Under de senaste fyra decennierna har NASA och andra rymdorganisationer från hela världen åstadkommit några fantastiska bedrifter. Tillsammans har de skickat bemannade uppdrag till månen, utforskat Mars, kartlagt Venus och Merkurius, genomfört undersökningar och tagit hisnande bilder av det yttre solsystemet. Men om man ser framåt mot nästa generations prospektering och de mer avlägsna gränser som återstår att utforska, är det tydligt att nya idéer måste läggas fram för hur man snabbt och effektivt kan nå dessa destinationer.
I grund och botten innebär detta att hitta sätt att driva raketer som är mer bränsle och kostnadseffektiva samtidigt som de ger den nödvändiga kraften för att få besättningar, rovers och orbiters till sina avlägsna destinationer. I detta avseende har NASA tittat noga på kärnklyvning som ett möjligt framdrivningssätt.
Faktum är att enligt presentation gjord av doktor Michael G. Houts från NASA Marshall Space Flight Center i oktober 2014, har kärnkraft och framdrivning potentialen att vara 'spelförändrande teknologier för rymdutforskning.'
Som Marshall Space Flight Centers chef för kärntermisk forskning är Dr Houts väl insatt i de fördelar det har att erbjuda rymdutforskning. Enligt presentationen som han och kollegor gjorde, kan en fissionsreaktor användas i en raketdesign för att skapa Nuclear Thermal Propulsion (NTP). I en NTP-raket används uran- eller deuteriumreaktioner för att värma flytande väte inuti en reaktor, förvandla den till joniserad vätgas (plasma), som sedan kanaliseras genom ett raketmunstycke för att generera dragkraft.
NASA design för en kärnkraftsmotor för raketfordonapplikation (NERVA). Bildkredit: NASA
En andra möjlig metod, känd som Nuclear Electric Propulsion (NEC), innebär att samma grundläggande reaktor omvandlar sin värme och energi till elektrisk energi som sedan driver en elektrisk motor. I båda fallen förlitar sig raketen på kärnklyvning för att generera framdrivning snarare än kemiska drivmedel, vilket har varit stöttepelaren för NASA och alla andra rymdorganisationer hittills.
Jämfört med denna traditionella form av framdrivning erbjuder både NTP och NEC ett antal fördelar. Den första och mest uppenbara är den praktiskt taget obegränsade energitätheten den erbjuder jämfört med raketbränsle. Vid ett stationärt tillstånd producerar en fissionsreaktor i genomsnitt 2,5 neutroner per reaktion. Det skulle dock bara ta en enda neutron för att orsaka en efterföljande klyvning och producera en kedjereaktion och ge konstant kraft.
I själva verket, enligt rapporten, skulle en NTP-raket kunna generera 200 kWt effekt med ett enda kilogram uran under en period av 13 år – vilket ger en bränsleeffektivitet på cirka 45 gram per 1000 MW-tim.
Dessutom skulle en kärnkraftsdriven motor också kunna ge överlägsen dragkraft i förhållande till mängden drivmedel som används. Detta är vad som kallas specifik impuls, som mäts antingen i kilo-newton per sekund per kilogram (kN·s/kg) eller i hur många sekunder raketen kan skjuta kontinuerligt. Detta skulle minska den totala mängden drivmedel som behövs och därmed minska uppskjutningsvikten och kostnaderna för enskilda uppdrag. Och en kraftfullare kärnkraftsmotor skulle innebära minskade restider, ytterligare en kostnadsbesparande åtgärd.
Nyckelelementen i en NERVA kärnkraftsmotor med fast kärna. Kredit: NASA
Även om inga kärnkraftsmotorer någonsin har flugit, har flera designkoncept byggts och testats under de senaste decennierna, och många koncept har föreslagits. Dessa har sträckt sig från den traditionella solid-core designen till mer avancerade och effektiva koncept som är beroende av antingen en flytande eller en gas kärna.
När det gäller en solid-core design, den enda typen som någonsin har byggts, rymmer en reaktor gjord av material med mycket hög smältpunkt en samling fasta uranstavar som genomgår kontrollerad klyvning. Vätebränslet finns i en separat tank och passerar sedan genom rör runt reaktorn, får värme och omvandlas till plasma innan det kanaliseras genom munstyckena för att uppnå dragkraft.
Genom att använda vätedrivmedel, levererar en solid-core design typiskt specifika impulser i storleksordningen 850 till 1000 sekunder, vilket är ungefär dubbelt så mycket som flytande väte-syre-designer - d.v.s. rymdfärjans huvudmotor.
En betydande nackdel uppstår dock från det faktum att kärnreaktioner i en solid-core-modell kan skapa mycket högre temperaturer än vad de konventionella materialen tål. Sprickbildningen av bränslebeläggningar kan också bero på stora temperaturvariationer längs stavarnas längd, vilket sammantaget offrar mycket av motorns potential för prestanda.
Diagram över en öppen cykel, gasdesign för en kärnkrafts-termisk raketmotor. Kredit: NASA
Många av dessa problem togs upp med konstruktionen av flytande kärnor, där kärnbränsle blandas in i det flytande vätet och låter klyvningsreaktionen äga rum i själva vätskeblandningen. Denna design kan arbeta vid temperaturer över smältpunkten för kärnbränslet tack vare att behållarens vägg aktivt kyls av det flytande vätet. Den förväntas också leverera en specifik impulsprestanda på 1300 till 1500 (1,3 till 1,5 kN·s/kg) sekunder.
Jämfört med designen med solid kärna är motorer av denna typ mycket mer komplicerade och därför dyrare och svårare att bygga. En del av problemet har att göra med tiden det tar att uppnå en fissionsreaktion, som är betydligt längre än tiden det tar att värma upp vätgasbränslet. Därför kräver motorer av detta slag metoder för att både fånga bränslet inuti motorn samtidigt som det tillåter uppvärmd plasma förmågan att komma ut genom munstycket.
Den slutliga klassificeringen är gaskärnmotorn, en modifiering av vätskekärndesignen som använder snabb cirkulation för att skapa en ringformad ficka av gasformigt uranbränsle i mitten av reaktorn som är omgiven av flytande väte. I det här fallet vidrör inte vätebränslet reaktorväggen, så temperaturen kan hållas under smältpunkten för de använda materialen.
En motor av detta slag skulle kunna tillåta specifika impulser på 3000 till 5000 sekunder (30 till 50 kN·s/kg). Men i en 'öppen cykel'-konstruktion av detta slag skulle förlusterna av kärnbränsle vara svåra att kontrollera. Ett försök att råda bot på detta utarbetades med 'closed cycle design' - aka. motorn 'nuclear lightbulb' - där det gasformiga kärnbränslet finns i en serie behållare för superhöga temperaturer.
Den slutna konceptet (aka. glödlampa) gaskärna kärnkraft-termisk raketmotor. Kredit: NASA
Även om denna design är mindre effektiv än den öppna cykeldesignen och har mer gemensamt med solid-core-konceptet, är den begränsande faktorn här den kritiska temperaturen för kvarts och inte bränslestapeln. Dessutom förväntas den slutna cykeldesignen fortfarande leverera en respektabel specifik impuls på cirka 1500–2000 sekunder (15–20 kN·s/kg).
Men, som Houts indikerade, är en av de största tillgångarna kärnklyvning har att göra med den långa historia av tjänst som den har haft här på jorden. Förutom kommersiella reaktorer som tillhandahåller elektricitet över hela världen, har örlogsfartyg (som hangarfartyg och ubåtar) utnyttjat reaktorer med långsam fission under årtionden.
NASA har också förlitat sig på kärnreaktorer för att driva obemannade farkoster och rover i över fyra decennier, huvudsakligen i form av Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) och Radioisotope Heater Units (RHU). När det gäller den förra genereras värme genom det långsamma sönderfallet av plutonium-238 (Pu-238), som sedan omvandlas till elektricitet. I det senare fallet används själva värmen för att hålla komponenter och fartygs system varma och igång.
Dessa typer av generatorer har använts för att driva och underhålla allt från Apollo-raketerna till Curiosity Rover, såväl som otaliga satelliter, orbiters och robotar däremellan. Sedan starten har totalt 44 uppdrag lanserats av NASA som har använt antingen RTG eller RHU, medan det tidigare sovjetiska rymdprogrammet lanserade en jämförelsevis solid 33.
Med hjälp av modulära komponenter kunde en NTP-rymdfarkost monteras för många uppdragsprofiler. Kredit: NASA
Kärnmotorer ansågs också under en tid som en ersättning för J-2, en kryogen raketmotor för flytande bränsle som användes på S-II- och S-IVB-stegen på Saturn V- och Saturn I-raketerna. Men trots att de är många versioner av reaktorer med solid kärna som producerats och testats tidigare, togs ingen någonsin i bruk för en faktisk rymdfärd.
Mellan 1959 och 1972 testade USA tjugo olika storlekar och konstruktioner under Project Rover och NASA:s Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) program. Den kraftfullaste motorn som någonsin testats var Phoebus 2a, som under ett högeffektstest fungerade i totalt 32 minuter – varav 12 minuter på effektnivåer på mer än 4,0 miljoner kilowatt.
Men om man ser på framtiden ser Houts och Marshall Space Flight Center stor potential och många möjliga tillämpningar. Exempel som nämns i rapporten inkluderar långdistanssatelliter som kan utforska det yttre solsystemet och Kuiperbältet, snabb, effektiv transport för bemannade uppdrag i hela solsystemet och till och med kraftförsörjningen för bosättningar på månen och Mars en dag.
En möjlighet är att utrusta NASA:s senaste flaggskepp – Space Launch System (SLS) – med kemiskt drivna motorer i lägre steg och en kärnkraftsmotor på dess övre steg. Kärnmotorn skulle förbli 'kall' tills raketen hade nått en omloppsbana, då det övre steget skulle sättas in och reaktorn skulle aktiveras för att generera dragkraft.
NASA-förslag för kärnkraftsdrivna prospekteringsrovers och farkoster. Kredit: NASA
Detta koncept för en 'bimodal' raket – en som förlitar sig på kemiska drivmedel för att uppnå omloppsbana och en kärnkraftsmotor för framdrivning i rymden – kan bli grundpelaren för NASA och andra rymdorganisationer under de kommande åren. Enligt skogen och andra på Marshall, kan den dramatiska ökningen av effektiviteten som erbjuds av sådana raketer också underlätta NASA:s planer på att utforska Mars genom att tillåta tillförlitlig leverans av automatiska nyttolaster med hög massa före bemannade uppdrag.
Samma raketer kunde sedan omarbetas för hastighet (istället för massa) och användas för att transportera astronauterna själva till Mars på ungefär hälften av den tid det skulle ta för en konventionell raket att göra resan. Detta skulle inte bara spara tid och minska uppdragskostnaderna, det skulle också säkerställa att astronauterna exponerades för mindre skadlig solstrålning under sin flygning.
För att se denna vision bli verklighet genomför Dr Houts och andra forskare från Marshall Space Centers Propulsion Research and Development Laboratory för närvarande NTP-relaterade tester vid Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator (eller 'NTREES') i Huntsville, Alabama.
Här har de tillbringat de senaste åren med att analysera egenskaperna hos olika kärnbränslen i en simulerad termisk miljö, i hopp om att lära sig mer om hur de kan påverka motorns prestanda och livslängd när det kommer till en kärntermisk raketmotor.
Konceptkonst som visar ett nukleärt termiskt framdrivningsstyrt farkost som når Mars omloppsbana. Kredit: NASA
Dessa tester beräknas pågå till juni 2015 och förväntas lägga grunden för storskaliga marktester och eventuella fullskaliga tester under flygning. Det slutliga målet med allt detta är att säkerställa att ett bemannat uppdrag till Mars äger rum senast 2030-talet, och att förse NASAs flygingenjörer och uppdragsplanerare med all information de behöver för att se igenom det.
Men naturligtvis kommer det sannolikt också att ha sin del av applikationer när det kommer till framtida månuppdrag, att skicka besättningar för att studera Near-Earth Objects (NEOs) och skicka farkoster till de jovianska månarna och andra platser i det yttre solsystemet. Som rapporten visar kan NTP-farkoster enkelt modifieras med modulära komponenter för att utföra allt från månlastlandningar till besättningsuppdrag, till kartläggning av Near-Earth Asteroids (NEA).
Universum är en stor plats, och rymdutforskning är fortfarande mycket i sin linda. Men om vi tänker fortsätta utforska det och skörda frukterna som sådana ansträngningar har att erbjuda, måste våra metoder mogna. NTP är bara en föreslagen möjlighet. Men till skillnad från Nukleär pulsframdrivning , den Daedalus koncept , anti-materia motorer , eller den Alcubierre Warp Drive , en raket som körs på kärnklyvning är genomförbar, praktisk och möjlig inom en snar framtid.
Kärntermisk forskning vid Marshall Center är en del av NASA:s Advanced Exploration Systems (AES) Division, som hanteras av Human Exploration and Operations Mission Directorate och inkluderar deltagande av US Department of Energy.