Una nova era d'exploració espacial darrere dels motors de coets de fusió

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

La NASA i Elon Musk somien amb Mart, i les missions tripulades a l'espai profund aviat es convertiran en realitat. Probablement us sorprendrà, però els coets moderns volen una mica més ràpid que els coets del passat.

Les naus espacials ràpides són més convenients per diversos motius, i la millor manera d'accelerar és mitjançant coets d'energia nuclear. Tenen molts avantatges sobre els coets de combustible convencionals o els coets elèctrics moderns d'energia solar, però en els últims 40 anys, els Estats Units només han llançat vuit coets d'energia nuclear.

No obstant això, l'any passat, les lleis sobre els viatges espacials nuclears van canviar i el treball en la propera generació de coets ja ha començat.

Per què es necessita velocitat?

En la primera etapa de qualsevol vol a l'espai, es necessita un vehicle de llançament: porta la nau a l'òrbita. Aquests grans motors funcionen amb combustibles combustibles, i normalment quan es tracta de llançar coets, estan pensats. No aniran enlloc aviat, com ho és la força de la gravetat.

Però quan la nau entra a l'espai, les coses es tornen més interessants. Per superar la gravetat de la Terra i anar a l'espai profund, la nau necessita una acceleració addicional. Aquí és on entren en joc els sistemes nuclears. Si els astronautes volen explorar alguna cosa més enllà de la Lluna o encara més de Mart, s'hauran d'apressar. El cosmos és enorme i les distàncies són bastant grans.

Hi ha dues raons per les quals els coets ràpids són més adequats per a viatges espacials de llarga distància: la seguretat i el temps.

De camí a Mart, els astronautes s'enfronten a nivells molt alts de radiació, ple de greus problemes de salut, com ara càncer i infertilitat. El blindatge contra la radiació pot ajudar, però és extremadament pesat i com més llarga sigui la missió, més poderós es necessitarà. Per tant, la millor manera de reduir la dosi de radiació és simplement arribar al vostre destí més ràpid.

Però la seguretat de la tripulació no és l'únic benefici. Com més vols llunyans planifiquem, més aviat necessitem dades de missions no tripulades. La Voyager 2 va trigar 12 anys a arribar a Neptú, i mentre va passar volant, va fer algunes imatges increïbles. Si la Voyager tingués un motor més potent, aquestes fotografies i dades haurien aparegut als astrònoms molt abans.

Així que la velocitat és un avantatge. Però, per què els sistemes nuclears són més ràpids?

Els sistemes actuals

Un cop superada la força de la gravetat, el vaixell ha de tenir en compte tres aspectes importants.

Empenta- quina acceleració rebrà el vaixell.

Eficàcia de pes- quanta empenta pot produir el sistema per a una quantitat determinada de combustible.

Consum específic d'energia- Quanta energia desprèn una quantitat determinada de combustible.

Avui dia, els motors químics més comuns són els coets convencionals alimentats amb combustible i els coets elèctrics d'energia solar.

Els sistemes de propulsió química proporcionen molta empenta, però no són especialment eficients i el combustible dels coets no consumeix gaire energia. El coet Saturn 5 que va portar els astronautes a la Lluna va lliurar 35 milions de newtons de força a l'enlairament i va transportar 950.000 galons (4.318.787 litres) de combustible. La major part va ser per posar el coet en òrbita, de manera que les limitacions són òbvies: allà on vagis, necessites molt de combustible pesat.

Els sistemes de propulsió elèctrica generen empenta mitjançant l'electricitat dels panells solars. La manera més habitual d'aconseguir-ho és utilitzar un camp elèctric per accelerar ions, per exemple, com en un propulsor d'inducció Hall. Aquests dispositius s'utilitzen per alimentar satèl·lits, i la seva eficiència de pes és cinc vegades superior a la dels sistemes químics. Però al mateix temps emeten molt menys empenta: uns 3 newtons. Això només és suficient per accelerar el cotxe de 0 a 100 quilòmetres per hora en unes dues hores i mitja. El sol és essencialment una font d'energia sense fons, però com més s'allunya d'ell el vaixell, menys útil és.

Una de les raons per les quals els míssils nuclears són especialment prometedors és la seva increïble intensitat energètica. El combustible d'urani utilitzat als reactors nuclears té un contingut energètic 4 milions de vegades superior al de la hidrazina, un combustible químic típic dels coets. I és molt més fàcil portar una mica d'urani a l'espai que no pas centenars de milers de galons de combustible.

Què passa amb la tracció i l'eficiència del pes?

Dues opcions nuclears

Per als viatges espacials, els enginyers han desenvolupat dos tipus principals de sistemes nuclears.

El primer és un motor termonuclear. Aquests sistemes són molt potents i molt eficients. Utilitzen un petit reactor de fissió nuclear -com els dels submarins nuclears- per escalfar un gas (com l'hidrogen). A continuació, aquest gas s'accelera a través del broquet del coet per proporcionar empenta. Els enginyers de la NASA han calculat que un viatge a Mart amb un motor termonuclear serà un 20-25% més ràpid que un coet amb un motor químic.

Els motors de fusió són més del doble d'eficiència que els químics. Això significa que proporcionen el doble de l'empenta per a la mateixa quantitat de combustible: fins a 100.000 Newtons d'empenta. Això és suficient per accelerar el cotxe a una velocitat de 100 quilòmetres per hora en aproximadament un quart de segon.

El segon sistema és un motor de coet elèctric nuclear (NEPE). Encara no s'ha creat cap d'aquests, però la idea és utilitzar un potent reactor de fissió per generar electricitat, que després alimentarà un sistema de propulsió elèctrica com un motor Hall. Això seria molt eficaç: unes tres vegades més eficient que un motor de fusió. Com que la potència d'un reactor nuclear és enorme, diversos motors elèctrics separats poden funcionar al mateix temps i l'empenta serà sòlida.

Els motors de coets nuclears són potser la millor opció per a missions de gran abast: no requereixen energia solar, són molt eficients i proporcionen una empenta relativament alta. Però malgrat tot el seu caràcter prometedor, el sistema de propulsió nuclear encara té molts problemes tècnics que caldrà resoldre abans de posar-se en funcionament.

Per què encara no hi ha míssils de propulsió nuclear?

Els motors termonuclears s'estudien des dels anys 60, però encara no han volat a l'espai.

Segons la carta de la dècada de 1970, cada projecte espacial nuclear es considerava per separat i no podia anar més enllà sense l'aprovació d'una sèrie d'agències governamentals i del propi president. Juntament amb la manca de finançament per a la investigació dels sistemes de míssils nuclears, això ha obstaculitzat el desenvolupament posterior de reactors nuclears per al seu ús a l'espai.

Però tot va canviar l'agost de 2019 quan l'administració de Trump va emetre un memoràndum presidencial. Tot i que insisteix en la màxima seguretat dels llançaments nuclears, la nova directiva encara permet missions nuclears amb baixes quantitats de material radioactiu sense una complicada aprovació interinstitucional. És suficient la confirmació per part d'una agència patrocinadora com la NASA que la missió compleix les recomanacions de seguretat. Les grans missions nuclears passen pels mateixos procediments que abans.

Juntament amb aquesta revisió de les regles, la NASA va rebre 100 milions de dòlars del pressupost de 2019 per al desenvolupament de motors termonuclears. L'Agència de Projectes de Recerca Avançada de Defensa també està desenvolupant un motor espacial termonuclear per a operacions de seguretat nacional més enllà de l'òrbita terrestre.

Després de 60 anys d'estancament, és possible que un coet nuclear surti a l'espai d'aquí a una dècada. Aquest increïble assoliment marcarà el començament d'una nova era d'exploració espacial. L'home anirà a Mart i els experiments científics conduiran a nous descobriments a tot el sistema solar i més enllà.