Несколько лет назад Национальное аэрокосмическое агентство США заявило о возобновлении работ над ядерной программой, предназначенной для создания космических двигателей. В 2023 году было выбрано первое решение относительно бимодальной ядерной двигательной установки, основанной на «цикле возбуждения волнового ротора». Эта технология позволит уменьшить продолжительность полетов на Марс до 45 дней. В настоящее время агентство выбрало подрядчика для разработки атомного двигателя, который будет использоваться для исследования близлежащих звездных систем и сбора образцов с межзвездных тел.
У NASA грандиозные планы по освоению космоса на ближайшее десятилетие. Агентство планирует отправить несколько астробиологических миссий на Венеру и Марс для поиска следов внеземной жизни. Это произойдет одновременно с пилотируемыми полетами на Луну (впервые со времен «Аполлона»). Еще есть планы по отправке роботизированных миссий к спутникам Юпитера и Сатурна — на Европу и Титан, а также к другим похожим мирам, где может существовать подледный океан, а значит, и экзотические формы жизни.
Для достижения этих и других целей NASA запустило программу Программа NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) . Ежегодно агентство отбирает новаторские идеи в сфере аэронавтики и космонавтики, а затем обеспечивает их финансирование и дальнейшую разработку.
В качестве приоритетных направлений развития в текущем году были выбраны беспилотные летательные аппараты, работающие от солнечной энергии, биореакторы, световые паруса, астробиологические исследования и разработка концепции тонколистового изотопного ядерного двигателя ( TFINER), предложенную Джеймсом Бикфордом (James Bickford) — старшим научным сотрудником американской некоммерческой организации, занимающейся научными исследованиями Charles Stark Draper Laboratory.
В документах NASA отмечается, что такая установка необходима для «реализации нескольких миссий следующего поколения, для которых требуются высокие скорости; с помощью обычной современной ракетной техники такие скорости получить невозможно». Речь идет о запуске солнечно-гравитационного телескопа, который будет использовать гравитационную линзу Солнца (как усилитель) для наблюдения объектов на поверхности далеких экзопланет, а также о миссии по исследованию межзвездных объектов (каких именно — не говорится).
В течение последних десятилетий наибольшее внимание привлекает два типа атомных установок для космоса: ядерно-тепловые двигатели (NTP) и электроядерные установки (NEP), по словам Бикфорда, подобные системы обладают необходимой тягой и маневренностью, но они отличаются громоздкостью, большим весом и высокой стоимостью.
«Вместо этого, мы предлагаем более доступную и облегченную альтернативу — тонколистовой ядерно-изотопный двигатель, который использует энергию распада радиоактивных изотопов. Эта установка обеспечит возможности для сближения с быстродвижущимися межзвездными объектами и последующей доставки образцов с них. Благодаря ей, можно будет исследовать ближайшие звездные системы. Помимо этого, наша технология позволит корректировать положение гравитационно-солнечной обсерватории, чтобы в ходе одной миссии можно было наблюдать за множеством значимых целей», — пояснил Бикфорд.
Концепция тонколистового изотопного ядерного двигателя базируется на технологии светового паруса, однако вместо светового давления в установке используется тонкий лист радиоактивного изотопа торий-228 толщиной около 10 микрометров (0,01 миллиметра). Для создания тяги будет использоваться импульс продуктов распада изотопа. Торию-228 свойственен альфа-распад, период его полураспада равен 1,9 года.
Торий – это радиоактивный металл, встречающийся в составе большинства горных пород и почв. Геологи оценивают, что его запасы на Земле в три-четыре раза превышают запасы урана.
Ученые утверждают, что для работы космическому аппарату потребуется 30 килограммов тория-228, размещенного на поверхности площадью более 250 квадратных метров. Это обеспечит тягу, достаточную для достижения скорости, превышающей 150 километров в секунду. Для сравнения, зонд NASA Parker Solar Probe, благодаря использованию двигателей на гидразине достигается скорость в 163 километров в секунду. Однако, в основном, это обусловлено гравитационным маневром на орбите Венеры и притяжением Солнца.
Бикфорд подчеркнул, что ключевым достоинством его разработки является использование общепринятых физических принципов и доступных материалов. В отличие от технологии светового паруса, новая установка даст возможность космическому аппарату свободно маневрировать в космическом пространстве и результативно корректировать траекторию движения.
По словам инженера, наряду с использованием листов тория-228, допустимо применение листов актиния-227 или других изотопов, характеризующихся более продолжительным периодом полураспада. Это позволит достичь большей скорости. Также возможно использование распада тория-233 с образованием урана-232, что приведет к увеличению производительности силовой установки приблизительно на 500 процентов.
Предлагаемая технология откроет для NASA много возможностей в космосе, кроме того, с ее помощью можно будет выполнять сразу несколько космических задач, подчеркнул ученый.
Изотопный ядерный двигатель малой толщины, разработанный Джеймсом Бикфордом, не был первой установкой подобного рода, привлекшей внимание NASA. В 2023 году в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts агентство выбрало двухрежимную ядерную силовую установку с роторно-волновым двигателем, предложенную профессором Райаном Госсе ( Ryan Goss) из Университета Флориды (США). Согласно теории, данная конструкция должна увеличить тягу до уровня проекта NERVA, эти характеристики значительно превышают показатели существующих химических ракетных двигателей, хотя практическая осуществимость концепции Госсе пока вызывает сомнения.
Согласно оценкам GoSpace, их технология может обеспечить полет к Марсу всего за 45 дней. Это позволит уменьшить продолжительность миссий до нескольких месяцев и снизить ключевые риски, сопровождающие полеты к Красной планете, такие как воздействие невесомости и, в меньшей степени, солнечные вспышки.