Proyek Roket Nuklir NASA Bertujuan Capai Planet Mars Hanya dalam 45 Hari
Ini dan misi lain yang akan membawa astronot melampaui Orbit Bumi Rendah (LEO) dan sistem Bumi-Bulan membutuhkan teknologi baru, mulai dari pendukung kehidupan dan pelindung radiasi hingga tenaga dan propulsi.
Dan dalam hal yang terakhir, Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) adalah pesaing teratas!
NASA dan program luar angkasa Soviet menghabiskan beberapa dekade untuk meneliti propulsi nuklir selama Space Race.
Beberapa tahun yang lalu, NASA menyalakan kembali program nuklirnya untuk tujuan mengembangkan propulsi nuklir bimodal – sistem dua bagian yang terdiri dari elemen NTP dan NEP – yang memungkinkan transit ke Mars dalam 100 hari.
Sebagai bagian dari program NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) untuk tahun 2023, NASA memilih konsep nuklir untuk pengembangan Tahap I. Sistem propulsi nuklir bimodal kelas baru ini menggunakan " siklus topping rotor gelombang " dan dapat mengurangi waktu transit ke Mars menjadi hanya 45 hari.
Proposal berjudul " Bimodal NTP/NEP dengan Siklus Topping Rotor Gelombang," diajukan oleh Prof. Ryan Gosse, Kepala Area Program Hipersonik di University of Florida dan anggota tim Florida Applied Research in Engineering (FLARE)..
Proposal Gosse adalah salah satu dari 14 yang dipilih oleh NAIC tahun ini untuk pengembangan Tahap I, yang mencakup hibah US$12.500 untuk membantu pematangan teknologi dan metode yang terlibat. Proposal lain termasuk sensor inovatif, instrumen, teknik pembuatan, sistem tenaga, dan banyak lagi.
Propulsi nuklir pada dasarnya bermuara pada dua konsep, yang keduanya bergantung pada teknologi yang telah diuji dan divalidasi secara menyeluruh.
Untuk Nuclear-Thermal Propulsion (NTP), siklus terdiri dari propelan hidrogen cair pemanas reaktor nuklir (LH2), mengubahnya menjadi gas hidrogen terionisasi (plasma) yang kemudian disalurkan melalui nosel untuk menghasilkan daya dorong.
Beberapa upaya telah dilakukan untuk membangun pengujian sistem propulsi ini, termasuk Project Rover, sebuah upaya kolaboratif antara Angkatan Udara AS dan Komisi Energi Atom (AEC) yang diluncurkan pada tahun 1955.
Pada tahun 1959, NASA mengambil alih dari USAF, dan program tersebut memasuki fase baru yang didedikasikan untuk aplikasi penerbangan luar angkasa. Hal ini akhirnya mengarah pada Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), sebuah reaktor nuklir inti padat yang berhasil diuji.
Dengan ditutupnya Era Apollo pada tahun 1973, pendanaan program berkurang secara drastis, menyebabkan pembatalannya sebelum tes penerbangan dapat dilakukan. Sementara itu, Soviet mengembangkan konsep NTP mereka sendiri ( RD-0410 ) antara tahun 1965 dan 1980 dan melakukan satu uji lapangan sebelum pembatalan program.
Nuclear-Electric Propulsion (NEP), di sisi lain, bergantung pada reaktor nuklir untuk menyediakan listrik ke pendorong Hall-Effect (mesin ion), yang menghasilkan medan elektromagnetik yang mengionisasi dan mempercepat gas inert (seperti xenon) untuk menciptakan dorongan. Upaya pengembangan teknologi ini antara lain dilakukan oleh NASA Nuclear Systems Initiative (NSI) Project Prometheus (2003 hingga 2005).
Kedua sistem memiliki keunggulan yang cukup besar dibandingkan propulsi kimia konvensional, termasuk peringkat impuls spesifik (Isp) yang lebih tinggi, efisiensi bahan bakar, dan kepadatan energi yang hampir tidak terbatas.
Sementara konsep NEP dibedakan untuk menyediakan lebih dari 10.000 detik Isp, yang berarti mereka dapat mempertahankan daya dorong selama hampir tiga jam, tingkat daya dorongnya cukup rendah dibandingkan dengan roket konvensional dan NTP.
Kebutuhan akan sumber tenaga listrik, kata Gosse, juga memunculkan isu penolakan panas di ruang angkasa – di mana konversi energi panas adalah 30-40 persen dalam keadaan ideal.
Dan sementara desain NTP NERVA adalah metode yang lebih disukai untuk misi berawak ke Mars dan sekitarnya, metode ini juga memiliki masalah dalam menyediakan fraksi massa awal dan akhir yang memadai untuk misi delta-v tinggi.
Inilah mengapa proposal yang menyertakan kedua metode propulsi (bimodal) lebih disukai, karena akan menggabungkan keunggulan keduanya. Proposal Gosse menyerukan desain bimodal berdasarkan reaktor NERVA inti padat yang akan memberikan impuls spesifik (Isp) 900 detik, dua kali kinerja roket kimia saat ini.
Siklus yang diusulkan Gosse juga mencakup supercharger gelombang tekanan – atau Rotor Gelombang (WR) – sebuah teknologi yang digunakan dalam mesin pembakaran internal yang memanfaatkan gelombang tekanan yang dihasilkan oleh reaksi untuk menekan udara masuk.
Ketika dipasangkan dengan mesin NTP, WR akan menggunakan tekanan yang diciptakan oleh pemanasan reaktor dari bahan bakar LH2 untuk menekan massa reaksi lebih lanjut. Seperti yang dijanjikan Gosse, ini akan memberikan tingkat dorongan yang sebanding dengan konsep NTP kelas NERVA tetapi dengan ISP 1400-2000 detik. Ketika dipasangkan dengan siklus NEP, kata Gosse, tingkat dorongan ditingkatkan lebih jauh:
"Digabungkan dengan siklus NEP, siklus tugas Isp selanjutnya dapat ditingkatkan (1.800-4.000 detik) dengan penambahan massa kering yang minimal. Desain bimodal ini memungkinkan transit cepat untuk misi berawak (45 hari ke Mars) dan merevolusi eksplorasi ruang angkasa yang dalam Tata Surya kita."
Berdasarkan teknologi propulsi konvensional, misi berawak ke Mars bisa bertahan hingga tiga tahun. Misi ini akan diluncurkan setiap 26 bulan ketika Bumi dan Mars berada paling dekat (alias oposisi Mars) dan akan menghabiskan minimal enam hingga sembilan bulan dalam perjalanan.
Transit selama 45 hari (enam setengah minggu) akan mengurangi keseluruhan waktu misi menjadi berbulan-bulan, bukan bertahun-tahun. Ini akan secara signifikan mengurangi risiko utama yang terkait dengan misi ke Mars, termasuk paparan radiasi, waktu yang dihabiskan dalam gayaberat mikro, dan masalah kesehatan terkait.
Selain propulsi, ada proposal untuk desain reaktor baru yang akan menyediakan catu daya yang stabil untuk misi permukaan jangka panjang di mana tenaga surya dan angin tidak selalu tersedia.
Contohnya termasuk Kilopower Reactor NASA Using Sterling Technology (KRUSTY) dan reaktor fisi/fusi hibrida yang dipilih untuk pengembangan Tahap I oleh seleksi NAIC 2023 NASA.
Aplikasi nuklir ini dan lainnya suatu hari nanti dapat mengaktifkan misi berawak ke Mars dan lokasi lain di luar angkasa, mungkin lebih cepat dari yang kita pikirkan!
