Solsystemet är en riktigt stor plats, och det tar en evighet att resa från värld till värld med traditionella kemiska raketer. Men en teknik som utvecklades på 1960-talet kan ge ett sätt att förkorta våra restider dramatiskt:kärnraketer.

Självklart, Att skjuta upp en raket som drivs av radioaktivt material har sina egna risker, också. Ska vi försöka det?

Låt oss säga att du ville besöka Mars med en kemisk raket. Du skulle spränga av från jorden och gå in i en låg jordbana. Sedan, i rätt ögonblick, du skulle avfyra din raket, höjer din bana från solen. Den nya elliptiska banan du följer skär med Mars efter åtta månaders flygning.

Detta är känt som Hohmann-överföring, och det är det mest effektiva sättet vi vet hur vi reser i rymden med minsta mängd drivmedel och den största mängden nyttolast. Problemet såklart, är den tid det tar. Under hela resan, astronauter kommer att konsumera mat, vatten, luft, och utsättas för långvarig strålning från rymden. Då fördubblar ett returuppdrag behovet av resurser och fördubblar strålningsbelastningen.

Vi måste gå snabbare.

Det visar sig att NASA har tänkt på vad som kommer efter kemiska raketer i nästan 50 år:Nukleära termiska raketer. De påskyndar definitivt resan, men de är inte utan sina egna risker, det är därför du inte har sett dem. Men deras tid kanske är här.

1961, NASA och Atomic Energy Commission arbetade tillsammans på idén om kärnkraftsvärmeframdrivning, eller NTP. Detta var banbrytande av Werner von Braun, som hoppades att mänskliga uppdrag skulle flyga till Mars på 1980-talet på kärnraketernas vingar.

Väl, det hände inte. Men de utförde några framgångsrika tester av termisk kärnkraft och visade att det fungerar.

En kemisk raket fungerar genom att antända någon form av brandfarlig kemikalie och sedan tvinga ut avgaserna genom ett munstycke. Tack vare gamla goda Newtons tredje lag – för varje handling, det finns en lika och motsatt reaktion – raketen får en stöt i motsatt riktning från de utdrivna gaserna.

En kärnvapenraket fungerar på liknande sätt. En kula av uranbränsle i marmorstorlek genomgår klyvning, släpper ut en enorm mängd värme. Detta värmer upp väte till nästan 2, 500 grader Celsius, som sedan drivs ut på baksidan av raketen med extremt hög hastighet, ger raketen två till tre gånger så stor framdrivningseffektivitet som en kemisk raket.

Kommer du ihåg de åtta månaderna jag nämnde för en kemisk raket att resa till Mars? En termisk kärnraket kan halvera transittiden, kanske till och med till 100 dagar, vilket innebär färre resurser förbrukade av astronauterna, och en lägre strålningsbelastning.

Och det finns en annan stor fördel. Dragkraften från en kärnvapenraket kan tillåta uppdrag när Jorden och Mars inte är perfekt i linje. Just nu, om du saknar ditt fönster, du måste vänta två år till, men en kärnvapenraket kan ge dig kraften att hantera flygförseningar.

De första testerna av kärnvapenraketer startade 1955 med Project Rover vid Los Alamos Scientific Laboratory. Nyckelutvecklingen var att miniatyrisera reaktorerna tillräckligt för att passa på en raket. Under de närmaste åren, ingenjörer byggde och testade mer än ett dussin reaktorer av olika storlekar och effektuttag.

Med framgången med Project Rover, NASA har siktet inställt på de mänskliga uppdragen till Mars som skulle följa Apollo-landarna på månen. På grund av avståndet och flygtiden, de beslutade att kärnraketer skulle vara nyckeln till att göra uppdragen mer kapabla.

Kärnvapenraketer är inte utan risker, självklart. En reaktor ombord skulle vara en liten strålningskälla för astronautbesättningen ombord, detta skulle uppvägas av den minskade flygtiden. Deep space i sig är en enorm strålningsrisk, med den konstanta galaktiska kosmiska strålningen som skadar astronaut-DNA.

I slutet av 1960-talet NASA satte upp programmet Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, eller NERVA, utveckla de teknologier som skulle bli kärnraketerna som skulle ta människor till Mars.

De testade större, kraftfullare kärnraketer, i Nevadas öken, ventilerar höghastighetsvätgasen rakt ut i atmosfären. Miljölagarna var mycket mindre strikta då.

Den första NERVA NRX testades så småningom i nästan två timmar, med 28 minuter på full effekt. Och en andra motor startades 28 gånger och gick i 115 minuter.

I slutet, de testade den mest kraftfulla kärnreaktorn som någonsin byggts, Phoebus-2A-reaktorn, kan generera 4, 000 megawatt effekt, tryck i 12 minuter.

Även om de olika komponenterna faktiskt aldrig satts ihop till en flygfärdig raket, ingenjörer var nöjda med att en kärnvapenraket skulle möta behoven för en flygning till Mars. Men sedan bestämde sig USA att de inte ville åka till Mars längre - vi ville ha rymdfärjan istället. Programmet lades ner 1973, och ingen har testat kärnraketer sedan dess.

Men de senaste tekniska framstegen har gjort kärnkraftsvärmeframdrivning mer tilltalande. Tillbaka på 1960-talet, den enda bränslekällan de kunde använda var höganrikat uran. Men nu, ingenjörer tror att de klarar sig med låganrikat uran.

Detta skulle vara säkrare att arbeta med, och skulle tillåta fler raketanläggningar att köra tester. Det skulle också vara lättare att fånga upp de radioaktiva partiklarna i avgaserna och göra sig av med dem på rätt sätt. Det skulle få ner de totala kostnaderna för att arbeta med tekniken.

Den 22 maj, 2019, den amerikanska kongressen godkände 125 miljoner dollar i finansiering för utvecklingen av kärnkraftsraketer. Även om detta program inte har någon roll att spela i NASA:s Artemis 2024-återkomst till månen, den "manar NASA att utveckla en flerårsplan som möjliggör en demonstration av kärnkraftsframdrivning, inklusive tidslinjen förknippad med rymddemonstrationen och en beskrivning av framtida uppdrag och framdrivnings- och kraftsystem som möjliggörs av denna förmåga."

Kärnklyvning är ett sätt att utnyttja atomens kraft. Självklart, det kräver anrikat uran och genererar giftigt radioaktivt avfall. Vad sägs om fusion, där väteatomer pressas in i helium, släpper ut energi?

Solen har fusionerat, tack vare dess enorma massa och kärntemperatur, men tekniskt hållbart, energipositiv fusion har visat sig svårfångad.

Enorma experiment som ITER i Europa hoppas kunna upprätthålla fusionsenergi inom det närmaste decenniet eller så. Efter det, du kan föreställa dig fusionsreaktorer miniatyriserade till den grad att de kan tjäna samma roll som en fissionsreaktor i en kärnraket. Men även om ingenjörer inte kan få fusionsreaktorer till den grad att de är nettoenergipositiva, de kan fortfarande ge en enorm acceleration för mängden massa.

Och kanske behöver vi inte vänta i decennier. En forskargrupp vid Princeton Plasma Physics Laboratory arbetar med ett koncept som kallas Direct Fusion Drive, som de tror kan vara klara mycket tidigare.

Den är baserad på Princeton Field-Reversed Configuration fusionsreaktorn utvecklad 2002 av Samuel Cohen. Het plasma av helium-3 och deuterium finns i en magnetisk behållare. Helium-3 är sällsynt på jorden, och värdefullt eftersom sådana fusionsreaktioner inte kommer att generera samma mängd farlig strålning eller kärnavfall som andra fusions- eller fissionsreaktorer.

Som med fissionsraketen, en fusionsraket värmer upp ett drivmedel till höga temperaturer och spränger sedan ut det på baksidan, producerar dragkraft.

Det fungerar genom att rada upp ett gäng linjära magneter som innehåller och snurrar mycket het plasma. Antenner runt plasmat är inställda på jonernas specifika frekvens, och skapa en ström i plasman. Deras energi pumpas upp till den punkt att atomerna smälter samman, släpper ut nya partiklar. Dessa partiklar vandrar genom inneslutningsfältet tills de fångas av magnetfältslinjerna och de accelereras ut på baksidan av raketen.

I teorin, en fusionsraket skulle kunna ge 2,5 till 5 Newtons dragkraft per megawatt, med en specifik impuls på 10, 000 sekunder – kom ihåg 850 från fissionsraketer, och 450 från kemiska raketer. Det skulle också generera elektricitet som rymdfarkosten behöver långt från solen, där solpaneler inte är särskilt effektiva.

En direkt fusionsdrift skulle kunna bära ett 10-tons uppdrag till Saturnus på bara två år, eller en rymdfarkost på ett ton från jorden till Pluto på cirka fyra år. New Horizons behövde nästan 10.

Eftersom det också är en en-megawatt fusionsreaktor, det skulle också ge ström till alla rymdfarkostens instrument när den anländer, mycket mer än de kärnkraftsbatterier som för närvarande bärs av djupa rymduppdrag som Voyager och New Horizons.

Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. Under de närmaste åren, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.