Марс швидше: чи прискорить ядерна термальна пропульсія пілотовані місії вже у 2030-ті?

Подорож до Місяця стала реальністю півстоліття тому, але рейс на Марс – інший масштаб. Середня відстань до Місяця становить 238 855 миль (близько 384 400 кілометрів), тоді як до Марса – від 33 до 249 мільйонів миль (приблизно 53-401 мільйон кілометрів). Для такого маршруту колишніх технологій недостатньо. У Центрі ядерної науки й інженерії MIT магістрант Тейлор Гемпсон за підтримки NASA досліджує ядерну термальну пропульсію – підхід, що може радикально скоротити час перельоту.

Що таке ядерна термальна пропульсія і чим вона відрізняється

Йдеться про нагрівання пропеленту – найчастіше водню – енергією ядерної реакції до екстремально високої температури з подальшим викидом через сопло для створення тяги. На відміну від традиційних рішень, ядерний термальний рушій використовується лише в космосі – не для старту з Землі – і дає подвійну ефективність або більше у порівнянні з хімічними аналогами за тієї самої тяги.

• Хімічна пропульсія – тяга від згорання палива, відпрацьована та надійна, але обмежена питомим імпульсом.
• Електрична – прискорення іонів електричними полями, висока ефективність, проте мала тяга.
• Ядерна – енергія поділу живить тягу. В ядерній електричній схемі вона виробляє електрику, а в ядерній термальній – безпосередньо нагріває пропелент.

Перевага NTP – швидше досягнення цілей далекого космосу. Обмеження – вартість і регуляторні бар’єри, які досі стримували практичне застосування. Але з огляду на наміри NASA відправити астронавтів на Марс уже в 2030-ті роки, потреба в ефективнішій тязі стає нагальною.

Що саме моделюють у MIT

Гемпсон створює математичну модель усієї рушійної системи – від бака та насоса до реактора і сопла – аби простежити, як змінюються температура, тиск і витрати на кожному етапі роботи. Для оперативності він використовує спрощену одномірну модель, що дозволяє швидко тестувати конфігурації паливних збірок і компонувань системи.

Ключовий виклик – зв’язати термодинаміку й нейтроніку, адже теплові поля впливають на реактивність, а нейтронні процеси – на розподіл тепла. Саме злагоджене моделювання цих ефектів визначає безпечний запуск, стабільну роботу та коректну зупинку двигуна.

Запуск і зупинка: чому це не як у хімії

Різкий розігрів матеріалів на старті може спричинити відмови – тому алгоритм запуску має бути поетапним і контрольованим. На фініші ситуація теж нетривіальна: після вимкнення реактора тепло від радіоактивного розпаду зберігається, тож компоненти двигуна потребують активного охолодження, поки рівень тепловиділення не впаде до безпечного.

Навіщо це NASA і як це впливає на людей

Менший час у польоті – менші ризики для екіпажу. Тривала мікрогравітація шкодить кісткам і м’язам, а також ускладнює медичні протоколи. Якщо ядерна термальна пропульсія справді забезпечує «вдвічі і більше» ефективності, то це означає відчутне скорочення тривалості маршруту у порівнянні з хімічними ракетами – аргумент на користь NTP для місій у глибокий космос.

Люди і інфраструктура: хто за проєктом

Тейлор Гемпсон виріс на Флоридському узбережжі запусків, вивчав аерокосмічну інженерію в Georgia Tech, проходив стажування у Blue Origin і Stoke Space та працював у студентській ракетній команді. У MIT він обрав напрям поєднання авіакосмічної та ядерної інженерії й працює під керівництвом Куроша Шірвана – доцента кафедри NSE та Atlantic Richfield Career Development Professor in Energy Studies, який веде роботи з NASA.

Можливості MIT Reactor дозволяють випробовувати ядерні палива в умовах, наближених до тих, що очікуються в рушіях NTP. Саме це дає змогу перевіряти моделі на практиці та зменшувати невизначеності перед майбутніми випробуваннями.

«Від ядерного двигуна можна отримати , або більше, за такої самої тяги», – наголошує Тейлор Гемпсон.

«Ядерна пропульсія вже сама по собі просунута, а я працюю над тим, що прийде після цього. Це майже футуристично», – додає дослідник.