Kozmické lode s jadrovým pohonom skrátia let na Mars na štvrtinu

V kozmonautike sa dnes používajú hlavne chemické reaktívne motory, hoci niektoré medziplanetárne sondy majú aj elektro-iónový pohon. Dramatické zrýchlenie vesmírnych letov by však prinieslo až nasadenie jadrového pohonu.

Práce na jadrových tepelných raketách (nuclear thermal rockets, NTR) sa začali v USA programom Rover, ktorý iniciovalo americké letectvo v polovici 50. rokov 20. storočia. Koncept bol zdanlivo jednoduchý. Z nádrže s tekutým vodíkom sa vodík pomocou turbočerpadiel prevedie cez jadro nukleárneho reaktora, kde sa zahreje na veľmi vysokú teplotu a cez trysku vyletí von, čím vytvorí ťah. Namiesto expanzie plynu spaľovaním v spaľovacej komore sa plyn zahrieva kontaktom s jadrovým reaktorom. Dosiahne pritom oveľa vyššiu teplotu a tým aj rýchlosť.

Princíp jadrového raketového pohonu NTR

V chemických raketách sa vodík (alebo iné palivo) musí miešať s oxidačným činidlom (najčastejšie s kyslíkom), čo zvýši celkovú hmotnosť pohonnej látky. Jadrové rakety by nepotrebovali spaľovanie a mohli by pracovať s čistým vodíkom, vďaka čomu by boli najmenej dvakrát účinnejšie. Problém je, že prevádzka stacionárnych reaktorov na Zemi je niečo úplne iné, ako nechať ich lietať vo vesmíre.

Myšlienku rakiet NTR živila nielen predstava cestovania na Mars, či na Mesiac, ale aj snaha armády vytvoriť medzikontinentálne balistické strely s jadrovými hlavicami (a jadrovým pohonom), ktoré by na územie protivníka dokázali doraziť omnoho rýchlejšie. Ukázalo sa síce, že dostatočne rýchlo sa to dá dosiahnuť aj s chemickým pohonom, ktorý v pohode stačí aj na kozmické lety na obežnú dráhu Zeme, napriek tomu vývoj jadrového pohonu pokračoval.

Vývoj sa rozbehol najmä od roku 1958, keď sa doň zapojila NASA a komisia pre atómovú energiu (AEC), kde bol projekt pomenovaný NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications), čiže jadrový motor pre aplikácie raketových vozidiel. Ale nebolo to ľahké.

Prvý z experimentálnych reaktorov sa volal Kiwi-A a pri teste 1. júla 1959 dokázal, že koncept funguje, ale len chvíľu. Vibrácie spôsobené prúdením vodíka poškodili reaktor už po piatich minútach prevádzky. Teplota dosiahla 2 683 K, čo spôsobilo vodíkovú koróziu v tyčiach reaktora a vytlačenie časti jadra cez dýzu. Na druhej strane dobre fungovali otočné bubny okolo jadra, ktoré nahradili štandardné riadiace tyče.

Počas viac ako 18 rokov NASA, AEC a firmy ako Aerojet Corporation postavili a otestovali celkovo 23 reaktorov. Posledným motorom v programe Rover/NERVA bol XE Prime. Testovali ho vo vákuovom prostredí a dosiahol „technickú úroveň pripravenosti 6“ (TRL 6). Pri úrovni TRL 7 by musel byť demonštračný motor umiestnený do vesmíru. Problémy s prelievaním a praskaním paliva však pretrvávali vo všetkých motoroch NERVA v rôznej miere. Vývoj nakoniec „zabil“ v roku 1973 posun v cieľoch NASA od hlbokého vesmíru smerom k nízkej obežnej dráhe Zeme. Na to nebol potrebný pohon NERVA.

Koncept jadrového pohonu NERVA

Myšlienka jadrového pohonu ožila po zhruba 44 rokoch, keď v roku 2017 NASA spustila malý výskumný program NTR. Rozpočet bol len čosi vyše 18 miliónov dolárov, ale o dva roky neskôr Kongres USA na rozvoj NTR udelil 125 miliónov dolárov. Veci sa síce hýbali, ale boli to väčšinou „papierové štúdie“, kým sa k projektu nepridali „vojačikovia“. Armádna výskumná agentúra DARPA 17. júna 2020 vstúpila do projektu s cieľom získať „jadrovú raketu“, nie iba štúdiu. Dôvodom mala byť národná bezpečnosť USA a argumentácia „čínskou hrozbou“.

Účelom projektu „Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations“ (DRACO) bolo „poskytnúť vesmírne prostriedky na odvrátenie strategických útokov protivníkov“. Dva roky po vstupe DARPA bola dokončená fáza predbežného návrhu a Lockheed Martin získal polmiliardový kontrakt na stavbu DRACO. Zapojila sa aj NASA a s DARPA si rozdelili financovanie projektu v pomere 1:1.

Vyriešenie technických problémov ale nie je jedinou výzvou pri raketách s jadrovým pohonom. Neprichádzalo do úvahy odpaľovanie jadrových motorov pod holým nebom niekde v nevadskej púšti. Samotné budovanie zariadení v súlade so všetkými predpismi by trvalo dlhé roky. Ďalším rizikom je jadrové palivo. Reaktory NERVA pracovali s vysoko obohateným uránom používaným aj na výrobu jadrových zbraní. Ak by štart zlyhal, z neba by niekde mohlo spadnúť zhruba 700 kg obohateného uránu U-235. Keďže na výrobu jadrovej bomby stačí aj 25 kg, máme tu jasný „hollywoodsky scenár“ o teroristoch.

To je dôvod, prečo DRACO použije nové palivo s názvom high-assay-low-enriched uranium (HALEU). Ide o štiepny materiál definovaný ako urán obohatený na viac ako 5 % a menej ako 20 % izotopu U-235. „Prechodom na HALEU sa zmiernia niektoré bezpečnostné požiadavky,“ povedal Joe Miller, viceprezident BWXT Technologies, ktorá sa špecializuje na lodné jadrové reaktory. Lockheed Martin túto firmu vybral na stavbu reaktora pre DRACO. Hoci je výroba bomby s HALEU za určitých okolností stále možná, je to oveľa ťažšie ako s vysoko obohateným uránom, používaným v reaktoroch NERVA.

Vybudovanie vesmírneho reaktora je náročné, ale aspoň sa to už predtým podarilo. Čo sa neurobilo, je postaviť okolo neho vesmírnu loď. A presne k nej teraz vývoj smeruje. DRACO bude stredne veľká kozmická loď s dĺžkou menej ako 15 metrov s priemerom pod 5,4 metra. Tieto rozmery korešpondujú s veľkosťou užitočného zaťaženia rakety Vulcan Centaur, na ktorej bude pravdepodobne vypustená.

DRACO bude fungovať ako rakety typu NERVA, s vodíkovými nádržami umiestnenými v hlave pohonného priestoru, pričom turbostroje budú dodávať tento vodík cez jadro, ale budú oddelené radiačným štítom. Reaktor HALEU umiestnený pred výfukovou dýzou bude obklopený riadiacimi bubnami. Na základe požiadaviek DARPA bude mať DRACO minimálne 700 sekúnd špecifického impulzu, čo je o viac ako 300 sekúnd lepšie ako u RL-10, jedného z najvýkonnejších chemických raketových motorov. Skutočný testovací let DRACO začne až na obežnej dráhe, ale bude to o zbieraní skúseností na dlhej ceste.

Umelecká predstava kozmickej lode s jadrovým pohonom

Existujú aj ďalšie nápady ako vylepšiť jadrový pohon NTR – pridať „turbo“, ako ho poznáme v autách, alebo vytvoriť takzvaný bimodálny motor NTR / NEP s režimom jadrového elektrického pohonu. V tomto režime by pohon prešiel na iónovo-elektrický, pričom reaktor by bol použitý na výrobu elektriny.

Bimodálny pohonný systém bol prvýkrát spomínaný ku koncu programu NERVA. Vyskytli sa však dva problémy. Elektrické trysky sa doteraz používali iba na pohon malých kozmických sond. Ich zväčšenie na mnoho MW generovaných jadrovými reaktormi, by si vyžadovalo obrovské vesmírne lode. Riešením by mohli byť magneto-plazma dynamické (MPD) trysky, ktoré  zvládnu výkony rádovo megawattov a nasadenie väčšieho počtu trysiek.

Druhým problémom je chladenie. NTR nemá problémy s odpadovým teplom, pretože tekutý vodík funguje ako chladivo pre reaktor a potom je vypudený z lode. V režime jadrového elektrického pohonu (NEP) prúdi chladivo v uzavretej slučke a v kozmickej lodi sa akumuluje teplo. Preto majú konštrukcie NEP obrovské radiátory. V referenčnej chemicko-NEP architektúre NASA musel mať samotný chladič viac ako 2 000 m². Loď s bimodálnym vlnovým rotorom by potrebovala päťkrát väčší radiátor.

Prof. Ryan Gosse z Herbert Wertheim College of Engineering na University of Florida je presvedčený, že takýto pohon s bimodálnym vlnovým rotorom by bol dostatočne rýchly, aby pri optimálnej konštelácii prekonal trasu  Zem – Mars len za 45 dní s hmotnosťou motora 530 ton, namiesto 7 až 9 mesiacov pri chemickom pohone. Pri znížení hmotnosti na 273 ton by bolo stále údajne možné letieť na Mars za 65 dní.

„Malý“ háčik je v tom, že takéto monštrum by muselo byť zmontované na obežnej dráhe, pretože neexistuje nosná raketa, ktorá by takýto náklad dokázala dostať do vesmíru. A hovoríme tu minimálne o 10 až 20 štartoch výkonných nosičov v rade. Na druhej strane, ak by už takáto loď vo vesmíre bola, mohla by lietať veľmi dlho. Jadrové palivo by jej vydržalo celé roky, stačilo by dotankovať vodík. A ten by sa dal získať z vody tak na Mesiaci, ako aj na Marse.

Titulná fotka článku s Elonom Muskom je trochu zavádzajúca, ale zároveň symbolická. Jeho SpaceX síce chce kolonizovať Mars, ale Musk je pragmatik, preto sa tam chce dostať s kozmickými loďami Starship s chemickým metánovo-kyslíkovým pohonom. Ten, narozdiel od jadrových pohonov NTR a NEP, už funguje. Piaty integrovaný testovací let Super Heavy / Starship je plánovaný na august.