В ближайшие годы НАСА планирует отправить несколько астробиологических миссий на Венеру и Марс для поиска доказательств внеземной жизни. Они будут происходить одновременно с пилотируемыми полетами на Луну (впервые со времен Аполлона) и первыми пилотируемыми полетами на Марс. За пределами Солнечной системы существуют амбициозные планы по отправке роботизированных миссий на Европу, Титан и другие «океанские миры», где могла бы существовать экзотическая жизнь. Для достижения этих целей НАСА инвестирует в некоторые интересные новые технологии в рамках программы НАСА «Инновационные передовые концепции» (NIAC).
В этом году в подборку вошли самолеты на солнечных батареях, биореакторы, световые паруса, технологии гибернации, астробиологические эксперименты и технологии ядерных двигателей. Сюда входит концепция ракеты с тонкопленочным изотопным ядерным двигателем (TFINER), предложение старшего технического сотрудника Джеймса Бикфорда и его коллег из Лаборатории Чарльза Старка Дрейпера – независимого разработчика технологий из Массачусетса. Это предложение основано на распаде радиоактивных изотопов для создания двигателя и недавно было выбрано NIAC для разработки фазы I.
Как указано в их документе с предложением, усовершенствованная двигательная установка необходима для реализации нескольких концепций миссий следующего поколения. К ним относятся отправка телескопа в фокус гравитационной линзы Солнца и встреча с проходящим межзвездным объектом. Эти концепции миссий требуют высоких скоростей, которые просто невозможны с помощью обычной ракетной техники. Хотя световые паруса исследуются для миссий по быстрому транзиту в пределах Солнечной системы и Проксимы Центавра, они не могут совершать необходимые маневры в глубоком космосе.
Ядерные концепции, которые возможны при нынешних технологиях, включают ядерно-тепловые и ядерно-электрические двигатели (ЯТП/НЭП), которые обладают необходимой тягой для достижения мест в глубоком космосе. Однако, как отметили Бикфорд и его команда, они также большие, тяжелые и дорогие в производстве. «Напротив, мы предлагаем тонкопленочный ядерный изотопный двигатель с достаточными возможностями для поиска, сближения и последующего возврата образцов от далеких и быстро движущихся межзвездных объектов». они пишут. «Та же технология позволяет перенацелить телескоп с гравитационной линзой, чтобы одна миссия могла наблюдать множество ценных целей».
Основная концепция аналогична солнечному парусу, за исключением того, что она опирается на тонкие листы радиоактивного изотопа, который использует импульс продуктов своего распада для создания тяги. По их описанию, базовая конструкция включает в себя листы тория-228 толщиной около 10 микрометров (0,01 мм). Этот естественно радиоактивный металл (обычно используемый в лучевой терапии) подвергается альфа-распаду с периодом полураспада 1,9 года. Тяга создается путем покрытия одной стороны абсорбирующим слоем толщиной ~ 50 микрометров (0,05 мм), заставляющим альфа-частицы двигаться в направлении, противоположном движению.
Космическому кораблю потребуется 30 кг (66 фунтов) тория-228, распределенного по площади более 250 м.2 (~ 2700 квадратных футов), обеспечивающий тягу более 150 км/с (93 мили/с). Для сравнения, самой быстрой миссией, которая опиралась на обычную двигательную установку, был солнечный зонд Паркер (PSP), который достиг скорости 163 км/с (101 миль/с), когда достиг ближайшей точки на своей орбите вокруг Солнца (перигелия). . Однако это произошло из-за гравитационного маневра с Венерой и притяжения Солнца.
К преимуществам этой системы можно отнести простоту, поскольку конструкция основана на известных физике и материалах. Он также обеспечивает масштабируемость для размещения небольших полезных нагрузок (например, датчиков) или более крупных миссий (например, космических телескопов). Одна обычная ракета-носитель может вывести несколько таких космических аппаратов на траекторию отхода от Солнца, что потребует скорости отхода 42,1 км/с (26 миль/с). Таблички тяги также можно переконфигурировать, чтобы обеспечить управление вектором тяги и маневры космического корабля, а это означает, что космический корабль сможет искать будущие миссии, как только достигнет глубокого космоса.
Сюда входят телескопы, направляющиеся к фокусу Солнечной гравитационной линзы (SGL), и миссии, которые будут встречаться с межзвездными объектами (ISO) и, возможно, возвращать образцы на Землю для анализа. Говоря об этом, космический корабль будет иметь резервные возможности для самостоятельной встречи с ISO и возврата образцов. Естественный распад листов также можно использовать, используя слой термоэлектрических материалов (или плиток Пельтье) для генерации избыточной электрической мощности около 50 кВт с КПД 1%. Также можно добавить слой материала, излучающего бета-частицы, чтобы нейтрализовать альфа-излучение и «вызвать смещение напряжения, которое направляет выбросы выхлопных газов и/или использует исходящий солнечный ветер».
Они также отмечают, что концепция может быть разработана с несколькими «ступенями», оснащенными актинием-227 (или другими изотопами с более длительным периодом полураспада), что приведет к более высокой скорости в течение длительного срока службы миссии. Аналогично, модифицированная версия, основанная на тории-233, может использовать ториевый топливный цикл – каскадный распад изотопа, в результате которого в конечном итоге образуется уран-232 – что приведет (по их утверждению) к увеличению производительности примерно на 500%. Очевидно, что предлагаемая технология открывает множество возможностей для будущего развития и может быть использована для выполнения нескольких профилей миссий.
Эти миссии соответствуют видению НАСА на предстоящее столетие, которое включает в себя отправку космических кораблей для близкого изучения ISO, открытия обитаемых планет в соседних звездных системах, проведения пилотируемых миссий за пределами системы Земля-Луна и поиска жизни на других небесных телах.
Дальше Чтение: НАСА
