Med drömmar om Mars i huvudet på både NASA och Elon Musk, långdistansbesättningsuppdrag genom rymden kommer. Men du kanske blir förvånad över att höra att moderna raketer inte går så mycket snabbare än förr i tiden.

Det finns många anledningar till att ett snabbare rymdskepp är bättre, och kärnkraftsdrivna raketer är ett sätt att göra detta. De erbjuder många fördelar jämfört med traditionella bränslebrännande raketer eller moderna soldrivna elektriska raketer, men det har bara skett åtta amerikanska rymduppskjutningar med kärnreaktorer under de senaste 40 åren.

Dock, förra året ändrades lagarna som reglerar kärntekniska rymdflygningar och arbetet har redan börjat med denna nästa generation av raketer.

Varför behovet av snabbhet?

Det första steget på en rymdresa innebär att man använder raketer för att få ett skepp i omloppsbana. Det här är de stora bränsleförbrännande motorerna folk föreställer sig när de tänker på raketuppskjutningar och kommer sannolikt inte att försvinna inom en överskådlig framtid på grund av tyngdkraftens begränsningar.

Det är när ett skepp når rymden som det blir intressant. För att undkomma jordens gravitation och nå destinationer i rymden, fartyg behöver ytterligare acceleration. Det är här kärnkraftssystem kommer in i bilden. Om astronauter vill utforska något längre än månen och kanske Mars, de kommer att behöva gå väldigt väldigt snabbt. Utrymmet är enormt, och allt är långt borta.

Det finns två anledningar till att snabbare raketer är bättre för långväga rymdresor:säkerhet och tid.

Astronauter på en resa till Mars skulle utsättas för mycket höga nivåer av strålning som kan orsaka allvarliga långsiktiga hälsoproblem som cancer och sterilitet. Strålningsskärmning kan hjälpa, men det är extremt tungt, och ju längre uppdraget är, desto mer avskärmning behövs. Ett bättre sätt att minska strålningsexponeringen är att helt enkelt ta dig dit du ska snabbare.

Men mänsklig säkerhet är inte den enda fördelen. När rymdorganisationer undersöker längre ut i rymden, det är viktigt att få data från obemannade uppdrag så snart som möjligt. Det tog Voyager-2 12 år bara att nå Neptunus, där den tog några otroliga bilder när den flög förbi. Om Voyager-2 hade ett snabbare framdrivningssystem, astronomer kunde ha haft dessa foton och informationen de innehöll år tidigare.

Hastigheten är bra. Men varför är kärnkraftssystem snabbare?

Dagens system

När ett skepp väl har undkommit jordens gravitation, det finns tre viktiga aspekter att tänka på när man jämför ett framdrivningssystem:

• Thrust – hur snabbt ett system kan accelerera ett fartyg
• Masseffektivitet – hur mycket dragkraft ett system kan producera för en given mängd bränsle
• Energitäthet – hur mycket energi en given mängd bränsle kan producera

I dag, de vanligaste framdrivningssystemen som används är kemisk framdrivning – dvs. vanliga bränslebrännande raketer — och soldrivna elektriska framdrivningssystem.

Kemiska framdrivningssystem ger mycket dragkraft, men kemiska raketer är inte särskilt effektiva, och raketbränsle är inte så energitätt. Saturn V-raketen som tog astronauter till månen producerade 35 miljoner Newtons kraft vid lyftet och bar 950, 000 liter bränsle. Medan det mesta av bränslet användes för att få raketen i omloppsbana, begränsningarna är uppenbara:Det krävs mycket tungt bränsle för att komma någonstans.

Elektriska framdrivningssystem genererar dragkraft med hjälp av el producerad från solpaneler. Det vanligaste sättet att göra detta är att använda ett elektriskt fält för att accelerera joner, som i Hall-propellern. Dessa enheter används vanligtvis för att driva satelliter och kan ha mer än fem gånger högre masseffektivitet än kemiska system. Men de producerar mycket mindre dragkraft – ungefär tre Newton, eller bara tillräckligt för att accelerera en bil från 0-60 mph på ungefär två och en halv timme. Energikällan – solen – är i princip oändlig men blir mindre användbar ju längre bort från solen skeppet kommer.

En av anledningarna till att kärnkraftsdrivna raketer är lovande är att de erbjuder otrolig energitäthet. Uranbränslet som används i kärnreaktorer har en energitäthet som är 4 miljoner gånger högre än hydrazin, ett typiskt kemiskt raketdrivmedel. Det är mycket lättare att få en liten mängd uran till rymden än hundratusentals liter bränsle.

Så hur är det med dragkraft och masseffektivitet?

Två alternativ för kärnkraft

Ingenjörer har designat två huvudtyper av kärnkraftssystem för rymdresor.

Den första kallas nukleär termisk framdrivning. Dessa system är mycket kraftfulla och måttligt effektiva. De använder en liten kärnklyvningsreaktor – liknande de som finns i kärnubåtar – för att värma upp en gas, som väte, och den gasen accelereras sedan genom ett raketmunstycke för att ge dragkraft. Ingenjörer från NASA uppskattar att ett uppdrag till Mars som drivs av termisk kärnkraft skulle vara 20-25% kortare än en resa med en kemisk-driven raket.

Nukleära termiska framdrivningssystem är mer än dubbelt så effektiva som kemiska framdrivningssystem – vilket innebär att de genererar dubbelt så mycket dragkraft med samma mängd drivmedelsmassa – och kan leverera 100, 000 Newtons dragkraft. Det är tillräckligt med kraft för att få en bil från 0-60 mph på ungefär en kvarts sekund.

Det andra kärnkraftsbaserade raketsystemet kallas nukleär elektrisk framdrivning. Inga kärnkraftssystem har byggts ännu, men tanken är att använda en högeffektiv fissionsreaktor för att generera elektricitet som sedan skulle driva ett elektriskt framdrivningssystem som en Hall-propeller. Detta skulle vara mycket effektivt, ungefär tre gånger bättre än ett kärnkraftstermiskt framdrivningssystem. Eftersom kärnreaktorn kan skapa mycket kraft, många individuella elektriska thrustrar kan användas samtidigt för att generera en bra mängd dragkraft.

Kärnkraftssystem skulle vara det bästa valet för extremt långväga uppdrag eftersom de inte kräver solenergi, har mycket hög verkningsgrad och kan ge relativt hög dragkraft. Men medan kärnkraftsraketer är extremt lovande, det finns fortfarande många tekniska problem att lösa innan de tas i bruk.

Varför finns det inte kärnkraftsdrivna raketer än?

Nukleära termiska framdrivningssystem har studerats sedan 1960-talet men har ännu inte flugit i rymden.

Föreskrifter som först infördes i USA på 1970-talet krävde i huvudsak granskning från fall till fall och godkännande av alla kärntekniska rymdprojekt från flera statliga myndigheter och uttryckligt godkännande från presidenten. Tillsammans med bristande finansiering för forskning om kärnraketsystem, denna miljö förhindrade ytterligare förbättringar av kärnreaktorer för användning i rymden.

Allt förändrades när Trump-administrationen utfärdade ett presidentmemorandum i augusti 2019. Samtidigt som man upprätthöll behovet av att hålla kärnvapenuppskjutningar så säkra som möjligt, det nya direktivet tillåter kärnkraftsuppdrag med lägre mängder kärnmaterial att hoppa över godkännandeprocessen för flera organ. Endast sponsringsbyrån, som NASA, till exempel, måste intyga att uppdraget uppfyller säkerhetsrekommendationerna. Större kärnkraftsuppdrag skulle gå igenom samma process som tidigare.

Tillsammans med denna översyn av reglerna, NASA fick 100 miljoner USD i budgeten för 2019 för att utveckla kärnkraftverk. DARPA utvecklar också ett termiskt framdrivningssystem för kärnkraft för att möjliggöra nationella säkerhetsoperationer bortom jordens omloppsbana.

Efter 60 år av stagnation, det är möjligt att en kärnkraftsdriven raket är på väg till rymden inom ett decennium. Denna spännande prestation kommer att inleda en ny era av rymdutforskning. Människor kommer att åka till Mars och vetenskapliga experiment kommer att göra nya upptäckter över hela vårt solsystem och utanför.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.