1. rész – Hogyan született meg a nukleáris impulzushajtás ötlete?
Nagyon érdekel a nukleáris meghajtás, azon belül is a nukleáris impulzushajtás, és valahol olvastam, hogy erről született már egy elő projekt, sőt kísérletek is zajlottak. Erről próbáltam összeszedni pár információt egy cikksorozathoz.
Az 1950-es években, amikor az első valódi űrkorszak még csak formálódott, a rakétamérnökök már pontosan látták azt a problémát, amely azóta is meghatározza az űrutazást: a kémiai rakéták óriási tolóerőt képesek létrehozni, de ehhez elképesztő mennyiségű hajtóanyagot kell magukkal vinniük. Minél nagyobb sebességváltozást akarunk elérni, annál több hajtóanyag szükséges, ennek a többlethajtóanyagnak a felgyorsításához pedig újabb hajtóanyag kell. A Ciolkovszkij-féle rakétaegyenlet miatt a probléma exponenciálisan súlyosbodik, ezért egy hagyományos rakétánál a felszálló tömeg túlnyomó részét rendszerint hajtóanyag teszi ki, miközben a tényleges hasznos teher csak ennek töredéke.
A nukleáris fizika azonban addigra megmutatta, hogy van egy teljesen más energiatartomány. Az atomfegyverek fejlesztése során nyilvánvalóvá vált, hogy a maghasadásból tömegegységre vetítve milliószor nagyobb nagyságrendű energia nyerhető ki, mint a kémiai reakciókból. Az alapvető probléma az volt, hogyan lehetne ezt az energiát rakétahajtásra használni. A kézenfekvőbb megoldás az atomreaktor volt: egy reaktor felmelegíthet például hidrogént, amelyet egy fúvókán keresztül kiengedve nagy kiáramlási sebességet lehet elérni. Ebből fejlődött ki később a nukleáris termikus rakétahajtás gondolata. Néhány fizikus azonban ennél sokkal radikálisabb kérdést tett fel. Miért kellene a nukleáris reakciót egy reaktor belsejében kordában tartani? Mi történne, ha a nukleáris energia legbrutálisabb megjelenési formáját, magát a robbanást használnánk hajtóműként?
Ebből a gondolatból nőtt ki a Project Orion, az űrkutatás történetének egyik legmerészebb, ugyanakkor meglepően komolyan kidolgozott hajtási koncepciója. Az Orion alján nem hagyományos rakétahajtóművek helyezkedtek volna el, hanem egy hatalmas, vastag fémlap. A jármű mögé kis nukleáris robbanóeszközöket – úgynevezett impulzusegységeket – juttattak volna ki, amelyeket megfelelő távolságban felrobbantanak. A robbanás energiájának egy részét nagy sebességű anyag formájában a tolóerőt hasznosító lap felé irányították volna, amely átveszi annak impulzusát, majd egy hatalmas lengéscsillapító rendszer továbbítja a lökést az űrhajó többi részének. Ezután következett volna a következő impulzusegység, majd a következő, így a jármű egymást követő nukleáris robbanások sorozatán gyorsult volna.
Mai szemmel könnyű ezt az ötletet az 1950-es évek atomkorszakának bizarr technológiai fantáziái közé sorolni, az Orion azonban ennél jóval tovább jutott. A General Atomics 1965-ös összefoglaló tanulmánya szerint addigra több mint hat év analitikai és kísérleti kutatást végeztek a nukleáris impulzushajtás területén, a program pedig több mint háromszáz műszaki jelentést termelt. Modelleket építettek, robbanásos kísérleteket végeztek, anyagokat vizsgáltak, lengéscsillapító rendszereket terveztek, nukleáris impulzusegységeket tanulmányoztak, és többféle valódi űrhajó-konfigurációt dolgoztak ki. Az Orion tehát nem egy papírra firkantott futurisztikus rakéta volt, hanem hosszú éveken keresztül finanszírozott amerikai kutatási program.
A nukleáris impulzushajtás gondolata ráadásul már az űrverseny előtt megszületett. Az egyik meghatározó alak Stanisław Ulam lengyel–amerikai matematikus volt, aki részt vett a Manhattan-tervben, majd a termonukleáris fegyverek fejlesztésében is. Ulam és Cornelius Everett az 1950-es években foglalkozott azzal az elképzeléssel, hogy egy járművet egymás után végrehajtott külső nukleáris robbanások impulzusával lehetne gyorsítani. Az elképzelés később Ted Taylorhoz, a General Atomics rendkívül tehetséges atomfegyver-tervezőjéhez került, aki felismerte, hogy ebből nem egyszerűen egy új hajtómű, hanem egészen új kategóriájú űrhajó születhetne.
Az Orion történetét azonban aligha lehet elválasztani 1957. október 4-től. Ezen a napon a Szovjetunió pályára állította a Szputnyik–1-et, és az Egyesült Államokban hirtelen világossá vált, hogy az addig elsősorban katonai rakétatechnológiaként kezelt fejlesztések egy új geopolitikai verseny alapjává váltak. Az amerikai vezetés óriási összegeket kezdett olyan fejlett technológiákba irányítani, amelyekkel az ország behozhatta vagy meghaladhatta a szovjet előnyt. Ebben a légkörben kapott lehetőséget az Orion is: 1958-ban az Advanced Research Projects Agency, az ARPA támogatásával a General Atomicsnál hivatalosan megindult a Project Orion. A kutatócsoporthoz később Freeman Dyson fizikus is csatlakozott, és hamarosan fizikusok, matematikusok, robbanóanyag-szakértők, atomfegyver-tervezők és mérnökök dolgoztak azon a kérdésen, amely az egész elképzelés sorsát eldönthette: kibírhat-e egy űrhajó több száz vagy akár több ezer közeli nukleáris robbanást?
A hétköznapi intuíció alapján a válasz egyértelműen a nem lenne. Egy atomrobbanásról készült felvételen épületek omlanak össze, szerkezetek repülnek szét, a robbanás középpontjának közelében pedig rendkívüli hőmérsékletű anyag és intenzív sugárzás jelenik meg. A nukleáris fegyverkísérletek során azonban az amerikai kutatók egy érdekes jelenséget figyeltek meg: bizonyos megfelelően védett tárgyak a vártnál sokkal közelebb kerülhettek egy robbanáshoz anélkül, hogy teljesen megsemmisültek volna. Ennek egyik oka az volt, hogy a nukleáris robbanás legintenzívebb hőhatása nagyon rövid ideig tart. Ha egy felület megfelelő anyagból készül, a külső réteg egy része elpárologhat, miközben ezzel energiát von el a mögötte található szerkezettől. Mire a hő mélyebbre vezetődhetne, az intenzív energiaimpulzus már véget is érhet.
Az Orion történetével kapcsolatban gyakran említett példa a Viper kísérlet, amelyhez Lew Allen amerikai fizikus munkája kapcsolódott. A kísérletben nagyjából egy méter átmérőjű, grafittal védett acélgömböket helyeztek rendkívül közel egy körülbelül 20 kilotonnás nukleáris robbanáshoz. A gömböket tartó szerkezetek elpusztultak, maguk a védett tárgyak azonban meglepően jó állapotban élték túl az eseményt. A grafit külső részének egy része eltűnt, de éppen ez volt a lényeg: a felszín feláldozta magát, és közben megvédte az alatta lévő szerkezetet.
Ezt nevezzük ablációnak, és ugyanez az alapelv később számos űreszköz hővédelménél is kulcsszerepet kapott. Egy ablációs hőpajzsnak nem kell változatlanul túlélnie a terhelést. Éppen ellenkezőleg: úgy tervezik, hogy a külső réteg kontrollált módon bomoljon, olvadjon vagy párologjon el, és közben magával vigye az energia jelentős részét. Az Orion mérnökei számára ez alapvetően átformálta a problémát. Nem olyan tolólapot kellett létrehozniuk, amelyen egy nukleáris impulzus semmilyen nyomot nem hagy, hanem olyat, amely minden robbanásnál csak elhanyagolható mennyiségű anyagot veszít. Ha egyetlen impulzus csak mikrométeres nagyságrendű réteget károsít, akkor elvileg több száz vagy több ezer impulzus után is használható maradhat a szerkezet.
Az Orion mérnökei ezért különféle védelmi megoldásokat kezdtek vizsgálni. Az egyik különösen érdekes elképzelés szerint a tolólap felületére két nukleáris impulzus között vékony olajréteget permeteztek volna. A következő robbanásnál ennek a folyadéknak egy része párolgott volna el, így a drága és nehéz fém tolólap helyett elsősorban egy folyamatosan megújítható felület nyelte volna el a hőterhelés egy részét. A koncepció egyszerűnek hangzik egy nukleáris űrhajó esetében, de pontosan ilyen részletek mutatják, mennyire mérnöki problémaként kezelték az Oriont.
A következő kérdés az volt, hogy egy impulzusokkal hajtott jármű egyáltalán képes-e stabilan repülni. Erre már valódi repülési kísérleteket is végeztek, természetesen nukleáris robbanások nélkül. A General Atomics mérnökei 1959-ben Kaliforniában egy kis kísérleti Orion-modellt próbáltak ki, amelyet egymást követő hagyományos robbanótöltetek lökései emeltek a levegőbe. A modell több robbanási impulzust kapott, felemelkedett, stabil maradt, majd ejtőernyővel tért vissza. A kísérlet azért volt fontos, mert igazolta, hogy az impulzusszerű hajtás önmagában nem teszi szükségszerűen irányíthatatlanná a járművet. Az Orion egyik alapelve tehát kicsiben már tényleges repülési próbán is működött.
Ahogy a kutatók egyre több problémára találtak legalább elméletileg vagy kísérletileg elfogadható megoldást, a program ambíciói is növekedni kezdtek. Az egyik első komolyan kidolgozott nagy Orion-változat tömege körülbelül 4000 tonna lett volna. Ez már önmagában nehezen elképzelhető méret: a jármű induló tömege nagyságrendileg egy kisebb hadihajóéval vetekedett volna. A számított tolóerő körülbelül 44 meganewton nagyságrendjébe esett, vagyis meghaladhatta a későbbi Saturn V teljes felszállási tolóerejét.
A puszta tolóerő azonban még nem magyarázza meg, miért lelkesedett ennyire az Orionért több kiváló fizikus. A rakétahajtás egyik alapvető kompromisszuma ugyanis az, hogy a nagyon nagy tolóerőt és a rendkívül hatékony hajtóanyag-felhasználást nehéz egyszerre elérni. A kémiai rakéták hatalmas tolóerőt biztosítanak, de a hajtóműből kiáramló gáz sebessége néhány km/s nagyságrendű. Az elektromos és ionhajtóművek ezzel szemben több tíz km/s-os effektív kiáramlási sebességet is elérhetnek, viszont olyan kis tolóerővel működnek, hogy egy nagy űrhajó gyorsítása hónapokig vagy évekig tarthat. Az Orion elméletileg mindkét világ előnyeiből adott volna valamennyit: a nukleáris robbanásokból rendkívül nagy effektív kiáramlási sebesség származhatott, miközben minden egyes impulzus hatalmas lendületet adott volna a járműnek.
Ez a különbség alapjaiban változtatta volna meg az űrhajók tervezését. A korai űrkorszak szinte minden küldetésénél könyörtelen tömegoptimalizálásra volt szükség. Az Apollo holdkomp falai például azért készülhettek rendkívül vékonyra, mert minden kilogramm számított. Az Orion esetében viszont olyan több száz vagy akár több ezer tonnás hasznos terhekkel számoltak, amelyek teljesen más tervezési filozófiát engedtek volna meg. Egy hosszú Mars-expedíció űrhajójába vastagabb sugárvédelmet, nagy lakótereket, laboratóriumokat, rengeteg tartalék alkatrészt, több leszállóegységet, nagy mennyiségű élelmiszert és akár mesterséges gravitációt biztosító forgó szerkezeteket is lehetett volna építeni. Nem kellett volna minden grammért ugyanolyan kétségbeesetten küzdeni.
A NASA későbbi történeti összefoglalója jól érzékelteti, milyen messzre jutottak ezek az elképzelések. Az Orion különböző változataival Hold-expedíciókat, Mars-utakat és a külső bolygók felémtartó küldetéseket is vizsgáltak, egyes tanulmányok pedig olyan járművekkel számoltak, amelyek akár 150 embert is eljuttathattak volna a Holdra. Az Apollo-program végül összesen tizenkét embert tett le a Hold felszínére, ezért már önmagában ez az összehasonlítás érzékelteti az Orion mögötti tervezés léptékét. A cél nem egy valamivel jobb Saturn V megépítése volt: egy teljesen más szállítási rendszerben gondolkodtak, amelyben egész űrállomásokat, nagyméretű bolygóközi űrhajókat vagy több száz tonnányi felszerelést lehetett volna egyetlen küldetés során mozgatni.
A nukleáris impulzushajtás egyik különös tulajdonsága ráadásul az volt, hogy bizonyos szempontból kedvezett a nagy méreteknek. Egy hagyományos rakétánál a tömeg növekedése gyorsan büntetéssé válik. Az Orionnál a nagyobb tolólap, a nagyobb szerkezeti tömeg és a nagyobb nukleáris impulzusegységek egy olyan tartományba vezettek, ahol a több ezer tonnás járművek már nem feltétlenül jelentettek abszurd elképzelést a meghajtás fizikája szempontjából. Freeman Dyson később ezért is tekintett az Orionra többnek egyszerű bolygóközi rakétánál. A nukleáris impulzushajtás elméletileg olyan mérettartományt nyitott meg, amelyben már valódi, hosszú ideig önállóan működő űrhajókról lehetett gondolkodni.
Ez volt az Orion legfontosabb ígérete. Nem pusztán gyorsabban akart eljutni ugyanoda, ahová a kémiai rakéták is eljuthattak, hanem meg akarta változtatni azt, hogy mit tekintünk egyáltalán reális űrküldetésnek. A Mars többé nem feltétlenül egy minimális tömegű kapszulában végrehajtott, minden kilogrammot gondosan beosztó expedíció célpontja lett volna. A külső Naprendszer pedig nem kizárólag évekig utazó robotűrszondák világa maradt volna. Ha az Orion működik, az űrhajó tömege és a rendelkezésre álló sebességváltozás közötti kapcsolat egészen más lehetett volna, mint amit a kémiai rakéták megszabtak.
Éppen ezért félrevezető lenne a Project Oriont egyszerűen az atomkorszak egyik őrült tervének nevezni. A koncepció természetesen rendkívüli politikai, környezetvédelmi és biztonsági problémákat hordozott, amelyek végül döntő szerepet játszottak a program megszűnésében. A meghajtás alapvető fizikájával azonban más volt a helyzet. A többéves kutatási program során nem sikerült olyan alapvető fizikai akadályt találni, amely önmagában értelmetlenné tette volna az elképzelést. A General Atomics 1965-ös összefoglalója már úgy értékelte, hogy a nukleáris impulzushajtás tudományos megvalósíthatóságát lényegében sikerült megalapozni, és a kérdés egyre inkább az volt, hogy az elvből lehet-e biztonságos, megbízható és politikailag elfogadható űrhajót építeni.
Ehhez azonban még meg kellett oldani az Orion legnehezebb mérnöki problémáját. Egy több ezer tonnás jármű mögött másodpercenként nukleáris impulzust létrehozni önmagában is rendkívüli feladat, de az energia felszabadítása csak a történet kezdete. A robbanás energiáját a megfelelő irányba kellett terelni, a nagy sebességű plazmának pontosan a tolólapot kellett eltalálnia, a lemeznek több száz vagy több ezer ilyen ütést kellett túlélnie, a lökéseket pedig úgy kellett kisimítani, hogy az űrhajó belsejében ülő emberek ne több száz vagy több ezer g-s pillanatnyi gyorsulást kapjanak.
Az Orion következő nagy kérdése ezért már nem az volt, hogy lehet-e atomrobbanással megmozdítani egy űrhajót, hanem az, hogyan lehet egy sorozat atomrobbanásból valódi, szabályozható rakétahajtóművet készíteni.
A második részben pontosan ezt a különös gépet bontjuk szét: megnézzük, hogyan működött volna egy Orion nukleáris impulzusegysége, mi történt volna a robbanás első milliomod másodperceiben, hogyan alakították volna a felszabaduló energiát irányított plazmanyalábbá, mit kapott volna ebből a hatalmas tolólap, és milyen mechanikus rendszerrel akarták a brutális ütéssorozatot körülbelül földi gravitáció nagyságrendjének megfelelő, folyamatos gyorsulássá alakítani.
Források
General Atomics: Nuclear Pulse Vehicle Study – Condensed Summary Report, GA-4891 / NASA-CR-67367, 1965. Az Orion több mint hat évnyi analitikai és kísérleti kutatásának egyik legfontosabb eredeti összefoglaló dokumentuma.
NASA Technical Reports Server: Nuclear Pulse Propulsion – Orion and Beyond, George R. Schmidt, Joseph A. Bonometti és Paul J. Morton, NASA Marshall Space Flight Center, 2000. Az Orion történetének, hajtási elvének és későbbi változatainak NASA-összefoglalója.
General Atomics: Orion Space Propulsion – Technical Status and Mission Potential, 1960-as évek. Korabeli műszaki összefoglalók az Orion teljesítményéről, járműméreteiről és lehetséges küldetéseiről.
Smithsonian National Air and Space Museum: Propulsion Test Vehicle, Project Orion. Az 1959-ben hagyományos robbanótöltetekkel kipróbált Orion kísérleti jármű dokumentációja.
Stanisław Ulam és Cornelius Everett korai nukleáris impulzushajtással kapcsolatos munkái, Los Alamos Scientific Laboratory.
Freeman J. Dyson: az Orion-programmal és a nukleáris impulzushajtás nagy méretű, illetve csillagközi alkalmazásaival kapcsolatos tanulmányok.
