Seorang profesor Amerika menjelaskan mengapa mesin roket nuklir lebih efisien daripada mesin kimia. Karena itu, merekalah yang akan membantu menjelajahi Mars dan segala sesuatu di luarnya. Tetapi dia tidak memikirkan pertanyaan apakah NASA akan memiliki cukup uang untuk mengembangkan mesin semacam itu, jika Pentagon juga terlibat di dalamnya, dan dia diberikan yang pertama.
NASA dan Elon Musk memimpikan Mars, dan misi luar angkasa berawak akan segera menjadi kenyataan. Anda mungkin akan terkejut, tetapi roket modern terbang sedikit lebih cepat dari roket di masa lalu.
Pesawat ruang angkasa cepat lebih nyaman karena berbagai alasan, dan cara terbaik untuk mempercepat adalah dengan roket bertenaga nuklir. Mereka memiliki banyak keunggulan dibandingkan roket berbahan bakar konvensional atau roket listrik bertenaga surya modern, tetapi dalam 40 tahun terakhir, Amerika Serikat hanya meluncurkan delapan roket bertenaga nuklir.
Namun, pada tahun lalu, undang-undang tentang perjalanan ruang angkasa nuklir berubah dan pekerjaan untuk roket generasi berikutnya telah dimulai.
Mengapa kecepatan dibutuhkan?
Pada tahap pertama penerbangan apa pun ke luar angkasa, diperlukan kendaraan peluncur - yang membawa kapal ke orbit. Mesin besar ini bekerja dengan bahan bakar yang mudah terbakar - dan biasanya dalam hal peluncuran roket, mereka bersungguh-sungguh. Mereka tidak akan pergi kemana-mana dalam waktu dekat - begitu pula gaya gravitasi.
Tetapi ketika kapal memasuki ruang angkasa, segalanya menjadi lebih menarik. Untuk mengatasi gravitasi bumi dan pergi ke luar angkasa, kapal membutuhkan percepatan tambahan. Di sinilah sistem nuklir berperan. Jika astronot ingin menjelajahi sesuatu di luar Bulan, atau bahkan Mars, mereka harus bergegas. Kosmos sangat besar, dan jaraknya agak jauh.
Video promosi:
Ada dua alasan mengapa roket cepat lebih cocok untuk perjalanan ruang angkasa jarak jauh: keamanan dan waktu.
Dalam perjalanan ke Mars, astronot menghadapi radiasi tingkat tinggi, yang penuh dengan masalah kesehatan yang serius, termasuk kanker dan kemandulan. Pelindung radiasi dapat membantu, tetapi ini sangat berat dan semakin lama misinya, perisai yang lebih kuat akan dibutuhkan. Oleh karena itu, cara terbaik untuk mengurangi dosis radiasi adalah dengan tiba di tempat tujuan lebih cepat.
Tapi keselamatan kru bukanlah satu-satunya keuntungan. Semakin jauh penerbangan yang kami rencanakan, semakin cepat kami membutuhkan data dari misi tak berawak. Voyager 2 membutuhkan 12 tahun untuk mencapai Neptunus - dan saat terbang, ia mengambil beberapa gambar yang luar biasa. Jika Voyager memiliki mesin yang lebih kuat, foto dan data ini akan muncul di astronom jauh lebih awal.
Jadi kecepatan adalah keuntungan. Tetapi mengapa sistem nuklir lebih cepat?
Sistem hari ini
Setelah mengatasi gaya gravitasi, kapal harus memperhatikan tiga aspek penting.
Yang paling umum saat ini adalah mesin kimia - yaitu roket berbahan bakar konvensional dan roket listrik bertenaga surya.
Sistem propulsi kimia memberikan banyak daya dorong, tetapi tidak terlalu efisien, dan bahan bakar roket tidak terlalu boros energi. Roket Saturn 5 yang membawa para astronot ke bulan menghasilkan kekuatan 35 juta newton saat lepas landas dan membawa 950.000 galon (4.318.787 liter) bahan bakar. Sebagian besar digunakan untuk memasukkan roket ke orbit, jadi batasannya jelas: ke mana pun Anda pergi, Anda membutuhkan banyak bahan bakar yang berat.
Sistem propulsi listrik menghasilkan daya dorong menggunakan listrik dari panel surya. Cara paling umum untuk melakukannya adalah dengan menggunakan medan listrik untuk mempercepat ion, seperti dalam pendorong induksi Hall. Perangkat ini digunakan untuk memberi daya pada satelit, dan efisiensi bobotnya lima kali lipat dari sistem kimia. Tetapi pada saat yang sama, mereka memberikan daya dorong yang jauh lebih sedikit - sekitar 3 newton. Ini hanya cukup untuk mempercepat mobil dari 0 hingga 100 kilometer per jam dalam waktu sekitar dua setengah jam. Matahari pada dasarnya adalah sumber energi tanpa dasar, tetapi semakin jauh kapal menjauh darinya, semakin kurang berguna.
Salah satu alasan mengapa rudal nuklir sangat menjanjikan adalah intensitas energinya yang luar biasa. Bahan bakar uranium yang digunakan dalam reaktor nuklir memiliki intensitas energi 4 juta kali lipat dari hidrazin, bahan bakar roket kimia biasa. Dan jauh lebih mudah untuk membawa uranium ke luar angkasa daripada ratusan ribu galon bahan bakar.
Bagaimana dengan traksi dan efisiensi bobot?
Dua opsi nuklir
Untuk perjalanan luar angkasa, para insinyur telah mengembangkan dua jenis utama sistem nuklir.
Yang pertama adalah mesin termonuklir. Sistem ini sangat kuat dan sangat efisien. Mereka menggunakan reaktor fisi nuklir kecil - seperti yang ada di kapal selam nuklir - untuk memanaskan gas (seperti hidrogen). Gas ini kemudian dipercepat melalui nosel roket untuk memberikan daya dorong. Insinyur NASA telah menghitung bahwa perjalanan ke Mars menggunakan mesin termonuklir akan 20-25% lebih cepat daripada roket dengan mesin kimia.
Mesin fusi lebih dari dua kali lebih efisien daripada mesin kimia. Ini berarti bahwa mereka memberikan daya dorong dua kali lebih banyak untuk jumlah bahan bakar yang sama - hingga 100.000 Newton daya dorong. Ini cukup untuk mempercepat mobil hingga 100 kilometer per jam dalam waktu sekitar seperempat detik.
Sistem kedua adalah mesin roket listrik nuklir (NEP). Belum ada satupun yang dibuat, tetapi idenya adalah menggunakan reaktor fisi yang kuat untuk menghasilkan listrik, yang kemudian akan memberi daya pada sistem propulsi listrik seperti motor Hall. Itu akan sangat efektif - sekitar tiga kali lebih efisien daripada mesin fusi. Karena kekuatan reaktor nuklir sangat besar, beberapa motor listrik terpisah dapat bekerja pada waktu yang sama, dan daya dorongnya akan menjadi padat.
Mesin roket nuklir mungkin merupakan pilihan terbaik untuk misi jarak jauh: mereka tidak membutuhkan energi matahari, sangat efisien dan memberikan daya dorong yang relatif tinggi. Tetapi karena sifatnya yang menjanjikan, sistem penggerak tenaga nuklir masih memiliki banyak masalah teknis yang harus diselesaikan sebelum dioperasikan.
Mengapa masih belum ada rudal bertenaga nuklir?
Mesin fusi telah dipelajari sejak 1960-an, tetapi belum pernah terbang ke luar angkasa.
Di bawah piagam tahun 1970-an, setiap proyek nuklir luar angkasa dianggap terpisah dan tidak dapat berjalan lebih jauh tanpa persetujuan sejumlah lembaga pemerintah dan presiden sendiri. Ditambah dengan kurangnya dana untuk penelitian sistem rudal nuklir, hal ini telah mencegah pengembangan lebih lanjut dari reaktor nuklir untuk digunakan di luar angkasa.
Tapi itu semua berubah pada Agustus 2019 ketika pemerintahan Trump mengeluarkan memorandum presiden. Sementara bersikeras pada keselamatan maksimum peluncuran nuklir, arahan baru tersebut masih memungkinkan misi nuklir dengan bahan radioaktif dalam jumlah rendah tanpa persetujuan antarlembaga yang rumit. Konfirmasi oleh agen sponsor seperti NASA bahwa misi tersebut sesuai dengan rekomendasi keselamatan sudah cukup. Misi nuklir besar menjalani prosedur yang sama seperti sebelumnya.
Bersamaan dengan revisi aturan ini, NASA menerima $ 100 juta dari anggaran 2019 untuk pengembangan mesin termonuklir. Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan juga mengembangkan mesin ruang angkasa termonuklir untuk operasi keamanan nasional di luar orbit Bumi.
Setelah 60 tahun mengalami stagnasi, kemungkinan roket nuklir akan terbang ke luar angkasa dalam satu dekade. Pencapaian luar biasa ini akan mengantarkan era baru eksplorasi ruang angkasa. Manusia akan pergi ke Mars, dan eksperimen ilmiah akan mengarah pada penemuan baru di seluruh tata surya dan sekitarnya.
Iain Boyd adalah profesor teknik kedirgantaraan di Universitas Colorado di Boulder
