Kako nije imao previše uspjeha s avionima na nuklearni pogon, SAD se okrenuo sličnim rješenjima za strateške projektile, a potom za svemirske letjelice

Razvoj nuklearnog pogona za avione kod obiju se hladnoratovskih strana nije pokazao posebno prosperitetnim. Bio je to koncept koji je složen, skup i opasan za posadu i okoliš. Osim toga, razvoj turbomlaznih motora bio je tako brz da su do kraja 1960-ih gotovo dosegli sve prednosti nuklearnog pogona. Na kraju su tehnički jednostavni sustavi za dopunu goriva u letu riješili i problem doleta. Međutim, postojalo je područje koje je još uvijek pružalo mogućnost napretka – razvoj raketnih motora s nuklearnim pogonom, posebno ako se on ugradi na balističke ili krstareće projektile koji su ionako naoružani nuklearnim bojnim glavama ili se ugradi u rakete koje će u svemir ponijeti ljude, svemirske brodove ili satelite.

NERVA je pokrata od Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application i odnosi se na raketne motore s nuklearnim pogonom. Nuklearni raketni motor je raketni motor čiji se princip temelji na nuklearnoj reakciji ili radioaktivnom raspadu, pri čemu se oslobađa energija koja zagrijava radni fluid, što mogu biti produkti reakcije ili neke druge tvari, poput vodika. Postoji nekoliko vrsta raketnih motora koji koriste opisani princip rada: nuklearni, radioizotopni, termonuklearni. Korištenjem nuklearnih raketnih motora mogu se dobiti znatno veće specifične vrijednosti impulsa od onih koje se mogu dobiti od kemijskih raketnih motora. Visoka vrijednost specifičnog impulsa objašnjava se velikom brzinom odljeva radnog fluida – oko osam do 50 km/s. Potisna sila nuklearnog raketnog motora usporediva je sa silom kemijskih motora, no vrijeme rada im je neusporedivo dulje, što omogućava postizanje većih dometa i većih brzina leta.

Za razliku od nuklearnih pogona za avione, nuklearni raketni motori vrlo su jednostavne konstrukcije. Sastoje se od vrlo jednostavnog nuklearnog reaktora koji u osnovi ne mora imati sustav za nadzor rada. Kroz zagrijanu jezgru reaktora pod tlakom se pušta radni fluid (najčešće vodik), koji se zbog snažnog zagrijavanja ubrzava i stvara potisak. Brzina protoka ograničena je maksimalnom temperaturom radne tekućine, koja pak izravno ovisi o maksimalno dopuštenoj temperaturi strukturnih elemenata, a ne prelazi 2700 ºC. S obzirom na način rada, nuklearni raketni motori uspješno djeluju unutar Zemljine atmosfere i izvan nje te su pogodni i za uporabu u svemiru. Zbog toga su razvijeni planovi i projekti koji su predviđali njihovu uporabu na svemirskim brodovima namijenjenim međuplanetarnim letovima.

Novac za NASA-u

Prvi američki proces razvoja nuklearnog raketnog motora nosio je ime Projekt Rover. Pokrenut je 1955. i trajao do 1973. godine. Financiralo ga je Američko ratno zrakoplovstvo (USAF), a za njegovo upravljanje bio je zadužen Los Alamos Scientific Laboratory (LASL). Cilj Rovera bio je razvoj motora koji bi se koristili u drugom stupnju interkontinentalnih balističkih projektila te bi im omogućili vrlo velike domete i nosivost. Iako je Projekt Rover pokrenut kao vojni, prebačen je 1958. u nadležnost NASA-e (National Aeronautics and Space Administration) i Komisije za atomsku energiju (Atomic Energy Commission – AEC), a upravljanje je prepušteno Uredu za svemirsku nuklearnu propulziju (Space Nuclear Propulsion Office – SNPO). Razlog je bio Sputnik, prvi umjetni satelit koji je SSSR uspješno lansirao u orbitu 4. listopada 1957. godine. On je potaknuo svemirsku utrku, što je za posljedicu imalo preusmjeravanje iznimno velikih proračunskih sredstava u NASA-u. Budući da se tad vjerovalo da je nuklearni pogon najbolje rješenje za svemirske letove, projekt Rover prepušten je NASA-i i tako je postao sastavni dio projekta NERVA. Zanimljivo je da je AEC dana 2. listopada 1957. odlučio ukinuti Projekt Rover kao neperspektivan, no vrlo brzo postaje osnova za projekt NERVA.

U početku je glavni cilj bio razvoj nuklearnih motora za rakete koje će ponijeti svemirske brodove do Mjeseca. Nuklearni pogon namjeravali su rabiti na drugom i/ili trećem stupnju rakete Saturn V. Međutim, kako su testiranja kemijskih raketnih motora pokazala da će njihova snaga biti dostatna za pokretanje Saturna V, od toga se odustalo, ponajprije zato što su troškovi razvoja i proizvodnje klasičnih kemijskih raketnih motora bili višestruko niži od troškova nuklearnih raketnih motora.

Kako do Crvenog Planeta?

Ideja ipak nije potpuno odbačena. Nastavljena je kroz projekt razvoja svemirskog broda koji bi ljudsku posadu doveo do Marsa. Kako od Zemlje do Marsa ima oko 225 milijuna kilometara, uporaba kemijskih raketnih motora bila bi neracionalna, to prije jer je jedan od prijedloga bio gradnja svemirskog broda u Zemljinoj orbiti. Pritom bi na prijevoz goriva za raketne motore trebao jednak broj letova kao i za ostatak broda. Prijevoz znatno manjih i kompaktnijih nuklearnih raketnih motora bio bi puno jednostavniji. Osim toga, tijekom leta energija iz nuklearnih reaktora mogla bi se rabiti i za proizvodnju električne energije, a da pritom snaga motora ne bude bitno manja. Bez obzira na trajanje misije, nuklearni raketni motori davali bi dostatno energije i za povratak.

Dosad je do Marsa najbrže stigla svemirska letjelica Mariner 7 nakon 128 dana leta, a najsporije Viking 2 nakon 333 dana. NASA je planirala da će svemirski brod s ljudskom posadom do Marsa poslati 1978., a da će prvu bazu na površini planeta početi graditi 1981. godine. Međutim, kako SSSR nikad nije poslao astronaute na Mjesec niti je pokazao bilo kakvu namjeru za slanje svemirskih brodova s ljudskom posadom na Mars, američki planovi za osvajanje Marsa naglo su izgubili na političkoj privlačnosti, posebno zato što bi njihovo ostvarenje zahtijevalo golema proračunska sredstva. Iako je Kongres uporno podržavao nastavak projekta, tadašnji predsjednik Richard Nixon (1913. – 1994.) odlučio ga je obustaviti. Neki autori čak navode da je to učinio iz osvete jer je Kongres odbio nastaviti financiranje projekta nadzvučnog putničkog aviona Boeing 2707 koji je podržavao. U svakom slučaju, NASA je službenu obustavu programa objavila 5. siječnja 1973. (opširnije o programima Rover i NERVA u idućem nastavku podlistka).

Bez političke (a to znači financijske) potpore, razvoj nuklearnih raketnih motora u SAD-u na dulje se vrijeme ugasio. NASA nije imala sredstva, a privatnim je tvrtkama bio preskup da bi ga samostalno razvijale. Usto, nisu znale ni za koji bi ga projekt uporabile. Do promjene je došlo 1983. i pokretanja razvoja strateškog sustava Strategic Defense Initiative (SDI), kolokvijalno nazvanog Star Wars. Razvoj sustava pokrenuo je predsjednik Ronald Reagan (1911. – 2004.). U svrhu provedbe programa utemeljena je 1984. godine Strategic Defense Initiative Organization (SDIO). Unutar SDI-ja trebalo je razviti brojne sustave kojima bi se Sjedinjene Države obranile od napada sovjetskih balističkih projektila s nuklearnim bojnim glavama. Važan dio sustava trebali su biti sateliti s laserima koji bi balističke projektile obarali u vrlo ranoj fazi leta, još dok su u atmosferi (a to znači iznad SSSR-a) ili neposredno nakon izlaska iz nje. Osim toga, u Zemljinu orbitu trebalo je lansirati i velik broj izvidničkih satelita opremljenih radarskim i infracrvenim motrilačkim sustavima koji bi pokrivali cijelu Zemlju zbog opasnosti od iznenadnih napada balističkim projektilima lansiranim s podmornica.

I danas aktualno

Pentagon i USAF tvrdili su da će im za ostvarenje Star Warsa trebati iznimno snažni raketni motori koji će u geostacionarnu orbitu moći ponijeti vrlo teške terete. Stoga je u veljači 1983. pokrenut projekt razvoja naprednog nuklearnog raketnog motora SP-100. Kao osnova trebala je poslužiti nova vrsta nuklearnog reaktora razvijena u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven. Nazvan je Pebble-Bed Reactor (PBR), što bi u slobodnom prijevodu značilo reaktor na šljunčanoj podlozi. PBR se i danas smatra rješenjem budućnosti. Dizajn zahtijeva jezgru koja je, za razliku od klasičnih reaktora koji se pune gorivom u šipkama, napunjena kuglicama goriva (šljunkovitim gorivom). Jezgru tih kuglica tvori uranijev oksid omotan dvama slojevima silicijeva karbida i jednim slojem pirolitičkog ugljika. Cijeli taj proces zbiva se unutar grafitne školjke. Svakog bi se dana komadi šljunka uklanjali s dna kako se gorivo troši, a svježi šljunak dodavao bi se na vrh, čime bi se eliminirala potreba za gašenjem reaktora zbog punjenja. Velika je prednost PBR-a svojstvo samoregulacije rada. Ako gorivo postane prevruće, ono počinje apsorbirati neutrone, isključujući lančanu reakciju. Plin helij protječe kroz prostore između sfera, odvodeći toplinu reakcijskog goriva. Taj se vrući plin (koji je inertan, tako da curenje ne bi bilo radioaktivno) tad može koristiti za prednje turbine za proizvodnju električne energije ili poslužiti u “egzotičnijoj” uporabi, poput proizvodnje vodika, pročišćavanja ulja iz škriljevaca ili desalinizacije vode. S obzirom na vrstu goriva, PBR-i mogu biti i vrlo malih dimenzija, a da pritom proizvode veliku količinu energije. U tom slučaju potrebno ih je češće dopunjavati gorivom. Testni PBR-i razvijeni u Kini i Južnoj Koreji postizali su temperature jezgre reaktora od 621 ºC; oni razvijeni u Njemačkoj 850 ºC, a u SAD-u 999 ºC. Razvoj PBR-a i dalje traje. Tri američke tvrtke – BWXT Advance Technologies, General Atomics Electromagnetic Systems (na osnovi projekta tvrtke X-energy LLC) te Ultra Safe Nuclear Technologies, svaka pojedinačno, razvile su još napredniji projekt PBR-a u kojem se umjesto šljunka rabe kugle s gorivom i taj način dodatno olakšava upravljanje. Pentagon je 2019. godine pokrenuo projekt Pele za razvoj dostatno malog reaktorskog postrojenja koje bi bilo mobilno, a davalo bi do pet megavata snage. Za gradnju prvog postrojenja odabrana je zrakoplovna baza Eielson na Aljasci.

SAD je na osnovi PBR-a želio unutar tajnog programa Project Timber Wind razviti jeftine raketne motore snage oko 100 kW koji bi mogli raditi u svemiru. Projekt je trajao od 1987. do 1991. godine. U listopadu 1991. preuzeo ga je USAF, kako bi postao osnova za još ambiciozniji program Space Nuclear Thermal Propulsion (SNTP). No, i on je ubrzo, u siječnju 1994., okončan.

Gašenjem projekta SNTP nije se ugasila ideja o uporabi nuklearnog pogona u svemiru. NASA je 2013. objavila da je pokrenula trogodišnji program procjene mogućnosti razvoja naprednih nuklearnih raketnih motora koji bi se rabili prije svega na svemirskim brodovima namijenjenim prijevozu astronauta do Marsa. Projekt je nazvan Nuclear Cryogenic Propulsion Stage. NASA je procijenila da bi uporabom nuklearnog pogona vrijeme leta do Marsa mogla skratiti s osam do devet mjeseci – koliko je potrebno kemijskim motorima – na svega tri do četiri mjeseca. Kongres je na tim osnovama 22. svibnja 2019. odobrio početna sredstva od 125 milijuna dolara za nastavak istraživanja.

Tekst: Mario GALIĆ