Rakiety z reaktorami na wojnę z Chinami i lot na Marsa. USA wracają do badań z lat 60. [TAKA CIEKAWOSTKA]

Przez kilka lat zakątek poligonu w Nevadzie nazywany strefą 25 był miejscem wyjątkowych testów. Działały tam jedyne w swoim rodzaju silniki rakietowe z reaktorem jądrowym. Choć okazały się być wyjątkowo udane i spełniały pokładane w nich nadzieje, to i tak prace nad nimi przerwano na początku lat 70. Teraz USA bez większego rozgłosu wracają do tematu.

W kwietniu oficjalnie przyznano firmie General Atomics kontrakt na budowę nowego silnika tego rodzaju i a firmom Blue Origin oraz Lockheed Martin odpowiedniego pojazdu kosmicznego do przeprowadzenia testów. W 2020 roku przyznano jeszcze inny kontrakt firmie Gryphon Technologies, mającej ogólnie wspierać program. Pierwszy lot jest wstępnie planowany za cztery lata. 

Te konkretne kontrakty zawarła reprezentująca Pentagon agencja DARPA, zajmująca się rozwojem awangardowych technologii na potrzeby wojska USA. Program o nazwie DRACO jest wart na razie 41 milionów dolarów, więc jak na standardy amerykańskich zbrojeń niewiele. Jednocześnie prace prowadzi jednak NASA z większym budżetem. W 2019 roku na przyśpieszenie badań nad silnikami rakietowym z reaktorami jądrowymi agencja dostała 125 milionów dolarów. Cywile wstępnie planują próbny lot na 2024 rok.

Grafika autorstwa DARPA, pokazująca spodziewany wygląd silnika DRACO. Duży jasny element to najpewniej zbiornik wodoru Fot. DARPA

Amerykanie nad czymś takim już pracowali. Fragment nagrań NASA z lat 60.

Manewrowanie nad głowami Chińczyków

Te dwa przedsięwzięcia są najpoważniejszą próbą ponownego sięgnięcia po technologię, którą Amerykanie z własnej woli porzucili na początku lat 70. To co ona oferuje, jest potencjalnie bardzo atrakcyjnie. Silniki rakietowe z reaktorem jądrowym mogą zrewolucjonizować to, jak ludzie i ich pojazdy poruszają się w kosmosie. Tam mają bowiem ogromną przewagę nad klasycznymi silnikami rakietowymi jakie znamy (chemicznymi), ponieważ mogą pracować znacznie dłużej z relatywnie dużą mocą.

Teoretyczny lot na Marsa skróciłby się o połowę. I tego rodzaju korzyści najbardziej interesują NASA. Bo im krótszy lot, tym mniejsza dawka promieniowania kosmicznego jaką przyjmą astronauci, tym mniejsze obciążenie psychiczne i tym mniejsze konieczne do zabrania zapasy. Otworzyłyby się też zupełnie nowe możliwości jeśli chodzi o loty do dalszych planet Układu Słonecznego.

DARPA interesuje bardziej to, że pojazd z takim silnikiem mógłby bardzo długo wykonywać skomplikowane manewry na orbicie Ziemi. I na przykład ochraniać amerykańskie satelity wojskowe przed niechcianymi gośćmi z Chin i Rosji, czy odwrotnie być tym niechcianym gościem dla ich satelitów. Potencjalnych zastosowań jest wiele. DARPA w swoich skąpych komunikatach na temat programu silnika rakietowego z reaktorem jądrowym, nazywanego DRACO, pisze ogólnikowo o "nagłych manewrach". W kontekście przyśpieszającej rywalizacji militarnej i technologicznej z Chinami, tego rodzaju możliwości mają znacznie większą szansę zdobyć finansowanie niż jeszcze kilka lat temu.

To już raz było

Lata 2024 i 2025 jako terminy pierwszych próbnych lotów mogą się wydawać bardzo ambitne. Amerykanie mają jednak ogromne doświadczenie w tym polu. W latach 60. z powodzeniem przetestowali cały szereg coraz bardziej dopracowanych silników rakietowych z reaktorami jądrowymi. Formalnie nazywanych nuklearno-cieplnymi. Dzisiaj już mało kto o tym pamięta, ale wówczas z projektem NERVA wiązano wielkie nadzieje. Na drodze stanęły jednak realia budżetowe i polityka.

Podstawowa idea działania silnika tego rodzaju jest dość prosta. W klasycznym chemicznym silniku rakietowym dwie różne substancje chemiczne są mieszane i podpalane, lub ulegają samozapłonowi. W efekcie spalania wytwarzane są gorące gazy, które pod dużym ciśnieniem wylatują z dyszy generując energię popychającą całą rakietę do przodu. W silniku nuklearno-cieplnym jedna substancja chemiczna jest pompowana przez reaktor jądrowy, który ją gwałtownie podgrzewa do bardzo wysokiej temperatury. W efekcie powstaje gorący gaz pod dużym ciśnieniem, wyrzucany przez dyszę. Nie jest radioaktywny.

Jakiegoś rodzaju napędem nuklearnym dla rakiet zaczęto się interesować w USA już pod koniec II wojny światowej. Naukowcy, którzy opracowali bomby atomowe zrzucone potem na Japonię, wymyślali różne potencjalne zastosowania nowo opanowanej energii reakcji rozszczepienia atomu. Jedną z nich był napęd rakiet i statków kosmicznych. Najbardziej radykalnym pomysłem było coś, co pod koniec lat 50. formalnie stało się projektem Orion. Zakładał on budowę ogromnych pojazdów napędzanych ni mniej ni więcej, ale eksplozjami ładunków jądrowych. Wybuchając tuż pod statkiem, popychałyby go do przodu. Analizowano nawet ogromne pojazdy o masie dziesięciu tysięcy ton, które w celu dotarcia na orbitę musiałyby zdetonować 800 małych bomb jądrowych. Ze względu na bezmiar potencjalnych problemów, w tym ze skażeniem, program zarzucono na początku lat 60.

W międzyczasie zajęto się znacznie mniej radykalnym, ale realnym pomysłem silnika nuklearno-cieplnego. Najpierw od połowy lat 50. w ramach wojskowego programu Rover. Nowe silniki miały być elementem rakiet międzykontynentalnych do ataków jądrowych na ZSRR. Program postępował szybko. W 1955 roku wybrano ostateczny układ konstrukcyjny silnika. Uznano, że substancją chemiczną podgrzewaną przez reaktor będzie wodór, który w postaci ciekłej jest bardzo kompaktowym i wydajnym źródłem energii. Na paliwo w reaktorze wybrano wzbogacony naturalny uran. Problem bardzo wysokich temperatur przekraczających dwa tysiące st. C postanowiono rozwiązać osłonami z grafitu. W 1957 roku zaczęto budować pierwsze eksperymentalne reaktory i stanowiska testowe w strefie 25.

Kluczowe budynki w strefie 25 łączyła specjalna linia kolejowa, nazywana ironicznie 'najwolniejszą na świecie'. Dwie lokomotywy powoli i statecznie przetaczały po niej specjalne wagony z reaktorami oraz silnikami. Tutaj akurat jeden z reaktorów PHOEBUS Fot. DOE

Wszystko układa się w całość

Jednak prace nad nowymi rakietami międzykontynentalnymi Atlas szybko postępowały i wojsko uznało, że drugi stopień z reaktorem będzie zbędny. Jeszcze w 1957 roku postanowiono zamknąć program Rover. Na scenę wkroczyło jednak ZSRR ze swoim rakietami i Sputnikiem. Zszokowani Amerykanie rzucili się do kosmicznego wyścigu z zimnowojennym rywalem. Na wszystko co związane z podbojem kosmosu runął strumień pieniędzy. Potencjalnie bardzo wydajny silnik nowego rodzaju był atrakcyjną wizją. Pod koniec 1958 roku utworzono NASA, która w pierwszym dniu swojego działania przejęła program Rover od wojska. W ten sposób narodził się program NERVA, od angielskiego akronimu nazwy Silnik Jądrowy do Zastosowania w Pojazdach Rakietowych.

Prace na poligonie w Nevadzie trwały bez przerwy. W 1959 roku wszystko było gotowe do pierwszego testu. Eksperymentalny reaktor o nazwie KIWI (od nowozelandzkiego ptaka-nielota, ponieważ te reaktory też nigdy nie miały latać) po raz pierwszy uruchomiono w lipcu i wszystko poszło zgodnie z planem. Szybko przeprowadzane kolejne testy jasno wykazały, że to wszystko ma sens. Natrafiano na różne problemy, ale udawało się je rozwiązać. W kolejnych latach prowadzono prace nad coraz większymi i coraz bardziej zaawansowanymi reaktorami. W 1964 roku przeprowadzono po raz pierwszy test całego prototypowego silnika NERVA. Sprawdzono też co by było, gdyby doszło do katastrofy podczas startu z Ziemi. Testy wykazały, że nawet w ekstremalnej sytuacji skażenie będzie symboliczne.

Celowo wywołana eksplozja jednego z reaktorów KIWI, której celem była ocena skutków najbardziej katastrofalnego z możliwych wypadków silnika nuklearno-cieplnego Fot. DOE

Choć z punktu widzenia techniki wszystko szło wyśmienicie, to nad programem szybko zaczęły się gromadzić czarne chmury. Pieniądze dla NASA nie były nieskończone. Program Apollo pochłaniał je w ogromnych ilościach a jednocześnie trzeba było finansować coraz bardziej kosztowną wojnę w Wietnamie. W Waszyngtonie wielu polityków nie widziało potrzeby opracowywania drogich nowych silników, skoro na Księżyc można dotrzeć prostszą klasyczną rakietą. Luźno zdefiniowane wizje szybszych lotów na Marsa czy sprawniejszego zakładania baz na Księżycu już nie wywoływały takich emocji, aby wydawać na nie znaczne pieniądze. Na przestrzeni lat 60. było kilka prób zamknięcia programu NERVA poprzez obcięcie mu finansowania. Za każdym razem znajdowało się jednak grono polityków, którzy go skutecznie bronili.

Film autorstwa NASA z 1968 roku, pokazujący koncepcję silnika nuklearno-termalnego i dotychczasowe osiągnięcia w pracach nad nimi. W tym wiele nagrań z poligonu i testów.

 

Nagły koniec obiecującej wizji

W 1968 roku w Strefie 58 przygotowano do testów ostatnią wersję silnika NERVA oznaczoną XE Prime. Do końca 1969 roku uruchomiono go 28 razy. Przez łącznie pół godziny działał z pełną mocą bez poważniejszego problemu. Po niewielkich modyfikacjach można by go było umieścić na rakiecie i wysłać w kosmos. Pomimo tego polityka i realia budżetowe wygrały. Kiedy Neil Armstrong stanął w 1969 roku na Księżycu i USA wygrały wyścig z ZSRR, w Waszyngtonie odetchnięto z ulgą. Wreszcie można było bez większego oporu drastycznie obciąć budżet NASA. Program Apollo postanowiono skrócić i zakończyć na misji numer 17. Przerwano produkcję wielkich rakiet księżycowych Saturn V, które były konieczne do wynoszenia silników w rodzaju NERVA XE Prime. Baza na Księżycu? Lot na Marsa? To już w ogóle nikogo nie interesowało. Kraj był wstrząsany przez konflikty społeczne a wojna w Wietnamie wysysała siły. Kosmos szybko przestał się liczyć, skoro Amerykanie już pokazali ZSRR kto tu jest lepszy.

Po 1969 roku finansowanie programu NERVA stopniowo spadało aż do poziomu symbolicznego. W 1972 roku przeprowadzono ostatnie testy. W 1973 program ostatecznie zamknięto. W strefie 25 zapanowała cisza. Silniki i reaktory w większości złomowano, część trafiła do muzeów. Wielkie stanowiska testowe, hale do montażu i demontażu zostały oczyszczone z materiałów radioaktywnych i skażenia. Zajęło to dekadę i kosztowało ponad miliard dolarów. Kluczowe budynki ostatecznie wyburzono na początku XXI wieku.

Wyburzanie budynku służącego podczas programu NERVA do składania i rozkładania reaktorów/silników. Częściowo był skażony Fot. DOE

Podczas całego programu doszło do dwóch wypadków. Jeden z pierwszych reaktorów Kiwi uległ autodestrukcji z powodu wibracji, ale nie doszło do eksplozji i szkody dla otoczenia były minimalne. Drugi wypadek z udziałem większego reaktora Phoebus był znacznie poważniejszy. Przez awarię czujników obsługa nie zorientowała się, że skończył się wodór w zbiornikach. Reaktor gwałtownie się przegrzał i eksplodował, ponieważ wodór był nie tylko paliwem, ale też służył do chłodzenia. Część uranu została rozrzucona po okolicy i operacja sprzątania mogła się zacząć dopiero po dwóch miesiącach, kiedy skażenie opadło. Oficjalnie w trakcie całego programu nikt jednak nie ucierpiał z powodu wystawienia na nadmierne promieniowanie. Trzy osoby zginęły w wypadkach.

Na cały program Rover/NERVA wydano w ciągu ponad dekady 1,4 miliarda ówczesnych dolarów. Dzisiaj byłoby to około dziesięciu miliardów. Większość tych pieniędzy można uznać za zmarnowane. Jednak to dzięki technologii opracowanej w latach 50. i 60. Amerykanie dzisiaj jak nikt inni są w pozycji do ponownego zmaterializowania wizji bardzo wydajnych silników kosmicznych.

Podsumowanie prac nad silnikami nuklearno-cieplnymi autorstwa NASA