Enzi mpya ya uchunguzi wa anga nyuma ya injini za roketi za kuunganisha

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

NASA na Elon Musk wanaota Mars, na misheni ya anga ya kina itatimia hivi karibuni. Labda utashangaa, lakini roketi za kisasa zinaruka kwa kasi kidogo kuliko roketi za zamani.

Meli za anga za juu zinafaa zaidi kwa sababu mbalimbali, na njia bora ya kuongeza kasi ni kupitia roketi zinazotumia nyuklia. Zina faida nyingi kuliko roketi za kawaida zinazoendeshwa kwa nishati au roketi za kisasa za umeme zinazotumia jua, lakini katika miaka 40 iliyopita, Marekani imerusha roketi nane pekee zinazotumia nyuklia.

Hata hivyo, katika mwaka uliopita, sheria kuhusu usafiri wa anga ya nyuklia zilibadilika, na kazi ya kutengeneza kizazi kijacho cha roketi tayari imeanza.

Kwa nini kasi inahitajika?

Katika hatua ya kwanza ya ndege yoyote angani, gari la uzinduzi linahitajika - inachukua meli kwenye obiti. Injini hizi kubwa hutumia mafuta yanayoweza kuwaka - na kwa kawaida linapokuja suala la kurusha roketi, zinakusudiwa. Hawaendi popote hivi karibuni - kama ilivyo nguvu ya uvutano.

Lakini meli inapoingia angani, mambo yanapendeza zaidi. Ili kuondokana na mvuto wa Dunia na kwenda kwenye nafasi ya kina, meli inahitaji kuongeza kasi zaidi. Hapa ndipo mifumo ya nyuklia inapoingia. Ikiwa wanaanga wanataka kuchunguza kitu zaidi ya Mwezi au hata zaidi Mirihi, itawabidi wafanye haraka. Cosmos ni kubwa, na umbali ni mkubwa sana.

Kuna sababu mbili kwa nini roketi za haraka zinafaa zaidi kwa usafiri wa anga ya mbali: usalama na wakati.

Wakiwa njiani kuelekea Mirihi, wanaanga wanakabiliwa na viwango vya juu sana vya mionzi, iliyojaa matatizo makubwa ya kiafya, ikiwa ni pamoja na saratani na utasa. Kinga ya mionzi inaweza kusaidia, lakini ni nzito sana na kadiri misheni inavyochukua muda mrefu, kinga yenye nguvu zaidi itahitajika. Kwa hivyo, njia bora ya kupunguza kipimo cha mionzi ni kufika tu unakoenda haraka.

Lakini usalama wa wafanyakazi sio faida pekee. Kadiri tunavyopanga safari za ndege za mbali, ndivyo tunavyohitaji data kutoka kwa misheni isiyo na rubani haraka. Ilichukua Voyager miaka 2 12 kufika Neptune - na iliporuka, ilinasa picha za ajabu. Ikiwa Voyager ingekuwa na injini yenye nguvu zaidi, picha na data hizi zingeonekana kwa wanaastronomia mapema zaidi.

Kwa hivyo kasi ni faida. Lakini kwa nini mifumo ya nyuklia ina kasi zaidi?

Mifumo ya leo

Baada ya kushinda nguvu ya uvutano, meli lazima izingatie mambo matatu muhimu.

Msukumo- ni kuongeza kasi gani meli itapokea.

Ufanisi wa uzito- ni msukumo kiasi gani mfumo unaweza kutoa kwa kiasi fulani cha mafuta.

Matumizi maalum ya nishati- ni kiasi gani cha nishati kinachotolewa na kiasi fulani cha mafuta.

Leo, injini za kemikali za kawaida ni roketi za kawaida za mafuta na roketi za umeme zinazotumia nishati ya jua.

Mifumo ya urushaji wa kemikali hutoa msukumo mwingi, lakini haifanyi kazi vizuri, na mafuta ya roketi hayatumii nishati nyingi. Roketi ya Saturn 5 iliyobeba wanaanga hadi mwezini ilitoa nguvu mpya ya tani milioni 35 ilipopaa na kubeba galoni 950,000 (lita 4,318,787) za mafuta. Wengi wao waliingia katika kupata roketi kwenye obiti, kwa hivyo mapungufu ni dhahiri: popote unapoenda, unahitaji mafuta mengi mazito.

Mifumo ya kusukuma umeme hutoa msukumo kwa kutumia umeme kutoka kwa paneli za jua. Njia ya kawaida ya kufanikisha hili ni kutumia uwanja wa umeme ili kuharakisha ioni, kwa mfano, kama katika kisukuma cha induction cha Ukumbi. Vifaa hivi hutumiwa kwa satelaiti, na ufanisi wao wa uzito ni mara tano ya mifumo ya kemikali. Lakini wakati huo huo wanatoa msukumo mdogo - karibu 3 mpya. Hii inatosha tu kuongeza kasi ya gari kutoka kilomita 0 hadi 100 kwa saa katika muda wa saa mbili na nusu. Jua kimsingi ni chanzo kisicho na mwisho cha nishati, lakini kadiri meli inavyosonga mbali nalo, ndivyo inavyopungua umuhimu.

Moja ya sababu kwa nini makombora ya nyuklia yanaahidi sana ni nguvu yao ya ajabu ya nishati. Mafuta ya urani yanayotumiwa katika vinu vya nyuklia yana maudhui ya nishati mara milioni 4 ya hidrazini, mafuta ya kawaida ya roketi ya kemikali. Na ni rahisi zaidi kupata urani angani kuliko mamia ya maelfu ya galoni za mafuta.

Vipi kuhusu traction na uzito ufanisi?

Chaguzi mbili za nyuklia

Kwa usafiri wa anga, wahandisi wameunda aina mbili kuu za mifumo ya nyuklia.

Ya kwanza ni injini ya thermonuclear. Mifumo hii ni yenye nguvu sana na yenye ufanisi mkubwa. Wanatumia kinu kidogo cha mtengano wa nyuklia - kama zile zilizo kwenye manowari za nyuklia - kupasha joto gesi (kama hidrojeni). Gesi hii basi huharakishwa kupitia pua ya roketi ili kutoa msukumo. Wahandisi wa NASA wamehesabu kuwa safari ya Mars kwa kutumia injini ya nyuklia itakuwa 20-25% haraka kuliko roketi yenye injini ya kemikali.

Injini za kuunganisha zina ufanisi zaidi ya mara mbili kuliko zile za kemikali. Hii ina maana kwamba hutoa msukumo mara mbili kwa kiasi sawa cha mafuta - hadi Newtons 100,000 za msukumo. Hii inatosha kuongeza kasi ya gari kwa kasi ya kilomita 100 kwa saa katika karibu robo ya pili.

Mfumo wa pili ni injini ya roketi ya nyuklia ya umeme (NEPE). Hakuna kati ya hizi ambazo bado zimeundwa, lakini wazo ni kutumia kinu chenye nguvu cha mpasuko kuzalisha umeme, ambacho kitawezesha mfumo wa kusogeza umeme kama injini ya Ukumbi. Hiyo itakuwa nzuri sana - karibu mara tatu zaidi kuliko injini ya fusion. Kwa kuwa nguvu ya reactor ya nyuklia ni kubwa, motors kadhaa tofauti za umeme zinaweza kufanya kazi kwa wakati mmoja, na msukumo utageuka kuwa imara.

Mota za roketi za nyuklia labda ni chaguo bora zaidi kwa misheni ya masafa marefu sana: hazihitaji nishati ya jua, ni bora sana na hutoa msukumo wa juu kiasi. Lakini pamoja na hali yao ya kuahidi, mfumo wa kurusha nishati ya nyuklia bado una matatizo mengi ya kiufundi ambayo yatalazimika kutatuliwa kabla ya kuanza kutumika.

Kwa nini bado hakuna makombora ya nyuklia?

Injini za nyuklia zimechunguzwa tangu miaka ya 1960, lakini bado hazijaruka angani.

Chini ya katiba ya miaka ya 1970, kila mradi wa anga ya nyuklia ulizingatiwa kando na haungeweza kwenda mbali zaidi bila idhini ya mashirika kadhaa ya serikali na rais mwenyewe. Sambamba na ukosefu wa ufadhili wa utafiti wa mifumo ya makombora ya nyuklia, hii imetatiza maendeleo zaidi ya vinu vya nyuklia kwa matumizi angani.

Lakini yote yalibadilika mnamo Agosti 2019 wakati utawala wa Trump ulitoa risala ya urais. Huku ikisisitiza juu ya usalama wa juu zaidi wa kurusha nyuklia, agizo jipya bado linaruhusu misheni ya nyuklia yenye viwango vya chini vya nyenzo za mionzi bila idhini ngumu ya mashirika. Uthibitisho wa shirika linalofadhili kama vile NASA kwamba misheni hiyo inafuata mapendekezo ya usalama inatosha. Misheni kubwa za nyuklia hupitia taratibu sawa na hapo awali.

Pamoja na marekebisho haya ya sheria, NASA ilipokea dola milioni 100 kutoka kwa bajeti ya 2019 ya ukuzaji wa injini za nyuklia. Wakala wa Miradi ya Utafiti wa Kina wa Ulinzi pia unaunda injini ya anga ya juu ya nyuklia kwa shughuli za usalama wa kitaifa zaidi ya mzunguko wa Dunia.

Baada ya miaka 60 ya vilio, inawezekana kwamba roketi ya nyuklia itaingia angani ndani ya muongo mmoja. Mafanikio haya ya ajabu yataleta enzi mpya ya uchunguzi wa anga. Mwanadamu ataenda Mirihi, na majaribio ya kisayansi yatasababisha uvumbuzi mpya katika mfumo wa jua na kwingineko.