NASA zapowiada przełom. W 2028 r. może wysłać w przestrzeń statek z napędem jądrowym
Helikoptery Skyfall są podobne – choć nieco większe i bardziej zaawansowane – do śmigłowca Ingenuity, który dotarł do Czerwonej Planety na pokładzie sondy Perseverance w 2021 r. i wykonał tam ponad 70 lotów rozpoznawczych – wszystkie się powiodły i dostarczyły mnóstwo danych. To był znaczący sukces Jet Propulsion Laboratory NASA w Pasadenie, z którego chcą skorzystać inicjatorzy misji Space Reactor-1 Freedom (czyli także JPL, oraz firmy AeroVironment, Lanteris Space System i Aerojet Rocketdyne). Na tym jednak nie koniec.
Po zrzuceniu Skyfall na Marsa sonda poleci w głąb Układu Słonecznego, by dokładnie przetestować, jak połączenie niewielkiego reaktora jądrowego z siedmioma tzw. jonowymi silnikami Halla, czyli elektrycznymi, będzie się sprawdzać w kosmosie w dłuższym czasie. Konkretny cel tej dalszej misji nie jest jeszcze ustalony, ale Freedom dotrze zapewne dość daleko. Obliczenia zdają się potwierdzać, że era tradycyjnych napędów kosmicznych, wykorzystujących paliwa chemiczne, powoli odchodzi w przeszłość.
W latach 60. XX w. Amerykanie z powodzeniem, chociaż tylko w warunkach ziemskich, testowali system NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Reakcja rozszczepienia wzbogaconego uranu 235 w niewielkim reaktorze podgrzewała do ok. 2,5 tys. st. C czynnik roboczy, którym był wodór. Gaz znacznie zwiększał swoją objętość, a następnie był wyrzucany w przestrzeń, co dawało dużą siłę ciągu – możliwości tego silnika były mniej więcej dwukrotnie większe niż silników chemicznych z tamtych czasów, przewyższał także ich dzisiejszych następców. Tego rodzaju napęd nosi nazwę NTP (Nuclear Thermal Propulsion).
Testy programu, prowadzone głównie na pustyni w Nevadzie, zakończyły się w 1972 r. Program był kosztowny, a poza tym w tamtych czasach nikt poważnie nie myślał o misjach kosmicznych w głąb Układu Słonecznego. Wówczas odrywaliśmy się od Ziemi w najbliższy kosmos. No i na Księżyc. Reaktor zasilający statek kosmiczny w dalekiej misji międzyplanetarnej był wówczas pomysłem rodem z science fiction.
Dopiero przyjęty na początku XXI w. przez NASA program Prometeusz przewidywał budowę potężnych statków kosmicznych z reaktorami jądrowymi, a jego najbardziej zaawansowaną egzemplifikacją był projekt dużego satelity JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter), który niedługo po 2017 r. zamierzano wysłać do lodowych księżyców Jowisza. Napęd NEP (Nuclear Electric Propulsion) działałby na innej zasadzie niż w projekcie NERVA – reaktor miał produkować ciepło zamieniane następnie w elektryczność, a ta miała zasilać silniki elektryczne. Znanej zbrojeniowo-kosmicznej korporacji Northrop Grumman zlecono nawet budowę prototypu. I ten projekt jednak upadł.
Teraz jednak wiele wskazuje na to, że NASA wyśle w przestrzeń kosmiczną statek zasilany energią jądrową. Będzie to napęd typu NEP, znacznie bardziej wydajny od termicznego NTP. Stopień zaawansowania kosmicznych silników elektrycznych jest już dzisiaj ogromny. Umieszczone w dziesiątkach sond (amerykańskich, japońskich i europejskich) sprawują się wyśmienicie: pracują w przestrzeni kosmicznej non stop, nawet dziesiątki tysięcy godzin, mogą zatem z czasem rozpędzać pojazdy do ogromnych prędkości. A zużywają minimalne ilości paliwa, głównie gazów szlachetnych, jak ksenon lub argon. Tyle że korzystają z paneli fotowoltaicznych, co ogranicza ich rozmiary i wagę. Nadają się zatem dla niewielkich misji badawczych, bo tak dostarczana energia jest zbyt mała, by zasilać obiekty większe i wysyłane na dalsze odległości od Słońca. Dla takich potrzebne jest inne, znacznie potężniejsze źródło energii – atom. I tak ma być w przypadku sondy Space Reactor-1 Freedom.
Sonda zostanie wyposażona w niewielki modułowy reaktor jądrowy, w którym paliwem będzie średnio wzbogacony izotop uranu 235, tzw. HALEU, czyli uran wzbogacony w zakresie 5–20 proc. To sporo, zważywszy, że typowe duże reaktory jądrowe pracujące w ziemskich elektrowniach atomowych wykorzystują uran wzbogacony w kilku procentach, wzbogacenia do kilkudziesięciu wymagają jedynie bomby atomowe. Reaktor sondy Space Reactor-1 Freedom wytworzy ciepło zamieniane następnie na elektryczność, a ta będzie zasilać cztery jonowe silniki Halla o mocy 6 kW i trzy o mocy 12 kW. Wszystko to zostanie bezpiecznie uruchomione dopiero na okołoziemskiej orbicie, na którą sondę dostarczy konwencjonalna rakieta na paliwo chemiczne.
W literaturze anglojęzycznej nowa klasa silników, dzięki którym w zasadzie już dokonał się technologiczny przełom w misjach kosmicznych, jest nazywana zwykle napędem elektrycznym – głównie z tej przyczyny, że potrzebują dużo prądu. Są to przede wszystkim właśnie silniki jonowe. W planach są także elektryczne silniki plazmowe, np. VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), ale one to jeszcze pieśń przyszłości.
Budowę elektrycznych silników jonowych zaproponowali niezależnie od siebie, już na początku XX w., dwaj wielcy pionierzy astronautyki – Robert Goddard i Konstanty Ciołkowski. Były to jednak tylko luźne pomysły. Kilka dekad później zaczęły się w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych prace badawcze i konstrukcyjne. W 1961 r. NASA miała już prototyp, ale wyścig wygrali Rosjanie, którzy w 1964 r. wysłali w kosmos sondę Zond 2 z jonowymi silnikami elektrycznymi służącymi do kontroli orientacji w przestrzeni i korekcji położenia. Dziś urządzenia tego typu są wykorzystywane głównie w satelitach – do kompensacji oporu występującego na niższych orbitach okołoziemskich – ale także w wielu badawczych misjach kosmicznych. Budują je największe potęgi technologiczne świata.
W typowym silniku jonowym – tzw. elektrostatycznym, czyli z siatkami – gaz w komorze spalania (zazwyczaj ksenon, ale może to być też krypton lub argon) pod wpływem bombardowania elektronami ulega silnemu rozgrzaniu i jonizacji. Jony dodatnie są oddzielane z powstałej plazmy, przyspieszane do prędkości ok. 30 tys. m/s w polu elektrostatycznym między dwiema lub trzema naładowanymi elektrycznie siatkami o różnych potencjałach – i wyrzucane. Ich wysoka prędkość wylotowa zapewnia bardzo efektywne wykorzystanie paliwa – w ciągu sekundy zużyciu ulega zaledwie kilka mikrogramów gazu – ale daje małą siłę ciągu.
W przestrzeni kosmicznej to jednak wystarcza, by z powodzeniem korygować pozycję satelitów, a także przyspieszać sondy i pojazdy kosmiczne do naprawdę dużych prędkości. Ponadto silniki jonowe mogą w kosmosie pracować bez przerwy przez dziesiątki tysięcy godzin. To daje im możliwość coraz większego, stopniowego przyspieszania napędzanych nimi obiektów, nawet do kilkudziesięciu kilometrów na sekundę.
Pierwszą sondą kosmiczną napędzaną silnikiem jonowym – elektrostatycznym, a więc z siatkami – była wyniesiona w 1998 r. w przestrzeń amerykańska Deep Space 1. Napęd pozwolił jej dotrzeć do asteroidy Braille, a później w pobliże komety Borelly’ego. Od 1998 r. do 1 września 2001 r. silnik przepracował łącznie 12 tys. godzin. Wielkim osiągnięciem był też późniejszy test NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster), który w komorze próżniowej laboratorium Glenn Research Center w USA pracował bez przerwy przez 48 tys. godzin, czyli przez 5,5 roku, i zużył w tym czasie tylko 770 kg ksenonu.
Jonowe silniki Halla – nazwane na cześć amerykańskiego fizyka Edwina Halla – wykorzystują pole magnetyczne do przyspieszania jonów. Przekształcanie gazu w plazmę przebiega w nich szybciej niż w klasycznych urządzeniach z siatkami elektrostatycznymi, a strumień wypływających jonów jest bardziej skoncentrowany. Dzięki temu można wytwarzać znacznie większy ciąg.
Pierwsze takie silniki poleciały w kosmos w latach 70. XX w. na radzieckich satelitach meteorologicznych. Pierwszą sondą kosmiczną z tym urządzeniem była europejska SMART-1. Wyniesiona w przestrzeń w 2003 r., początkowo była satelitą Ziemi, ale włączany w odpowiednich momentach silnik potrafił ją rozpędzić do drugiej prędkości kosmicznej (doleciała wtedy do Księżyca).
Silniki Halla są dość niezwykłe. Przykładem może być amerykańska Psyche. Celem tej wystrzelonej w październiku 2023 r. sondy wyposażonej w cztery takie urządzenia zasilane fotowoltaicznie jest dość duży obiekt w Pasie Asteroid między orbitami Marsa i Jowisza (też nazwany Psyche, na cześć greckiej bogini, która opiekuje się duszami ludzkimi). To ciało niezwykle bogate w żelazo i inne metale.
Docelowa prędkość tej sondy – wielkości furgonetki – jest rekordowa: 55 km/s. Sonda już zaczyna ją osiągać, do asteroidy dotrze w 2029 r. Przypomnijmy, że do niedawna najszybsze sondy Voyager 1 i 2, które opuściły już Układ Słoneczny, poruszają się z prędkością ok. 17 km/s.
Nie wiadomo jeszcze, jakie prędkości osiągnie na swoim długim kosmicznym rozbiegu pierwsza „rozpalona” energią jądrową sonda Space Reactor-1 Freedom, z siedmioma silnikami Halla na pokładzie. Z pewnością jednak można się spodziewać kolejnego rekordu.
Poza tym zanosi się na kolejny skok w dziedzinie zaawansowanych napędów kosmicznych. Jet Propultion Laboratory testuje silnik jonowy, w którym czynnikiem roboczym nie są gazy szlachetne, lecz opary metali. Obiecujące wyniki osiągnięto, wykorzystując opary węglanu litu powstające po silnym podgrzaniu tego związku. W kwietniu br. w komorze próżniowej JPL przeprowadzono cztery udane testy. Specjaliści z NASA uważają, że takie silniki mogą być nawet 20 razy mocniejsze od tych obecnie stosowanych.