V posledním zákoně o federálních výdajích, který prošel Kongresem letos v březnu, a který obsahuje i kapitolu výdajů NASA, je zastrčena “malá” položka 100 miliónů USD na vývoj jaderných raketových motorů. Podle sdělení NASA plánuje do roku 2024 demonstrační let takového motoru.
Jaderný pohon – Nuclear Thermal Propulsion (NTP) je teoreticky mnohem účinnější, než chemický pohon a může podstatně snížit čas i spotřebu paliva při letu například k Marsu. To by přineslo snížení času stráveného astronauty v prostředí mikrogravitace, i jimi přijatých dávek radiace. I nepilotované sondy by s takovým pohonem dosáhly svých cílů dříve a tím by se Sluneční soustava otevřela dalšímu zkoumání.
Jaderné motory v minulosti
NASA, společně s tehdejší Komisí pro atomovou energii, spolupracovala v 60. letech na programu NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) – prováděný firmou Westinghouse, který zkoušel různé reaktory a motory až do roku 1972, kdy byl projekt ukončen. NASA plánovala, že s motorem NERVA navštíví Mars do roku 1978 a založí stálou lunární základnu do roku 1981.
Jaderný motor zahříval kapalný vodík v reaktoru na vysoké teploty (2700 °C) a výslednou plazmu vyvrhoval tryskou ven. Mimo to předtím (od roku 1955) existoval projekt ROVER, který byl uvedenému principu velmi podobný. Jednotlivé modelové řady byly označovány KIWI, Phoebus a PEWEE. Programy Rover/NERVA akumulovaly celkem 17 hodin operačního času (z toho 6 hodin s teplotami nad 2000 K). Motor, turbina a nádrž tekutého vodíku nebyly nikdy spojeny dohromady, NERVA byla považována za zralou k sestavení do nosiče. Na počátku 90. let probíhaly některé další práce při vývoji termálního nukleárního pohonu, vč. programu Space Nuclear Thermal Propulsion (SNTP).
Článek byl v originálu publikován na webu kosmonautix.cz
Jaderný pohon dnes
Nový vývoj v jaderné technologii umožňuje vyvinout levnější, lehčí a bezpečnější jaderný pohon než v rámci programu NERVA. V současnosti je Nuclear Thermal Propulsion (NTP) pod dohledem ředitelství NASA – Space Technology Mission Directorate, programu Game Changing Development (průlomový vývoj).
V rámci NTP se testují systémy využívající slabě obohacený uran (low-enriched uranium, LEU) – jeho podstatnou výhodou je snížení míry bezpečnostních a technologických omezení při zacházení s tímto palivem. Proto je jednodušší vyrobit testovací motory a umístit je na stanoviště, což by mělo umožnit kratší harmonogram vývoje. Toto palivo je mj. méně finančně náročné.
Vzhledem ke zkušenostem s neočekávanou erozí a lomy materiálů motoru během projektu NERVA, je jedním z podstatných směrů výzkumu v rámci NTP hledání nových vhodných materiálových kandidátů (metalo-keramických) pro konstrukci komory motoru.
Palivo pro NTP je vyvíjeno a zpracováváno společností BWXT Nuclear Energy, Inc., z Lynchburgu ve Virginii. Vzorky paliva procházejí nenukleárním testováním v Compact Fuel Element Environmental Tester (CFEET) v Marshallově centru vesmírných letů v Huntsville v Alabamě. Plnorozměrové palivové články budou nenukleárně testovány v Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator (NTREES). Zařízení pro testy motoru NTP budou moci být prováděny na stanovišti A3 ve Stennis Space Center. Dalšími účastníky vývoje jsou Aerojet Rocketdyne, AMA, Aerospace a také Federální Ministerstvo Energetiky.
Co se bude dít v následujících letech?
V rozpočtovém roce 2019 budou dokončeny aktivity vedoucí ke snížení rizik, které vyvrcholí procesem přezkoumání návrhu (concept review) a bude určeno, zda postoupit k fázi pozemní (neletové) demonstrace.
Zatím nikdo neví, co případná demonstrační mise ponese. Často se používá balastní zátěž, aby se předešlo případným ztrátám drahých sond a přístrojů. Elon Musk ale loni ustanovil nový precedent, když při testovacím letu Falconu Heavy poslal k Marsu svůj rudý roadster Tesla. Tato “bláznivina” přinesla mj. jedny z nejpůsobivějších fotografií, které vznikly v průběhu našeho “vesmírného” věku.
Výhody Nukleárního pohonu
NASA může zvážit například vypuštění roje levných cubesatů, které mohou být vyvinuty například školami, univerzitami nebo některými start-upy. Můžeme si představit, že technologie NTP může podpořit plány NASA i soukromého sektoru na průzkum, osídlení a ekonomický rozvoj blízkého vesmíru. Nepředstavitelně nákladný systém SLS (Space Launch System) by se výrazně vylepšil, kdyby dostal poslední stupeň s termonukleárním pohonem. Starship od SpaceX i New Glenn od Blue Origin by také získaly na schopnostech (nosnosti), pokud by mohly do svých sestav začlenit NTP technologii.
Použití NPT bude představovat rozdíl mezi průzkumem vzdálených oblastí, vč. přistání na Marsu a jiných destinacích a návratu z nich, a v konečném důsledku umožní expanzi lidské civilizace Sluneční soustavou. Více lidí a více nákladu bude moci být při použití raket s jaderným pohonem dopraveno levněji, rychleji a častěji, než při použití vyzkoušených chemických pohonů. Tyto rakety by pro cestování v kosmu mohly znamenat stejně podstatnou změnu, jako parní pohon pro transoceánskou plavbu v 19. století.
Co nám tedy stojí v cestě?
NASA se zřejmě bude muset před startem demonstračního letu s jaderným pohonem připravit na protesty anti-nukleárních aktivistů – podobných jako v roce 1997, kdy k Saturnu statovala sonda Cassini s radioisotopovými termoelektrickými generátory RTG s plutoniem 238. Agentura bude muset provést bezpečností studie a doložit, že riziko nehody při startu bude tak nízké, jak jen to bude možné. Taková studie zřejmě nezabrání protestům, popř. soudním žalobám, ale bude schopna odpovědět na každou vznesenou námitku proti startu demonstrační mise.
Rok 2024 není daleko – hrubým odhadem by v roce 2022 měly být k dispozici funkční prototypy, aby byla alespoň minimální šance, že se termín demonstrační mise dá stihnout. Zatím to na praktickou aplikaci nevypadá, bude ale hodně záviset na budoucím financování (které je zatím skutečně minimální).