NASA розробить установку, яка дасть змогу збирати зразки з міжзоряних об’єктів

Декілька років тому Національне аерокосмічне агентство США оголосило, що відновлює свою ядерну програму з розробки космічних двигунів. У 2023 році воно вибрало першу концепцію бімодальної ядерної рухової установки, яка використовує цикл збудження хвильового ротора, яка повинна буде скоротити час польотів на Марс до 45 днів. Тепер же в агентстві визначились із підрядником для створення атомного двигуна, за допомогою якого можна буде дослідити сусідні зіркові системи та збирати зразки з міжзоряних об’єктів.

NASA має грандіозні плани з освоєння космосу на найближче десятиліття . Агентство планує відправити кілька астробіологічних місій на Венеру та Марс для пошуку слідів позаземного життя. Це відбудеться одночасно з пілотованими польотами на Місяць (вперше з часів «Аполлона»). Ще є плани щодо відправлення роботизованих місій до супутників Юпітера та Сатурна — на Європу та Титан, а також до інших схожих світів, де може існувати підлідний океан, а отже, і екзотичні форми життя. 

Для досягнення цих та інших цілей NASA запустило програму NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Агентство щорічно обирає революційні концепції в галузі аеронавтики та космонавтики, а потім фінансує їхню розробку.

Наприклад, цього року вибір припав на безпілотники на сонячних батареях, біореактори, світлові вітрила, астробіологічні експерименти та концепцію тонколистового ізотопного ядерного двигуна (TFINER), запропоновану Джеймсом Бікфордом (James Bickford) — старшим науковим співробітником американської некомерційної науково-дослідної організації Laboratory. 

У документах NASA зазначається, що така установка необхідна для реалізації кількох місій наступного покоління, для яких потрібні високі швидкості; за допомогою звичайної сучасної ракетної техніки такі швидкості одержати неможливо». Йдеться про запуск сонячно-гравітаційного телескопа, який використовуватиме гравітаційну лінзу Сонця (як підсилювач) для спостереження об’єктів на поверхні далеких екзопланет, а також місію з дослідження міжзоряних об’єктів (яких саме не говориться).

В останні десятки років найбільше на слуху два типи атомних установок для космосу: ядерно-теплові двигуни (NTP) та ядерні електродвигуни (NEP), які можуть забезпечити потрібну тягу та необхідну маневреність. Однак, за словами Бікфорда, такі установки є громіздкими, важкими і дорогими.

«Навпаки, ми пропонуємо недорогу і легшу альтернативу — тонколистовий ядерно-ізотопний двигун, який використовує енергію розпаду радіоактивних ізотопів. Ця установка матиме достатні можливості для зближення з міжзоряними об’єктами, що швидко рухаються, і подальшого повернення зразків з них. З її допомогою можна буде вивчати сусідні зіркові системи. Крім того, наша технологія дозволить перенаправляти гравітаційно-сонячну обсерваторію таким чином, щоб під час однієї місії можна було спостерігати багато важливих цілей», — пояснив Бікфорд. 

В основі концепції тонколистового ізотопного ядерного двигуна лежить технологія світлового вітрила, тільки в установці будуть застосовувати тонкі листи радіоактивного ізотопу торій-228 завтовшки близько 10 мікрометрів (0,01 міліметра). Для створення тяги використовуватиметься імпульс продуктів розпаду ізотопу. Торію-228 властивий альфа-розпад, період його напіврозпаду дорівнює 1,9 року.  

Торій — радіоактивний метал, який присутній у більшості гірських порід та ґрунтів. За оцінками геологів, його запаси Землі втричі-вчетверо перевищують запаси урану.

За словами вчених, космічному апарату буде потрібно 30 кілограмів торію-228, розподіленого на площі понад 250 квадратних метрів, що створить тягу, необхідну для розвитку швидкості понад 150 кілометрів на секунду. Для порівняння, зонд NASA Parker Solar Probe, який використовує комплект двигунів, що працюють на гідразині, вдається розвинути швидкість до 163 кілометрів на годину. Однак така швидкість здебільшого обумовлена ​​гравітаційним маневром на орбіті Венери та тяжінням Сонця. 

Бікфорд пояснив головну перевагу його встановлення: конструкція заснована на відомій фізиці та відомих матеріалах. При цьому, на відміну технології світлового вітрила, новий двигун дозволить космічному апарату легко маневрувати в космосі і ефективно змінювати траєкторію польоту.

Інженер зазначив, що, крім листів торію-228, можна застосовувати листи актинія-227 або інших ізотопів з більш тривалим періодом напіврозпаду. Це дозволить розвинути більш високу швидкість. Ще можна використовувати розпад ізотопу торію-233, в результаті якого утворюється уран-232, що призведе до збільшення продуктивності рухової системи приблизно на 500 відсотків.

Пропонована технологія відкриє для NASA багато можливостей у космосі, крім того, за її допомогою можна буде виконувати одразу кілька космічних завдань, наголосив учений.

Тонколистовий ізотопний ядерний двигун Джеймса Бікфорда не перша подібна установка, на яку звернула увагу NASA. У 2023 році в рамках програми NASA Innovative Advanced Concepts агентство обрало бімодальну ядерну силову установку з циклом топінгу хвильового ротора, запропоновану професором Райаном Госсе (Ryan Goss) з Університету Флориди (США). Ця конструкція заснована на твердопаливному реакторі NERVA, який забезпечуватиме питомий імпульс (ISP) у 900 секунд, що вдвічі перевищує характеристики сучасних ракетних двигунів. 

На думку Госсе, його розробка потенційно дозволить долетіти до Марса за 45 днів. Це скоротить загальний час місій до кількох місяців і зменшить основні ризики, пов’язані з польотами на Червону планету, включаючи радіаційне опромінення та мікрогравітацію.