Trochę o atomowym napędzie rakietowym

Jeden z projektantów pomiędzy dwoma atomowymi silnikami rakietowymi

Dziś mały wpis z cyklu „jak polecieć na Marsa” – postanowiłem czytelnikom przybliżyć ideę i dotychczasowe wyniki badań nad atomowym napędem statków kosmicznych.

Od czasu wynalezienia reaktora atomowego naukowcy myśleli o jego wykorzystaniu w napędzie rakiet. Sama idea użycia reaktora do napędu rakiety jest bardzo prosta – zamiast podgrzewania gazu w wyniku reakcji chemicznej (spalania), wykorzystajmy energię cieplną produkowaną przez reaktor. Nadal musimy mieć na pokładzie „paliwo” (gaz, który będziemy podgrzewali i wypuszczali dyszą), ale nie trzeba brać ze sobą utleniacza. Obliczenia i eksperymenty wykazały że taki atomowy silnik rakietowy może bez problemu osiągnąć impuls specyficzny przekraczający 900s – dwa razy więcej niż przyzwoite, konwencjonalne silniki rakietowe.

Pomysł atomowych silników rakietowych pochodzi (jak wszystko) z wojska – USAF planowało użycie takich silników do napędzania drugiego stopnia międzykontynentalnych pocisków balistycznych. Planowano także samoloty napędzane reaktorem atomowym. Jednak w okolicach 1955 roku udało się na tyle zminiaturyzować głowice nuklearne, że istniejące silniki na paliwo ciekłe (a później stałe) były wystarczające do wysłania głowicy na wycieczkę do ZSRR i projekt zarzucono.

Nie zrezygnowano jednak z prowadzenia prac nad samymi silnikami. Prowadzone były one w Los Alamos pod nazwą „Project Rover”.

W ramach tego projektu przetestowano kilka silników:

• Kiwi-A – w sumie to trudno było go nazwać silnikiem rakietowym – chodziło głównie o przetestowanie zachowania się paliwa uranowego przy chłodzeniu wodorem. Eksperyment był udany, reaktor działał produkując 70 MW energii i ogrzewając wodór do prawie 3000F
• Kiwi-B – pierwszy, prawdziwy prototyp nuklearnego silnika rakietowego. Testowano na nim zachowanie silnika przy dłuższym czasie działania. Okazało się że wibracje związane z wrzeniem ciekłego wodoru są tak silne że niszczą strukturę wewnętrzną silnika (co powoduje że uran wylatuje wraz z wodorem dyszą powodując w końcu zatrzymanie reakcji). Próbowano ten problem rozwiązać przez użycie innych rodzajów pokrycia tabletek z paliwem, ale do końca prac nad Kiwi nie udało się całkowicie zabezpieczyć reaktora przed takimi uszkodzeniami. 
• Phoebus – reaktory te testowały możliwość uzyskania większych mocy. Phoebus-2 osiągnął rekordową moc 4 GW przez 12 minut. Dla porównania – łączna moc pierwszego stopnia rakiety Saturn V szacowana jest na 190 GW a moc elektrowni na Hoover Dam to około 2 GW. 
• Peewee – silnik ten był pierwszym silnikiem, który NASA uznała za „nadający się do użycia” – udało się rozwiązać problemy związane z niszczeniem struktury reaktora. W czasie testów tego silnika (o mocy 500 MW) udowodniono że można go bezpiecznie używać przez okres czasu niezbędny do podróży na Marsa. Udało się także ograniczyć znacząco utratę uranu podczas pracy silnika. 

Eksplozja silnika Kiwi

Wszystkie testowane silniki oparte były o ideę „twardego jądra” – uran w kapsułkach jest zamocowany na sztywno w strukturze silnika przez którą przepływa ciekły wodór. Ogranicza to maksymalną temperaturę jaką można osiągnąć a co za tym idzie, także impuls specyficzny silnika.

Naukowcy rozważają kilka teoretycznych możliwości obejścia tego problemu. W związku z czym proponowane są następujące atomowe silniki rakietowe:

• z „sypkim” jądrem – w przypadku tego silnika, uran nie byłby w żaden sposób zapakowany i zamocowany w reaktorze. Żeby nie wyleciał dyszą, konstruktorzy mają kilka pomysłów – jednym z nich jest po prostu gęsta siatka zatrzymująca kulki uranowe, innym wprowadzenie go w ruch wirowy – cięższy uran pozostanie na ścianach komory podczas gdy lżejszy wodór wyleci dyszą. Taki reaktor byłby w stanie osiągnąć impuls specyficzny powyżej 1000 s. Projekty takiego silnika powstałe w ramach „Project Timberwind” pokazywały możliwość zbudowania silnika o ciągu 400 kN, impulsie specyficznym 1000 s i stosunku ciągu do masy 30:1. 
• z płynnym jądrem – w tym wypadku temperatura reaktora jest tak wysoka, że uran jest płynny. Taki reaktor mógłby osiągnąć impuls specyficzny rzędu 1500 sekund. Niestety ograniczenia materiałowe nie pozwalają obecnie na budowę takiego silnika. 
• z gazowym jądrem – w tym wypadku gazowy uran znajduje się w centrum komory i otoczony jest przez wodór. W ten sposób temperatura ścian komory jest ograniczona pomimo olbrzymich temperatur w jej centrum. Obliczenia wskazują że taki silnik osiągnął by impuls specyficzny pomiędzy 3000 a 5000s. Niestety nie istnieje możliwość zatrzymania ucieczki gazowego uranu z komory = silnik taki musiał by mieć stałe źródło uranu a do tego nie można by go używać w bliskich okolicach Ziemi.

Atomowe silniki rakietowe pozwoliły by nam na dolecenie na Marsa w znacznie krótszym czasie niż przy użyciu paliw chemicznych. Niestety ryzyko związane z wyniesieniem ich na orbitę jest tak duże, że nie należy spodziewać się praktycznego użycia takich silników w przewidywalnej przyszłości.