct Fusion Drive, waarvan ze denken dat ze veel eerder klaar kunnen zijn.

Het is gebaseerd op de fusiereactor Princeton Field-Reversed Configuration, ontwikkeld in 2002 door Samuel Cohen. Heet plasma van helium-3 en deuterium zit in een magnetische container. Helium-3 is zeldzaam op aarde, en waardevol omdat dergelijke fusiereacties niet dezelfde hoeveelheid gevaarlijke straling of kernafval zullen genereren als andere fusie- of splijtingsreactoren.

Net als bij de splijtingsraket, een fusieraket verwarmt een drijfgas tot hoge temperaturen en schiet het vervolgens uit de achterkant, stuwkracht produceren.

Het werkt door een aantal lineaire magneten op een rij te zetten die zeer heet plasma bevatten en draaien. Antennes rond het plasma zijn afgestemd op de specifieke frequentie van de ionen, en creëren een stroom in het plasma. Hun energie wordt zo opgepompt dat de atomen samensmelten, nieuwe deeltjes vrijgeven. Deze deeltjes dwalen door het insluitingsveld totdat ze worden opgevangen door de magnetische veldlijnen en worden versneld uit de achterkant van de raket.

In theorie, een fusieraket zou 2,5 tot 5 Newton stuwkracht per megawatt kunnen leveren, met een specifieke impuls van 10, 000 seconden - onthoud 850 van splijtingsraketten, en 450 van chemische raketten. Het zou ook elektriciteit opwekken die het ruimtevaartuig ver van de zon nodig heeft, waar zonnepanelen niet erg efficiënt zijn.

Een directe fusie-aandrijving zou in slechts twee jaar een missie van 10 ton naar Saturnus kunnen vervoeren, of een ruimtevaartuig van één ton van de aarde naar Pluto in ongeveer vier jaar. New Horizons had er bijna 10 nodig.

Omdat het ook een fusiereactor van één megawatt is, het zou ook stroom leveren voor alle instrumenten van het ruimtevaartuig wanneer het aankomt, much more than the nuclear batteries currently carried by deep space missions like Voyager and New Horizons.

Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. Over the next few years, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.