Iako američki pothvat iz 1960-ih nije doveo do prave proizvodnje i uporabe nuklearnih raketnih motora, uvelike je utjecao na razvoj nuklearne tehnologije – i za vojnu i za mirnodopsku uporabu

Ideju da bi se nuklearna reakcija mogla nadzirati i uporabiti za pogon svemirskih letjelica još su 1944. godine razvili Stanisław Ulam (1909. – 1984.) i Frederic de Hoffmann (1924. – 1989.), djelatnici američkog državnog laboratorija LASL (Los Alamos Scientific Laboratory). Dvojica fizičara začetnici su teorije uporabe kontrolirane nuklearne fisije unutar reaktora te uporabe toplinske energije kao njezina produkta koji može služiti za pokretanje raketnog motora. Ideja je u početku bila slabo prihvaćena, no nakon što su na London krajem 1944. počeli padati njemački projektili V-2, situacija se iz temelja promijenila. Američki nuklearni stručnjaci vrlo su brzo izračunali da su V-2 mogli ponijeti nuklearnu bojnu glavu mase 725 kg na udaljenost od 322 km. To bi bilo dovoljno da se iz okupiranih dijelova Francuske i Belgije izravno pogodi London. Stoga su nedugo nakon rata SAD, SSSR, Ujedinjeno Kraljevstvo i Francuska počeli razvoj interkontinentalnih balističkih projektila s nuklearnim bojnim glavama.

Neki od najvećih američkih projektila trebali su biti nuklearni na vrhu i dnu, tj. imati nuklearne bojne glave i nuklearne raketne motore. Tada tajna izvješća iz srpnja 1946. unutar projekta RAND (Research and Development), koji je uključivao državne institucije, ali i tvrtke North American Aviation te Douglas Aircraft Company, sadrže prvo spominjanje mogućnosti uporabe nuklearnog raketnog pogona. U izvješću se navode prednosti te se tvrdi da se tijekom razvoja mogu riješiti svi problemi.

Isti i objavljeni zaključak

Međutim, neovisno o supertajnom RAND-u, do jednakih su spoznaja došli inženjeri Laboratorija za primijenjenu fiziku na Sveučilištu Johns Hopkins. Njihovo izvješće, naravno, nije bilo tajno te je na užas tadašnjeg Ratnog zrakoplovstva Američke kopnene vojske, koje će uskoro postati samostalna grana (USAF), u siječnju 1947. javno objavljeno. Pentagonu je postalo jasno da inženjeri širom svijeta s pomoću znanja, mašte, olovke i papira mogu otkrivati osnove nuklearne tehnologije.

To se ubrzo i ostvarilo. Tijekom 1948. i 1949. britanski zaljubljenici u svemir inženjer Val Cleaver (1917. – 1977.) i fizičar Leslie Shepherd (1918. – 2012.) objavili su u časopisu Journal of the British Interplanetary Society seriju članaka u kojima su dosta precizno razradili ideje o uporabi nuklearne energije za pokretanje raketa i svemirskih brodova. Ne treba isticati da je časopis bio i još uvijek je u slobodnoj prodaji. Otprilike u isto vrijeme Hsue-Shen Tsien (1911. – 2009.) objavio je studiju o mogućnosti uporabe nuklearne energije u raketnim i drugim pogonima. Taj znanstvenik kineskog podrijetla tad je predavao na američkom MIT-u (Massachusetts Institute of Technology), no 1950. optužen je da je kineski špijun pa je pet godina proveo u kućnom pritvoru te se 1955. vratio u Kinu. Ondje je bio vodeći stručnjak za razvoj prve kineske nuklearne, a potom i hidrogenske bojne glave.

Početno oduševljenje mogućnostima novog pogona brzo je splasnulo kad su inženjeri North Americana izračunali da bi temperatura u jezgri reaktora dosegla 1870 ºC, što je bilo otprilike dvostruko više nego što su mogle izdržati tadašnje najbolje vrste čelika. Temperatura se mogla smanjiti sustavom hlađenja, no njega bi bilo neracionalno ugrađivati u raketni motor.

No onda je američki fizičar Robert W. Bussard (1928. – 2007.), razvijajući nuklearni pogon za avione, početkom 1950-ih izračunao da su ti brojevi bili previše pesimistični. Prema njegovu mišljenju, jedini veći problem bio je pronaći materijal koji će izdržati 2000 ºC. Da bi se problem riješio, u LASL-u je osnovan Odjel za nuklearnu propulziju pod vodstvom Raemera Schreibera (1910. – 1998.). Kako bi osigurao financiranje programa, USAF je 1955. pokrenuo Projekt Rover (za raketne motore) i Projekt Pluto (za protočno-mlazne).

Sredstva stižu zbog Sputnika

Projekt Rover počeo je s dva programa – Dumbo i Condor. Oba su bila tek teorijska razmatranja s ciljem otkrivanja izazova i problema. Potom je došao program Kiwi, nazvan po novozelandskoj ptici koja ne može letjeti. Podrazumijevalo se da ni motor Kiwi neće poletjeti.

Program Kiwi-A proveden je od srpnja 1959. do listopada 1960. s ciljem potvrđivanja teorijskih rješenja u praksi. Prije svega, dokazivanja da će novorazvijeni materijali na osnovi grafita moći izdržati temperature više od 2000 ºC. Prva testiranja pokazala su da grafitni materijali mogu izdržati temperature više od 3600 ºC jer se nisu topili, već su sublimirali.

Iako je razvoj bio obećavajući, prvi američki interkontinentalni balistički projektil B-65/SM-65 Atlas dokazao je da projektili s kemijskim raketnim motorima mogu postići jednak rezultat uz znatno manje troškove. Dometa većeg od 10 000 km, mogao je dosegnuti sve ciljeve u SSSR-u. Pentagon, USAF i strateške snage naglo su izgubili interes za razvoj znatno skupljih nuklearnih raketnih motora. No, onda je SSSR dana 3. listopada 1957. u svemir lansirao satelit Sputnik I. Idućeg je mjeseca u Sputniku II u svemir odletjela kujica Lajka.

Sjedinjene Države jako su kasnile u razvoju svemirske tehnologije pa su uskoro pronađena sredstva za nastavak Kiwija. Čak je pokrenut i novi projekt Kiwi-B. Testiranja sustava Kiwi-B1A počela su 7. prosinca 1961., a potom i sustava Kiwi-B1B. Tijekom testiranja 1. rujna 1962. potonji je eksplodirao, no to nije zaustavilo razvoj.

Poboljšani Kiwi-B4A proradio je 30. studenog 1962. Projektiran je tako da pri snazi od 1100 MW i temperaturi od 2030 ºC daje potisak od 27,5 tona. No rana su testiranja pokazala nedostatke u konstrukciji (preveliku razinu vibracija). Stoga je cijela 1963. godina potrošena na rješavanje problema vibracija. Rezultat su bili testni motori Kiwi-B4D i Kiwi-B4E, koji su bili dovoljno uspješni da budu zamašnjak za projekt NERVA NRX (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application–Nuclear Rocket Experimental).

Tisuće sati rada

Kiwiji su potvrdili izvedivost nuklearnih raketnih motora, no bili su daleko od uporabljivih. Stoga je NERVA NRX bio pokušaj da se napravi motor koji bi se stvarno mogao rabiti na raketama.

To je značilo ujediniti sve komponente koje su kod Kiwija, zbog sigurnosti i potreba testiranja, bile odvojene. Teorijski gledano, nuklearni raketni motor jednostavna je spravica. Sastoji se od nuklearnog reaktora, spremnika za tekući (ohlađeni) vodik i mlaznice. U stvarnosti, bilo je ponešto složenije. Kao prvo, tekući (ukapljeni) vodik mora se čuvati na temperaturi od najmanje −253 ºC, što znači da nije bezopasan. Pritom opasnost nije bila samo u vrlo niskoj temperaturi vodika već i u činjenici da bi nekontrolirano curenje i zagrijavanje te miješanje s kisikom dovelo do eksplozije. Drugi je problem bio sigurno upravljanje i rukovanje nuklearnim reaktorom.

Tijekom rada ukapljeni bi se vodik pod tlakom dovodio do mlaznice motora kako bi je hladio. Istodobno bi se pretvarao iz tekućine u plin. Za osiguranje postojanog tlaka vodika rabila bi se turbopumpa. Na Kiwijima, turbopumpe su bile s vanjskim napajanjem (električnim) i mogle su se nadzirati zasebno. No na NERVA NRX-u turbopumpe su morale biti sastavni dio sustava. Stoga bi se za njihovo pokretanje rabio zagrijani vodik koji bi prošao s vanjske strane reaktora. Vrlo mali dio tako zagrijanog vodika odlazio bi u turbopumpe, dok bi glavnina pod tlakom ulazila u jezgru reaktora. Ondje bi se zagrijavala na 2000 ºC ili više te bi tako zagrijana i ubrzana izlazila kroz mlaznicu. Projektanti su ubrzo otkrili da je usklađivanje svih tih sustava vrlo komplicirano te zahtijeva puno sati testiranja.

Stručnjaci tvrtke Westinghouse modificirali su stoga jezgru reaktora kako bi izdržala naprezanja tijekom lansiranja. S obzirom na razine temperature, razvijeni su novi senzori za temperaturu koji su mogli mjeriti do 2650 ºC (prijašnji su mjerili do 1710 ºC). Pritom su morali pouzdano raditi u prostoru s vrlo visokom razinom radijacije. Inženjeri Aerojeta i Westinghousea utrošili su tisuće sati rada samo na teorijsku provjeru pouzdanosti svake komponente motora, i to prije nego što su počele stotine sati testiranja motora.

Prvi motor NERVA A2 prvi je put pokrenut 24. rujna 1964. Dostigao je punu snagu od 1096 MW. Još je važnije bilo da je radio bez većih poteškoća. Zahvaljujući tome, ubrzo je napravljen motor NERVA A3. Prvi je put proradio 23. travnja 1965. Usprkos problemima s nadzorom protoka vodika, sva su testiranja bila uspješna.

Preživio je nezgodu

Velik je korak naprijed trebao biti motor NERVA NRX/EST (Engine System Test). Projektiran je tako da ima sposobnost autonomnog pokretanja i zaustavljanja. Stoga je sustav nadzora rada bio puno složeniji od svih prethodnih. Posebna je pažnja posvećena nadzoru tijekom pokretanja, gašenja, hlađenja i ponovnog pokretanja. Ti su detalji bili nužni za uporabu motora na svemirskim brodovima za duga putovanja. NERVA NRX/EST trebao je i dokazati da motori mogu izdržati dugo vrijeme rada uz povremene promjene u snazi. To se prije svega odnosilo na jezgru reaktora koja je morala ostati stabilna i nakon višekratnih paljenja i gašenja. Na testiranjima obavljenim tijekom veljače i ožujka 1965. motor je pokretan 11 puta. Ukupno 28 minuta radio je punom snagom.

Slijedila su testiranja motora NRX A5, A6, A7 i A8. Motor NRX A5 čak je “preživio” i nezgodu kad je tijekom testiranja u njega uletjela ptica.

Još napredniji NERVA XE bio je projektiran tako da bude prototip motora koji će se rabiti na raketama koje će ponijeti američke astronaute u svemir. Stoga je dodana zaštita od širenja radijacije. Prvi put od početka programa uključene su mjere i postupci koji su trebali dovesti do nadzora nad troškovima proizvodnje. Testiranje motora NERVA XE počelo je 1969. godine. Motor je ukupno radio 115 minuta te je 28 puta uspješno pokretan i gašen. Kako nije bilo većih problema u radu, NASA je službeno objavila da je projekt NERVA došao do faze kad ga se može uporabiti kao pogon za svemirske brodove koji će astronaute prevesti do Marsa.

Idući korak bio je motor NERVA XE Prime. Bio je dug 6,9 m, promjera 2,59 m i mase 18 144 kg. Reaktor je trebao davati snagu od 1140 MW pri temperaturi jezgre od 2000 ºC. To je trebalo biti dostatno za potisak od 246 663 njutna. Testiranja su obavljana između 4. prosinca 1968. te 11. rujna 1969. godine. Pritom je motor pod punom snagom radio 1680 sekundi te je startan 28 puta.

Idući korak trebalo je biti testiranje motora u svemiru, u bestežinskom stanju na apsolutnoj nuli. Za to je trebao poslužiti raketoplan Space Shuttle koji bi motor prenio u svemir te ga nakon testiranja vratio na Zemlju. No prije nego što je Space Shuttle dovršen, predsjednik Richard Nixon (1913. – 1994.), obustavio je 1973. financiranje projekta NERVA. Tijekom 17 godina razvoja nuklearnog raketnog motora američki porezni obveznici za to su platili oko 1,4 milijarde dolara, a predviđalo se da bi do uspješnog okončanja projekta morali dati još barem toliko.

Tekst: Mario GALIĆ