محققان طرحی از یک حامل فضایی هسته‌ای جدید را به ناسا ارائه داده‌اند که می‌تواند مدت زمان سفر به مریخ را از ۶ تا ۹ ماه به ۴۵ روز کاهش دهد. ناسا فاز اول توسعه این ایده را که در دسته جدید پیشران «گرما-هسته‌ای/الکتریکی-هسته‌ای» (NTP/NEP)، قرار می‌گیرد، در سال ۲۰۲۳ اجرا می‌کند.
مبدع این طرح به نام رایان گاس (Ryan Gosse)، از دانشگاه فلوریدا (University of Florida)، معتقد است این سامانه پیشران می‌تواند مدت زمان سفرهای فضایی را تا حد چشمگیری کاهش دهد. به گفته وی اگر همه چیز در این طرح طبق برنامه پیش برود، می‌توان خیلی سریع‌تر به سیاره مریخ سفر کرد و سفر ایمن‌تری داشت.
سفر کوتاه‌تر به مریخ باعث کاهش خطرات همیشگی سفرهای فضایی مانند قرار گرفتن در معرض تشعشعات فضایی، مدت زمان سپری‌شده در ریزگرانش و آسیب‌های سلامتی ناشی از آن‌ها اشاره کرد. ریزگرانش به شرایطی گفته می‌شود که همانند بی‌وزنی و گرانش صفر است؛ با این تفاوت که نیروی گرانش دقیقا صفر نیست و مقدار کوچکی دارد.
این پروژه یکی از ۱۴ طرح منتخب توسط برنامه «مفاهیم پیشرفته نوآورانه» (NIAC) است که برای فاز نخست توسعه برگزیده شده است. محققان ۱۲۵۰۰ دلار کمک مالی دریافت می‌کنند تا تحقیق و توسعه لازم برای این فناوری را انجام دهند.
انواع پیشران‌های فضایی
حامل‌های فضایی هسته‌ای عموما بر اساس دو فرآیند مختلف کار می‌کنند که فناوری‌های مورد استفاده در هر یک به طور کامل تست شده و صحت آن‌ها مورد تایید قرار گرفته‌اند. ناسا پیش‌تر ایده موتور هسته‌ای برای حامل‌ها (NERVA) را آزمایش کرده بود، اما آن پروژه در همان حوالی زمانی پایان دوره ماموریت‌های آپولو در سال ۱۹۷۳ متوقف شد.
پیشران‌های هسته‌ای-حرارتی (NTP)
در این دسته پیشران‌ها یک راکتور هسته‌ای وظیفه گرم کردن هیدروژن مایع را بر عهده داشته و آن را به گاز هیدروژن یونیزه‌شده (پلاسما) تبدیل می‌کند. این گاز هیدروژن سپس با جریان پیدا کردن درون نازل‌ها باعث ایجاد نیروی پیشران می‌شود.
پیشران‌های هسته‌ای-الکتریکی (NEP)
از سوی دیگر، پیشران‌های هسته‌ای الکتریکی نیز فرآیند دیگری برای حامل‌های فضایی هسته‌ای به شمار می‌روند که در آن‌ها راکتور وظیفه تولید الکتریسیته یک شتاب‌دهنده مبتنی بر اثر هال (HET) را بر عهده دارد. در سامانه‌های پیشران فضایی، پیشرانه اثر هال نوعی از پیشرانه یونی است که در آن سوخت حامل توسط یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شود. این شتاب‌دهنده با تولید میدان الکترومغناطیسی، یک گاز نجیب مانند زنون را یونیزه کرده و شتاب می‌دهد تا از این طریق، پیشرانش فراهم شود.
پیشران‌های هسته‌ای-الکتریکی قادر به ارائه نیروی پیشران ثابت به مدت تقریبا سه ساعت هستند. با این وجود، سطح پیشرانش آن‌ها در مقایسه با حامل‌های معمولی و پیشران‌های هسته‌ای-حرارتی پایین‌تر است.
هر دو سامانه NTP و NEP مزایای فراوانی در مقایسه با موتورهای شیمیایی قدیمی دارند. نرخ تکانه ویژه (Specific Impulse) بالاتر، مصرف سوخت بهینه‌تر و چگالی بی‌نهایت انرژی از جمله مهم‌ترین مزایا به شمار می‌رود. تکانه ویژه تکانه‌ای است که به ازای سوختن مقدار مشخصی از سوخت به حامل فضایی وارد می‌شود.
به گفته گوس نیاز به منبع انرژی الکتریکی باعث اتلاف حرارت بیشتر در فضا می‌گردد. نرخ تبدیل انرژی حرارتی در فضا در حالت ایده‌آل حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد است. علی‌رغم اینکه فضاپیماهای هسته‌ای حرارتی NERVA گزینه‌هایی مناسب برای انتقال انسان‌ها به مریخ و بالاتر به شمار می‌روند، در تامین نسبت جرم اولیه و پایانی در برخی ماموریت‌ها دچار مشکل می‌شوند.
طرح ارائه‌شده توسط گوس بر پایه راکتورهای هسته جامد NERVA بنا شده است و می‌تواند تکانه ویژه ۹۰۰ ثانیه، یعنی تقریبا دو برابر حامل‌های شیمیایی کنونی را ارائه کند.
پیشران NTP/NEP
NTP/NEP کلاس جدیدی از سامانه‌های پیشران هسته‌ای دوحالته است که از نوعی روتور (Rotor) موجی با سامانه چرخه رویی استفاده می‌کند. روتور، بخش چرخنده یک دستگاه یا ماشین به شمار می‌رود و روتور موجی، نوعی فناوری سوپرشارژر (Supercharger) است که امواج فشار تولیدشده توسط پالس‌های گاز خروجی موتور احتراق داخلی را برای فشرده‌سازی هوای ورودی مهار می‌کند.
سوپرشارژر یک کمپرسور هوا است که با افزایش فشار یا چگالی هوای ورودی موتور، باعث ورود اکسیژن بیشتر به محفظه احتراق شده و به احتراق بهتر سوخت و بازدهی بیشتر موتور و در نتیجه افزایش قدرت خروجی آن کمک می‌کند.
اگر این روتورهای موجی با موتورهای NTP همراه شوند، قادرند با استفاده از فشار ایجادشده در اثر گرم کردن سوخت هیدروژن مایع در راکتور، جرم عکس‌العمل را بیش از پیش کاهش دهند. به ادعای گوس، این سامانه قادر به ارائه سطح پیشرانشی هم‌تراز با طرح‌های هسته‌ای حرارتی مبتنی بر NERVA خواهد بود، اما میزان تکانه خاصی در بازه ۱۴۰۰ تا ۲ هزار ثانیه را تولید خواهد کرد.
او همچنین معتقد است که در صورت استفاده از روتورهای موجی با پیشران‌های NEP امکان ارتقای میزان پیشرانش به سطوح بالاتر هم وجود دارد. گوس در این خصوص می‌گوید: «اگر در سامانه پیشران پیشنهادی ما از چرخه هسته‌ای الکتریکی استفاده شود، می‌توان با افزودن حداقل مقدار جرم خشک، میزان تکانه خاص را تا محدوده ۱۴۰۰ الی ۴ هزار ثانیه هم ارتقا داد.»