Met dromen over Mars in de hoofden van zowel NASA als Elon Musk, bemande langeafstandsmissies door de ruimte komen eraan. Maar het zal je misschien verbazen te horen dat moderne raketten niet zo veel sneller gaan dan de raketten uit het verleden.

Er zijn veel redenen waarom een ​​sneller ruimteschip beter is, en nucleair aangedreven raketten zijn een manier om dit te doen. Ze bieden veel voordelen ten opzichte van traditionele brandstofverbrandende raketten of moderne elektrische raketten op zonne-energie. maar er zijn de afgelopen 40 jaar slechts acht Amerikaanse ruimtelanceringen geweest met kernreactoren.

Echter, vorig jaar zijn de wetten met betrekking tot nucleaire ruimtevluchten gewijzigd en is er al begonnen aan deze volgende generatie raketten.

Waarom de behoefte aan snelheid?

De eerste stap van een ruimtereis omvat het gebruik van lanceerraketten om een ​​schip in een baan om de aarde te brengen. Dit zijn de grote brandstofverbrandende motoren die mensen zich voorstellen als ze denken aan raketlanceringen en die waarschijnlijk niet zullen verdwijnen in de nabije toekomst vanwege de beperkingen van de zwaartekracht.

Zodra een schip de ruimte bereikt, wordt het interessant. Om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen en verre bestemmingen te bereiken, schepen hebben extra versnelling nodig. Dit is waar nucleaire systemen in het spel komen. Als astronauten iets verder willen verkennen dan de maan en misschien Mars, ze zullen heel erg snel moeten gaan. Ruimte is enorm, en alles is ver weg.

Er zijn twee redenen waarom snellere raketten beter zijn voor ruimtereizen over lange afstanden:veiligheid en tijd.

Astronauten op een reis naar Mars zouden worden blootgesteld aan zeer hoge stralingsniveaus die ernstige gezondheidsproblemen op de lange termijn kunnen veroorzaken, zoals kanker en onvruchtbaarheid. Stralingsafscherming kan helpen, maar het is extreem zwaar, en hoe langer de missie, hoe meer afscherming nodig is. Een betere manier om de blootstelling aan straling te verminderen, is door simpelweg sneller te komen waar u heen gaat.

Maar menselijke veiligheid is niet het enige voordeel. Terwijl ruimteagentschappen verder de ruimte in speuren, het is belangrijk om gegevens van onbemande missies zo snel mogelijk te krijgen. Het kostte de Voyager-2 12 jaar om Neptunus te bereiken, waar het een aantal ongelooflijke foto's maakte terwijl het voorbij vloog. Als de Voyager-2 een sneller voortstuwingssysteem had, astronomen hadden die foto's en de informatie die ze bevatten jaren eerder kunnen hebben gehad.

Snelheid is goed. Maar waarom zijn nucleaire systemen sneller?

Systemen van vandaag

Als een schip eenmaal aan de zwaartekracht van de aarde is ontsnapt, er zijn drie belangrijke aspecten waarmee u rekening moet houden bij het vergelijken van een voortstuwingssysteem:

• Stuwkracht - hoe snel een systeem een ​​schip kan versnellen
• Massa-efficiëntie - hoeveel stuwkracht een systeem kan produceren voor een bepaalde hoeveelheid brandstof
• Energiedichtheid - hoeveel energie een bepaalde hoeveelheid brandstof kan produceren

Vandaag, de meest gebruikte voortstuwingssystemen zijn chemische voortstuwing, dat wil zeggen gewone brandstofverbrandende raketten en elektrische aandrijfsystemen op zonne-energie.

Chemische voortstuwingssystemen zorgen voor veel stuwkracht, maar chemische raketten zijn niet bijzonder efficiënt, en raketbrandstof is niet zo energierijk. De Saturn V-raket die astronauten naar de maan bracht, produceerde 35 miljoen Newton aan kracht bij het opstijgen en droeg 950, 000 liter brandstof. Terwijl de meeste brandstof werd gebruikt om de raket in een baan om de aarde te brengen, de beperkingen zijn duidelijk:er is veel zware brandstof voor nodig om ergens te komen.

Elektrische voortstuwingssystemen genereren stuwkracht met behulp van elektriciteit die wordt opgewekt door zonnepanelen. De meest gebruikelijke manier om dit te doen is door een elektrisch veld te gebruiken om ionen te versnellen, zoals in de Hall boegschroef. Deze apparaten worden vaak gebruikt om satellieten van stroom te voorzien en kunnen een meer dan vijf keer hogere massa-efficiëntie hebben dan chemische systemen. Maar ze produceren veel minder stuwkracht - ongeveer drie Newton, of net genoeg om een ​​auto in ongeveer twee en een half uur van 0-60 mph te versnellen. De energiebron - de zon - is in wezen oneindig, maar wordt minder nuttig naarmate het schip verder van de zon komt.

Een van de redenen waarom nucleair aangedreven raketten veelbelovend zijn, is omdat ze een ongelooflijke energiedichtheid bieden. De uraniumbrandstof die in kernreactoren wordt gebruikt, heeft een energiedichtheid die 4 miljoen keer hoger is dan die van hydrazine, een typische chemische raketstuwstof. Het is veel gemakkelijker om een ​​kleine hoeveelheid uranium in de ruimte te krijgen dan honderdduizenden liters brandstof.

Dus hoe zit het met stuwkracht en massa-efficiëntie?

Twee opties voor nucleair

Ingenieurs hebben twee hoofdtypen nucleaire systemen ontworpen voor ruimtereizen.

De eerste heet nucleaire thermische voortstuwing. Deze systemen zijn zeer krachtig en matig efficiënt. Ze gebruiken een kleine kernsplijtingsreactor - vergelijkbaar met die in kernonderzeeërs - om een ​​gas te verwarmen, zoals waterstof, en dat gas wordt vervolgens versneld door een raketmondstuk om stuwkracht te leveren. Ingenieurs van NASA schatten dat een missie naar Mars, aangedreven door nucleaire thermische voortstuwing, 20%-25% korter zou zijn dan een reis met een chemisch aangedreven raket.

Nucleaire thermische voortstuwingssystemen zijn meer dan twee keer zo efficiënt als chemische voortstuwingssystemen - wat betekent dat ze twee keer zoveel stuwkracht genereren met dezelfde hoeveelheid stuwmassa - en kunnen 100, 000 Newton stuwkracht. Dat is genoeg kracht om een ​​auto in ongeveer een kwart seconde van 0-60 mph te krijgen.

Het tweede nucleaire raketsysteem wordt nucleaire elektrische voortstuwing genoemd. Er zijn nog geen nucleaire elektrische systemen gebouwd, maar het idee is om een ​​krachtige splijtingsreactor te gebruiken om elektriciteit op te wekken die vervolgens een elektrisch voortstuwingssysteem zoals een Hall-thruster zou aandrijven. Dit zou zeer efficiënt zijn, ongeveer drie keer beter dan een nucleair thermisch voortstuwingssysteem. Omdat de kernreactor veel energie kan opwekken, veel individuele elektrische stuwraketten kunnen tegelijkertijd worden bediend om een ​​goede hoeveelheid stuwkracht te genereren.

Nucleaire elektrische systemen zouden de beste keuze zijn voor missies over extreem lange afstand, omdat ze geen zonne-energie nodig hebben, hebben een zeer hoog rendement en kunnen relatief veel stuwkracht geven. Maar hoewel nucleaire elektrische raketten veelbelovend zijn, er zijn nog heel wat technische problemen op te lossen voordat ze in gebruik worden genomen.

Waarom zijn er nog geen nucleair aangedreven raketten?

Nucleaire thermische voortstuwingssystemen zijn bestudeerd sinds de jaren zestig, maar zijn nog niet in de ruimte gevlogen.

Regelgeving die voor het eerst in de VS in de jaren zeventig werd opgelegd, vereiste in wezen onderzoek en goedkeuring van elk nucleair ruimteproject van meerdere overheidsinstanties en expliciete goedkeuring van de president. Samen met een gebrek aan financiering voor onderzoek naar nucleaire raketsystemen, deze omgeving verhinderde verdere verbetering van kernreactoren voor gebruik in de ruimte.

Dat veranderde allemaal toen de regering-Trump in augustus 2019 een presidentieel memorandum uitvaardigde. de nieuwe richtlijn staat toe dat nucleaire missies met kleinere hoeveelheden nucleair materiaal het goedkeuringsproces van meerdere instanties overslaan. Alleen het sponsorbureau, zoals NASA, bijvoorbeeld, moet certificeren dat de missie voldoet aan de veiligheidsaanbevelingen. Grotere nucleaire missies zouden hetzelfde proces doorlopen als voorheen.

Samen met deze herziening van de regelgeving, NASA ontving US $ 100 miljoen in het budget van 2019 om nucleaire thermische voortstuwing te ontwikkelen. DARPA ontwikkelt ook een nucleair thermisch voortstuwingssysteem in de ruimte om nationale veiligheidsoperaties buiten de baan om de aarde mogelijk te maken.

Na 60 jaar stilstand het is mogelijk dat een nucleair aangedreven raket binnen tien jaar de ruimte in gaat. Deze opwindende prestatie zal een nieuw tijdperk van ruimteverkenning inluiden. Mensen zullen naar Mars gaan en wetenschappelijke experimenten zullen nieuwe ontdekkingen doen in ons hele zonnestelsel en daarbuiten.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.