Tradycyjny, chemiczny silnik rakietowy wykorzystuje energię chemiczną - oddziaływania między atomami żeby nadać gazom wylotowym energię kinetyczną. Zapewnia ona ciąg, choć w sumie bardziej pasowałoby pych, a najlepiej w ogóle odpych, bo gazy wylatując z dyszy jednocześnie popychają rakietę w kierunku przeciwnym.
Już w czasach programu Apollo poważnie rozważano silniki nuklearne-termalne. W takim silniku źródłem energii są reakcje jądrowe. Raczej wszyscy mamy świadomość jak niewiarygodną potęgę niesie w sobie energia nuklearna, w porównaniu do chemicznej. Ciepło energii rozpadu jądrowego w takim silniku ogrzewa gaz, na przykład lekki wodór, nadając jego atomom ogromną prędkość, czyli energię kinetyczną. Następnie ten rozpędzony wodór kierowany jest do dyszy i wszystko działa jak w klasycznym silniku, czyli “na odpych”.
Silnik taki ma istotne ograniczenie - by uniknąć stopienia rdzenia, maksymalna temperatura jaką można nadać wodorowi to około 2300’C. To około tysiąca stopni mniej niż osiąga się spalając wodór i tlen w silniku rakietowym. To poważnie ogranicza ciąg. Dzieje się tak dlatego, że silniki chemiczne można sprawniej chronić przed stopieniem przepuszczając przez nie kriogeniczne paliwo zanim dotrze do komory spalania. W przypadku silnika nuklearnego mechanizm jest podobny, ale mówimy o samym wodorze i to w mniejszych ilościach, więc nie może tak skutecznie chłodzić rdzenia jak chemiczny odpowiednik.
Silnik nuklearny nigdy nie wyniesie rakiety na orbitę. Skąd zatem w ogóle zainteresowanie taką technologią? Bo poza ciągiem, rakiety mają jeszcze jeden niezwykle ważny parametr - impuls właściwy (specific impulse). To miara tego ile pędu można nadać rakiecie określoną masą paliwa. I tu błyszczą silniki nuklearne. Jednym z czynników jest lekkość paliwa - wodór+tlen to woda, czyli cząsteczka dziewięciokrotnie cięższa od cząsteczki wodoru H2, co daje jej trzykrotnie lepsze wyniki na papierze, ale z najróżniejszych powodów technicznych silniki nuklearne powinny dawać mniej więcej dwukrotnie większy impuls właściwy. To i tak istotna przewaga nad rakietami chemicznymi, nie dziwi zatem, że cieszą się pewnym zainteresowaniem. W ramach projektu DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), firma Lockheed Martin planowała w 2027 roku przeprowadzić test takiego silnika na orbicie nie niższej niż 700 kilometrów. Obecnie jednak projekt został zawieszony w ramach cięć budżetowych.
Jakie wyzwania czekają nas przy budowie i w eksploatacji takich silników? Liczne. Silnik taki oczywiście będzie bardzo odmienny od reaktorów jądrowych jakie znamy z Ziemi. Musi działać w nieważkości, stawiać na niską masę, operować w znacznie wyższych temperaturach (i większym ich zakresie), sprawie oddawać energię gazom napędowym… Ponadto ziemskie reaktory przez większość czasu pracują dość jednostajnie. W przypadku silników w rakietach marzy nam się regulowanie ciągu, odpalanie ich, zatrzymywanie itd. Regulowanie mocy takiego silnika polega na regulowaniu krytyczności - konkretniej mówiąc, jak dużo neutronów pałęta się po rdzeniu. W tym celu stosuje się bębny kontrolne. Na Ziemi typowo używa się prętów kontrolnych, które wsuwa się i wysuwa z rdzenia. Ich rola to pochłanianie neutronów, które w przeciwnym razie trafiałyby w jądra uranu i rozbijały je na części. Orbitalne silniki, jeśli powstaną, będą mieć bębny kontrolne - cylindry naokoło rdzenia, których jedna strona odbija neutrony, a druga je pochłania. By zmniejszyć krytyczność rdzenia odwracamy je tak by wyłapywały neutrony, jeśli chcemy zwiększyć ciąg odbijamy neutrony do środka machiny.
A to tylko wierzchołek góry lodowej. Bo sam wodór jest niezłym pochłaniaczem neutronów. Wpływ na pracę takiego silnika ma praca pompy, temperatura komory i szereg innych elementów ze swoimi sprzężeniami zwrotnymi itd. Sprawia to, że rozruch silnika nuklearnego może trwać kilka minut. Podobnie nie można go po prostu wyłączyć, odcinając dopływ wodoru i obracając bębny. W rdzeniu zachodzi cała kaskada procesów rozszczepienia jąder. Nawet po “wyłączeniu” trzeba przez jakiś czas jeszcze odprowadzać energię, czyli wyrzucać rozgrzany wodór z dyszy.
Idąc dalej, w miarę wypalania paliwa w reaktorze (nie mylić z paliwem wodorowym do napędzania rakiety) będą zmieniać się jego parametry. Ciąg, czas rozruchu i wygaszenia będą ulegać zmianie. W silniku może dojść do zatrucia ksenonowego. Jednym z produktów rozszczepienia paliwa jest izotop ksenonu-135, który świetnie pochłania neutrony. Jeśli nagromadzi się w silniku, będzie utrudniać ponowne uruchomienie silnika. Więc po dłuższym odpaleniu silnika może być konieczne odczekanie kilkunastu lub kilkudziesięciu godzin przed kolejnym manewrem.
Wszystko to składa się na silnik, którego każde odpalenie jest skomplikowanym manewrem, gdzie istnieje szereg czynników, które mogą wpłynąć na to jaką zmianę prędkości zaserwujemy naszej rakiecie. A przecież nawet jeszcze nie poruszyliśmy kwestii promieniowania. Czy takie silniki nadają się do rakiet, które mają przewozić ludzi? Pamiętajmy, że masa jest szalenie ważnym czynnikiem w kosmosie, a osłony przed promieniowaniem są ciężkie. Nawet elektronika ma ograniczoną odporność na promieniowanie. Amerykańskie plany z lat 60tych zakładały, że silniki takie będa odczepiane od statku w pobliżu ciała niebieskiego. Reszta statku miałaby manewrować używając tradycyjnych silników chemicznych i dokować ponownie w celu dalszej drogi czy powrotu…
Nawet zakładając, że wszystko idzie zgodnie z planem, nuklearne silniki wydają się być ciężkie, wymagać masy planowania i być toporne i nie w pełni przewidywalne w użyciu. A co, jeśli coś pójdzie źle? Nawet nie z winy silnika, katastrofalne usterki rakiet wciąż się zdarzają niemal każdego roku. Dostajemy wtedy małą brudną bombę i duży problem. Czy to wszystko gra warta świeczki? Jeśli zależy nam na impulsie właściwym, to może trzeba trzymać się silników jonowych - mają komicznie słaby ciąg, ale od trzech do dziesięciu razy większy impuls właściwy. Jeśli prace nad silnikami nuklearnymi będą kontynuowane, będę się im przyglądać z zainteresowaniem. Ale nie spodziewam się by takie silniki zbyt szybko wyszły z fazy testowej.
