NASA construiește prima navă spațială interplanetară cu propulsie nucleară. Lansarea e planificată în 2028, spre Marte

Săptămâna aceasta, administratorul NASA, Jared Isaacman, a anunțat că agenția va dezvolta „prima navă spațială interplanetară cu propulsie nucleară”, înaintea unei lansări planificate pentru 2028 spre Marte, scrie publicația Space.

Ambițiile misiunii, cunoscută sub numele de Space Reactor-1 (SR1) Freedom, depășesc cu mult obiectivul propus de a ajunge pe Marte. Dacă va avea succes, va fi culminarea a peste 60 de ani de experimente și proiecte eșuate în domeniul propulsiei nucleare și ar putea transforma radical călătoriile spațiale interplanetare.

Nava spațială va fi echipată cu un sistem de propulsie electrică nucleară care, potrivit NASA, „oferă o capacitate extraordinară pentru transportul eficient de masă în spațiul îndepărtat”. Dar ce este această formă de motor de navă spațială și prin ce diferă de misiunile anterioare care au utilizat energia nucleară într-un mod diferit?

Ideea navelor spațiale cu propulsie nucleară evocă concepte precum Proiectul Orion, dezvoltat în anii 1950, care ar fi propulsat o navă spațială prin undele de șoc ale unei serii rapide de explozii nucleare în spatele ei.

Un alt design cu propulsie nucleară a fost Proiectul Daedalus, un studiu al Societății Interplanetare Britanice din anii 1970, care propunea utilizarea motoarelor alimentate prin fuziune nucleară.

Conceptul SR-1 Freedom al NASA ar folosi un reactor de fisiune nucleară, ca o versiune miniaturizată a tipului de centrale nucleare care alimentează orașe pe Pământ, pentru a genera electricitate care poate alimenta un motor ionic.

Cu toate acestea, misiunile NASA utilizează de decenii o altă formă de energie nucleară în spațiu, sub forma generatoarelor termoelectrice cu radioizotopi, sau RTG. Care este diferența dintre RTG-uri și propulsia electrică nucleară care va alimenta SR-1 Freedom?

Alimentate de dezintegrarea nucleară

Generatoarele termoelectrice cu radioizotopi produc energie folosind căldura eliberată prin dezintegrarea radioactivă a plutoniului-238, care are un timp de înjumătățire de aproape 88 de ani (ceea ce înseamnă că, în medie, jumătate din cantitatea sa va fi suferit dezintegrare radioactivă în acea perioadă), permițându-i să alimenteze nave spațiale timp de decenii, dacă este necesar.

NASA folosește energia nucleară în spațiu de aproape la fel de mult timp cât durează era spațială în sine. În anii 1960, agenția a finanțat proiectul Systems for Nuclear Auxiliary Power, sau SNAP. Așa cum sugerează numele, SNAP implica utilizarea energiei derivate din surse nucleare în misiuni spațiale. Potrivit NASA, primul care a zburat a fost SNAP-3 în 1961, care avea la bord un RTG.

RTG-ul de la bordul SNAP-3 conținea 96 de grame de plutoniu-238, care producea o putere electrică modestă de 2,5 wați. Lucrurile au evoluat considerabil de la începutul anilor 1960, însă.

De atunci, RTG-urile au zburat în misiuni interplanetare, inclusiv sondele Pioneer 10 și 11 și Voyager 1 și 2 spre sistemul solar exterior, călătoria New Horizons spre Pluto și dincolo de el, modulele de aterizare Viking 1 și 2 pe Marte, și roverele Curiosity și Perseverance.

Necesitatea RTG-urilor a fost pusă în evidență de predecesoarele lui Curiosity și Perseverance, roverele de explorare marțiană Spirit și Opportunity, care funcționau exclusiv pe energie solară, dar au suferit din cauza scăderii puterii pe măsură ce praful marțian le acoperea panourile solare.

Propulsia electrică nucleară

Un alt progres care datează din anii 1960 este propulsia electrică, poate mai bine cunoscută sub numele de motor ionic. Acesta funcționează prin ionizarea atomilor aparținând unui propulsant gazos, precum xenonul sau kriptonul, iar apoi accelerarea acelor ioni printr-o duză pentru a asigura propulsia. Această accelerare poate fi realizată în două moduri. Unul este aplicarea câmpurilor electromagnetice pentru a produce ceea ce se numește efectul Hall, care accelerează ionii.

Celălalt mod este un propulsor ionic cu grilă, în care ionii încărcați pozitiv sunt injectați într-o „cameră de descărcare” unde se deplasează spre o grilă încărcată negativ și sunt accelerați prin orificiile acelei grile de o tensiune, fiind expulzați din nou printr-o duză, motorul ionic producând o strălucire albastră difuză.

În misiunile spațiale din sistemul solar interior, ionii pot fi ionizați de electricitate produsă prin panouri solare, de aceea ne referim la această tehnologie ca propulsie electrică solară (SEP). Totuși, ar putea fi surprinzător faptul că SEP produce de obicei mai puțin de o livră de tracțiune.

Acest lucru pălește în comparație cu cele 8,8 milioane de livre de tracțiune pe care racheta Space Launch System le va furniza când va lansa misiunea Artemis 2 spre Lună.

Cantitatea minusculă de tracțiune a SEP este însă cumulativă și se acumulează în timp, împingând navele spațiale la viteze de aproximativ 320.000 de kilometri pe oră, sau mai mult, mult după ce o rachetă chimică echivalentă și-ar fi epuizat combustibilul.

SEP a fost utilizată în misiuni pe orbita Pământului încă din anii 1960. Prima misiune interplanetară cu SEP a fost Deep Space 1 a NASA, în 1998, iar de atunci a fost folosită cu mare succes de misiuni precum SMART-1 a Agenției Spațiale Europene spre Lună, nava spațială Dawn a NASA care a vizitat Ceres și Vesta din Centura de Asteroizi, și misiunea DART care a lovit asteroidul dublu Didymos și Dimorphos în 2022.

Înlocuirea solarului cu nuclearul are două avantaje în spațiul îndepărtat. În primul rând, facilitează desfășurarea motoarelor ionice în sistemul solar exterior, departe de Soare. În al doilea rând, produce cu unul sau două ordine de mărime mai multă putere decât SEP, crescând astfel tracțiunea și masa încărcăturii utile pe care o poate transporta.

RTG-urile nu sunt suficiente pentru acest tip de activitate, motiv pentru care propulsia electrică nucleară (NEP) necesită un reactor de fisiune. Căldura produsă de reactor este transformată în electricitate, iar aceasta ionizează (încarcă electric) gazele propulsante pentru utilizarea în motorul ionic.

Reactorul de fisiune de 20 de kilowați al SR-1 Freedom, conținând uraniu slab îmbogățit și dioxid de uraniu, ar fi situat la capătul unui braț lung, asigurând distanța între radiația pe care o produce și restul navei spațiale.

În cazul SEP, o fracțiune mare din suprafața totală a navei este dedicată panourilor solare. Cu NEP, aceste panouri solare sunt înlocuite cu aripioare de schimb termic, care radiază o parte din excesul de căldură al reactorului și previn topirea componentelor navei spațiale.

Merită menționat că există o a treia variație a motorului nuclear, și anume propulsia termică nucleară, în care energia produsă de un reactor de fisiune încălzește un propulsant, determinându-l să se expandeze și să iasă cu forță printr-o duză, producând tracțiune ca o rachetă mai convențională.

Riscuri nucleare

Siguranța este, desigur, de o importanță capitală atunci când trimiți material nuclear în spațiu, iar oamenii se tem foarte adesea de cuvântul „nuclear”.

În 1997, lansarea misiunii comune NASA/Agenția Spațială Europeană Cassini-Huygens spre Saturn a stârnit controverse. Aceasta avea la bord trei RTG-uri care conțineau 33 de kilograme de plutoniu-238 între cele două sonde.

Studiul de impact asupra mediului al misiunii sugera o probabilitate de 1 la 1.400 de accident la lansare și de 1 la 476 în timpul zborului prin atmosfera Pământului, care ar fi putut răspândi material radioactiv nu doar în Florida, de unde a fost lansată Cassini-Huygens, ci pe întregul glob, în funcție de altitudinea la care ar fi avut loc accidentul.

Acest lucru a generat îngrijorări serioase, popularizatorul de știință Michio Kaku fiind printre liderii protestelor care cereau anularea lansării, dar Cassini-Huygens a decolat fără niciun incident, la fel ca toate misiunile ulterioare cu RTG.

Se acordă, desigur, atenție pentru ca, în cazul unui accident, materialul radioactiv să fie protejat cât mai bine posibil. Riscul este minimizat prin ambalarea materialului radioactiv în blocuri de grafit extrem de rezistente, întărite cu un strat de iridiu și înconjurate de o carenă aerodinamică pentru a proteja RTG-ul în cazul unei reintrări atmosferice.

Deși acest lucru nu oferă o garanție absolută, ne-am imagina că orice reactor de fisiune lansat în spațiu ar necesita protocoale de siguranță similare. Există, de fapt, constrângeri de reglementare foarte stricte, atât în Statele Unite, cât și la nivel internațional, privind trimiterea de material nuclear în spațiu.

Există și problema că fisiunea nucleară este un proces extrem de toxic. Implică scindarea atomului, producând deșeuri radioactive pe lângă energie. Folosind reactoare de fisiune în spațiu, trimitem în esență pachete mici de deșeuri toxice prin sistemul solar, care ar putea, în viitor, să se dovedească periculoase pentru orice astronauți care le-ar întâlni, sau pentru orice biosfere care ar putea exista pe alte planete sau luni, precum Marte sau Europa, în cazul în care unul dintre aceste colete toxice s-ar prăbuși acolo.

Istoria propulsiei electrice nucleare

Nu este prima dată când NASA se joacă cu ideea propulsiei electrice nucleare. În 1965, agenția a lansat misiunea SNAP-10A, care a fost prima și până acum singura dată când propulsia electrică nucleară a fost utilizată cu succes. A fost, de asemenea, prima dată când un reactor nuclear a fost lansat în spațiu. Acel reactor a funcționat corespunzător timp de 43 de zile înainte de a dezvolta o defecțiune și de a se opri, conform Departamentului American al Energiei.

Cu toate acestea, în cei 61 de ani de la SNAP-10A, nu au mai existat alte misiuni care să demonstreze cu succes propulsia electrică nucleară, dar au existat multe tentative de a o face. Cel mai recent proiect al NASA a fost DRACO, Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, în colaborare cu DARPA, Lockheed Martin și BWX Technologies.

Din păcate, programul DRACO a fost suspendat în ianuarie 2025 din cauza provocărilor tehnice și de reglementare, înainte de a fi anulat complet în acea vară, când a fost exclus din propunerea de buget federal pentru 2026. DARPA a afirmat că costurile programului nu mai justificau beneficiile, având în vedere că costurile obișnuite de lansare erau în scădere.

Acum, însă, NASA pare să fi schimbat tonul, cu interesul reînnoit pentru propulsia electrică nucleară. Există cu siguranță un argument puternic că utilizarea energiei nucleare este vitală dacă vrem să lansăm misiuni interplanetare mai regulate și să trimitem astronauți și încărcături masive pe Marte sau în alte locuri.

Totuși, timpul este cu siguranță împotriva NASA pentru lansarea misiunii în 2028, așa cum este planificat, și rămâne de văzut dacă, după mai bine de șaizeci de ani de încercări, NASA va reuși în cele din urmă să facă tehnologia să funcționeze. Dacă reușește, eficiența și puterea sporite pe care le poate aduce motoarelor de propulsie electrică ar putea transforma călătoriile spațiale, fie că este vorba de trimiterea astronauților pe Marte sau de misiuni științifice spre sistemul solar exterior.