En amerikansk professor förklarar varför kärnraketmotorer är mer effektiva än kemiska. Därför är det de som kommer att hjälpa till att utforska Mars och allt bortom det. Men han tänker inte på frågan om NASA kommer att ha tillräckligt med pengar för att utveckla sådana motorer, om Pentagon också är engagerad i dem, och han ges först.
NASA och Elon Musk drömmer om Mars och bemannade djupa rymduppdrag kommer snart att bli verklighet. Du kommer förmodligen att bli förvånad, men moderna raketer flyger lite snabbare än tidigare raketer.
Snabb rymdskepp är bekvämare av olika skäl, och det bästa sättet att accelerera är med kärnkraftsdrivna raketer. De har många fördelar jämfört med konventionella bränsledrivna raketer eller moderna solkraftsdrivna elektriska raketer, men under de senaste 40 åren har USA bara lanserat åtta kärnkraftsdrivna raketer.
Under det gångna året ändrades dock lagarna om kärnkraftsresor och arbetet med nästa generation av raketer har redan börjat.
Varför behövs hastighet?
I det första steget av någon flygning ut i rymden behövs ett lanseringsfordon - det tar fartyget in i bana. Dessa stora motorer kör på brännbart bränsle - och vanligtvis när det gäller att lansera raketer, menar de dem. De kommer inte att gå någonstans när som helst - inte heller tyngdkraften.
Men när fartyget kommer in i rymden blir saker mer intressanta. För att övervinna jordens allvar och gå in i djup rymden behöver fartyget ytterligare acceleration. Det är här kärnkraftssystem spelar in. Om astronauter vill utforska något bortom månen, eller ännu mer Mars, måste de skynda sig. Kosmos är enormt och avståndet är ganska stort.
Kampanjvideo:
Det finns två skäl till varför snabba raketer är bättre lämpade för utrymme på lång väg: säkerhet och tid.
På vägen till Mars står astronauter inför mycket höga strålningsnivåer, fyllda med allvarliga hälsoproblem, inklusive cancer och infertilitet. Strålningsskärmning kan hjälpa, men det är extremt tungt och ju längre uppdraget är, desto kraftigare skärmning behövs. Därför är det bästa sättet att minska strålningsdosen helt enkelt att komma till din destination snabbare.
Men besättningens säkerhet är inte den enda fördelen. Ju längre flygningar vi planerar, desto tidigare behöver vi data från obemannade uppdrag. Det tog Voyager 2 12 år att nå Neptune - och när det flög förbi tog det några otroliga bilder. Om Voyager hade en kraftfullare motor, skulle dessa fotografier och data ha dykt upp i astronomer mycket tidigare.
Så hastighet är en fördel. Men varför är kärnkraftssystem snabbare?
Dagens system
Efter att ha övervunnit tyngdkraften måste fartyget beakta tre viktiga aspekter.
De vanligaste idag är kemiska motorer - det vill säga konventionella bränsledrivna raketer och solkraftsdrivna elektriska raketer.
Kemiska framdrivningssystem ger mycket kraft men är inte särskilt effektiva och raketbränsle är inte särskilt energikrävande. Raketen från Saturn 5 som transporterade astronauterna till månen producerade 35 miljoner kraftton vid start och bar 950 000 gallon (4 318 877 liter) bränsle. Det mesta gick för att få raket till bana, så begränsningarna är uppenbara: var du än går, behöver du mycket tungt bränsle.
Elektriska framdrivningssystem genererar drivkraft med hjälp av elektricitet från solpaneler. Det vanligaste sättet att uppnå detta är att använda ett elektriskt fält för att påskynda joner, till exempel i en Hall-induktionspropeller. Dessa enheter används för att driva satelliter, och deras vikteffektivitet är fem gånger den för kemiska system. Men samtidigt ger de mycket mindre kraft - ungefär 3 newton. Detta räcker bara för att påskynda bilen från 0 till 100 kilometer per timme på cirka två och en halv timme. Solen är i huvudsak en bottenlös energikälla, men ju längre fartyget rör sig bort från det, desto mindre användbart är det.
En av orsakerna till att kärnmissiler är särskilt lovande är deras otroliga energiintensitet. Uranbränsle som används i kärnreaktorer har en energiintensitet på 4 miljoner gånger högre än hydrazin, ett typiskt kemiskt raketbränsle. Och det är mycket lättare att få uran ut i rymden än hundratusentals liter bränsle.
Hur är det med dragkraft och vikteffektivitet?
Två kärnkraftsalternativ
För rymdresor har ingenjörer utvecklat två huvudtyper av kärnkraftssystem.
Den första är en termonukleär motor. Dessa system är mycket kraftfulla och mycket effektiva. De använder en liten kärnkraftsreaktor - som de på kärnbåtarna - för att värma en gas (som väte). Denna gas accelereras sedan genom raketmunstycket för att tillhandahålla tryckkraft. NASA-ingenjörer har beräknat att en resa till Mars med en termonukleär motor är 20-25% snabbare än en raket med en kemisk motor.
Fusionsmotorer är mer än dubbelt så effektiva som kemiska motorer. Det betyder att de levererar dubbelt så mycket drivkraft för samma mängd bränsle - upp till 100 000 Newtons drivkraft. Detta räcker för att påskynda bilen till 100 kilometer i timmen på ungefär en kvarts sekund.
Det andra systemet är en kärnkrafts raketmotor (NEP). Ingen av dem har skapats än, men tanken är att använda en kraftfull klyvningsreaktor för att generera elektricitet, som sedan kommer att driva ett elektriskt framdrivningssystem som en Hall-motor. Det skulle vara mycket effektivt - ungefär tre gånger mer effektivt än en fusionsmotor. Eftersom kraften i en kärnreaktor är enorm kan flera separata elektriska motorer fungera på samma gång, och drivkraften kommer att visa sig vara fast.
Kärnraketmotorer är kanske det bästa valet för extremt långväga uppdrag: de behöver inte solenergi, är mycket effektiva och ger relativt högt drivkraft. Men av allt deras lovande natur har kärnkraftsframdrivningssystemet fortfarande många tekniska problem som måste lösas innan de tas i drift.
Varför finns det fortfarande inga kärnkraftsdrivna missiler?
Fusionsmotorer har studerats sedan 1960-talet, men de har ännu inte flytt ut i rymden.
Enligt stadgan från 1970-talet betraktades varje kärnkraftsprojekt separat och kunde inte gå längre utan godkännande av ett antal myndigheter och presidenten själv. Tillsammans med bristen på finansiering för forskning om kärnmissilsystem har detta förhindrat vidareutveckling av kärnreaktorer för användning i rymden.
Men allt detta förändrades i augusti 2019 när Trump-administrationen utfärdade ett presidentmemorandum. Medan man insisterar på maximal säkerhet vid kärnkraftslanseringar tillåter det nya direktivet fortfarande kärnkraftsuppdrag med låga mängder radioaktivt material utan komplicerat godkännande av interagency. En bekräftelse från ett sponsororgan som NASA att uppdraget uppfyller säkerhetsrekommendationerna är tillräckligt. Stora kärnkraftsuppdrag genomgår samma förfaranden som tidigare.
Tillsammans med denna revidering av reglerna fick NASA 100 miljoner dollar från budgeten för 2019 för utveckling av termonukleära motorer. Försvarsbyrån för forskningsprojekt utvecklar också en termonukleär rymdmotor för nationella säkerhetsoperationer bortom jordens omloppsbana.
Efter 60 års stagnation är det möjligt att en kärnvapen kommer att gå ut i rymden inom ett decennium. Denna otroliga prestation kommer att inledas i en ny era av rymdutforskning. Mannen kommer att gå till Mars, och vetenskapliga experiment leder till nya upptäckter i hela solsystemet och därefter.
Iain Boyd är professor i flyg- och rymdteknik vid University of Colorado i Boulder
