Magneto-hidrodinamikus meghajtással az űrbe [6]

Egy, az előzőnél kifinomultabb sugárzó energiát felhasználó járművet is terveztek már, amely sokkal hatékonyabban állítja elő tolóerőt. A járműben egy tükör a bejövő sugárzott energia egy részét egy olyan pontra fókuszálja, ami a jármű előtt van annyival, amekkora a jármű átmérője. Az intenzív hő egy légtüskét alakít ki, ami az érkező levegőt eltéríti a jármű mellé, így csökkenti az ellenállást, és a jármű felmelegedését. A járműtest ezen kívül is felvesz némi sugárzott energiát, amivel nagyenergiájú elektromos mezőt alakít ki a szegély körül, és segítségével ionizálja a levegőt. A járműben ugyanitt szupravezető mágnesek kerülnének elhelyezésre, hogy ezen a területen erős mágneses tér alakulhasson ki. Amikor ebben a rendszerben az ionizált levegő keresztülhalad az elektromos és mágneses mezőn, magneto-hidrodinamikus erők jönnek létre, amelyek felgyorsítják a test körüli légáramlást, és ezzel tolóerőt generálnak. Az előretükrözött energiamennyiség arányának változtatásával a fényűrhajó szabályozhatja a jármű körüli légáramlás nagyságát.

1995 áprilisában a Renssealer Polytechnik Institute hiperszonikus léglöket csatornájában bemutatták, hogy egy légtüske hogyan csökkenti az ellenállást, azonban ehhez lézer helyett elektromos fűtésű plazmafáklyát használtak. Azok a tesztek, melyek célja magneto-hidrodinamikus tolóerő előállítása, csak mostanában kezdődtek egy 15 centiméter átmérőjű szerkezet segítségével. Ezzel a meghajtással egy emberméretű fényűrhajó, amelyet mikrohullám, vagy pulzáló lézer hajt (1 GW teljesítménnyel), akár 50 kilométer magasságba is feljuthat, és könnyen gyorsulhat keringési sebességre.

Ezek a fényűrhajók forradalmasíthatják a közlekedést, ha energiájukat keringő napelemekről nyerik. Azonban a keringő infrastruktúra összeszerelésének költségeit először kilogrammonként pár száz dollár alá kellene csökkenteni. Most körülbelül 20000 dollárba kerül egy kilogrammnyi szállítmány pályára állítása az űrsikló segítségével, ami a kívántnak körülbelül százszorosa.

Az űrlift koncepció [7]:

A NASA merész távlati tervei szerint a jövőben nagymértékben egyszerűsödhet a világűrbe való feljutás. Az egyik hosszú távú fejlesztésük célja egy olyan szállítórendszer kidolgozása, amely a lifthez hasonlóan emeli az embereket, illetve az űreszközöket a Föld felszínétől sok ezer kilométeres magasságba. A szakemberek 1999-ben jutottak erre a véleményre egy űrinfrastruktúra-konferencián, amelyet a NASA Marshall Űrközpontjában rendeztek meg.

Az elképzelés röviden a következő: Bolygónk felszínét - egy gigászi kábel segítségével - egy geostacionárius pályán keringő "ellensúllyal" kötnénk össze. A geostacionárius pályán lévő űreszközök jellemzője, hogy a Földdel azonos szögsebességgel mozognak, vagyis folyamatosan bolygónk egyenlítőjének egy adott pontja felett tartózkodnak, a felszíntől 35786 km-es magasságban.

Ezt a majdnem 36 ezer km hosszú kábelt egy 50 km magas toronyhoz erősítenék a Földön, az ellensúlyként pedig talán egy megfelelő pályára állított kisbolygó jöhetne szóba. Ily módon a tömegközéppont a geostacionárius pályára esik, vagyis tulajdonképpen az egész rendszer a Föld körül keringene. A kifeszülő kábelen „vágányok” helyezhetők el, amelyeken elektromágneses elven hajtott járművek szállíthatnák az utasokat, és a víz-, élelem- illetve energiautánpótlást. A felfelé vezető úton akárhol megállók helyezhetők el, ahonnan pályára állíthatóak lennének a különböző űreszközök.

Az űrlift egyáltalán nem az utóbbi évek ötlete, már több mint száz évvel ezelőtt is megfogalmazódott. 1895-ben Ciolkovszkij, a rakétatudomány egyik úttörője olyan "Égi kastély" megépítését javasolta, amelyet egy felszíni toronyhoz rögzítettek volna. Az első korszerű elképzelés 1960-ból származik, és egy leningrádi mérnök - Jurij Arsutanov - nevéhez kapcsolható, amely azonban nem keltette fel különösebben a "Nyugat" érdeklődését. Ezen kívül, 1966-ban az amerikai Science magazinban is megjelent egy rövid cikk - John Isaacs tollából - amelyben két vékony huzallal a Földhöz rögzített, geostacionárius pályán keringő űreszközről írt. Az űrrepülési mérnökök téma iránti figyelmét végül Arthur C. Clarke "A Paradicsom szökőkútjai" című novellája keltette fel, amelyet az amerikai légierő kutatási laboratóriumában dolgozó Jerome Pearson 1975-ben készült írása ihletett, és amelyben arról esik szó, hogy tudósok megalkották a szóban forgó űrliftet. Szintén Clark nevéhez fűződik a 3001 űrodüsszeia című könyv, melyben már az emberek jelentős része a Föld köré épült összefüggő geostacionárius gyűrűben él. A gyűrűt több ponton kábelek kötik össze a Föld különböző részeivel.

Természetesen a tudósok nem állítják, hogy már el tudnák készíteni a működőképes szállítórendszert, de abban biztosak, hogy 50 éven belül birtokában lesznek azoknak a technológiáknak, amelyek nélkülözhetetlenek a kivi-telezéshez. Az űrlift kifejlesztése kétség-kívül további nagy lendületet jelenthet az űrtudomány számára, mivel az egyik legnagyobb problémát - a hasznos teher űrbe juttatását - rendkívül alacsony faj-lagos költséggel oldaná meg.

A jelenleg "legolcsóbb" űrteherszállító megoldás a Space Shuttle, amely egyszerre 30 t hasznos terhet képes föld körüli pályára állítani, kilogrammonként 20000 USD-os költségen. Az űrlift ennél nagyságrendekkel gazdaságosabb lehet, ugyanis üzembe helyezése után a kg-onkénti űrbe juttatási költség 1,5 USD -ra csökkenthető lenne.

Űrpányvák [8]:

Ha már egyszer túljutottunk a Föld elhagyásának problémáján, akkor további gondok forrása lehet a megfelelő keringési pálya kialakítása. Jelenleg ezen a téren is a rakétáké a vezető szerep, de várhatóan ez sem lesz így örökké.

Amikor az emberek beköltöznek a Holdra és más bolygókra, valószínűleg már nem a hagyományos rakétatechnológiára fog épülni az űrjárművek meghajtása. Komoly esélyes lehet egy olyan ősi technológia, amit jóval az írásos történelem kezdete előtt használtak már – a kötél. De hogyan képes arra egy kötél, hogy tárgyakat hajtson az űrben?

Az egyik módszer szerint (parittya-elv): két műholdat összekötő vastag kötél segítségével az egyik „átdobhatja” a másikat egy magasabb pályára, pont úgy, ahogy egy vadász parittyával kilő egy követ. Ez az elképzelés alkalmazható a Föld körüli pályára, a Holdra, és akár a Holdon túlra szánt rakományok szállításánál is.

A Holdra jutás ötlete felettébb egyszerű (lásd a magyarázó ábrán). Először is, egy Földközeli pályán keringő pányva felveszi a szállítmányt egy újrafelhasználható járműről, majd továbbítja egy másik pányvára, ami egy távolabbi ellipszis alakú Föld körüli pályán kering. A második pányva megfelelő pozícióban átlöki a szállítmányt a Hold felé, amit elkap a Hold körül keringő Lunavator pányva. A Lunavator már a Hold körül forogna éppen olyan sebességgel, hogy miután elkapta a szállítmányt, egy fél fordulattal később finoman le tudja tenni a Hold felszínére. Ezzel egy időben a pányva fel tudná venni a visszaútra szánt szállítmányt. Nem lenne szükség üzemanyagra, ha a hozott és vitt szállítmány tömege kiegyensúlyozott. Egy ilyen szállítási mód olyan országút lenne a Holdra, amely hétköznapivá tenné a rendszeres Holdutazást. Nyilvánvalóan még számos technikai kihívással kell szembenéznünk, mielőtt egy ilyen rendszer valósággá válhat, de hatalmas lehetőségeket rejt magában, mivel lehetővé teszi egy gazdaságos űrbéli „autópálya” megnyitását.

A másik módszer szerint (elektrodinamikus pányva), ha a kötelet egy elektromosan vezető drót képezi, akkor a rákapcsolt feszültség hatására a benne folyó áram a Föld mágneses mezőjével kölcsönhatásba lépve hajtóerőt generálhat.

A NASA Marshall Space Flight Center elektrodinamikus pányvák üzemanyag nélküli űrbéli hajtóművekként való felhasználásának lehetőségeit vizsgálja. A 2000. év közepén a kutatók demonstrálták, hogy egy pányva milyen mértékben csökkenti egy Delta-II utolsó fokozat keringési pályájának magasságát. A Tethers Unlimitednél ennek az elképzelésének a kereskedelmi változatát fejlesztik: egy kis csomagot, amit pályára állítás előtt egy műholdhoz, vagy az űrben csak szemétként keringő fokozatokhoz kapcsolnak. Ha az űrhajó befejezte küldetését - vagy meghibásodik a műhold - a vezető pányva kinyílik, és a tárgyat a Föld mágneses ereje ellen húzza, aminek következtében az eszköz rohamosan veszít magasságából, majd elég az atmoszférában.

A NASA szintén fontolgatja az ilyen elektrodinamikus pányvák felhasználását pályakorrekciós hajtóművek kiváltására. A rendszerben napelemek biztosítanák az elektromos áramot, amelyek a pányván keresztül a Föld mágneses tere ellenében emelő erőt fejtenének ki az űrjárművekre. Ennek eredményeképpen a pányvák korlátlanul képesek lennének objektumokat mozgatni a Föld körüli mágneses térben.

A bemutatott pányvák hatalmas előnye abban rejlik, hogy kis költségráfordítással működtethetőek. Nagymennyiségű üzemanyag elégetése helyett, vagy az űrbe telepített objektumoktól kell energiát elvenni, vagy napelemekkel termelt villamos energiát kell felhasználni a mágneses mező generálásához.

Ha már eljutottunk a Holdra, akkor itt az ideje kicsit távolabbi jövő felé kalandoznunk. A bolygók közötti távolságok legyőzésére – a mai gyakorlattól eltérően – sokkal erősebb hajtóművekre lenne szükség, hogy az utazások idejét számottevően le tudjuk rövidíteni. Jelenlegi tudásunk alapján az emberi szervezet komolyabb károsodás nélkül egy évnél rövidebb időt képes eltölteni az űrben. A Naprendszer benépesítésének a kulcsa tehát olyan hajtómű rendszer létrehozása, amely ezen rövid időtartam alatt képes eljutatni az űrhajósokat kívánt célpontjukhoz, vagy olyan körülményeket tud biztosítani, hogy ne kelljen alkalmazkodnia a szervezetüknek a mikro-gravitációs környezethez. Mint látni fogjuk a tudomány és a fantázia jó néhány megoldást kigondolt már a probléma megoldására.

Ion hajtómű [9]:

Az ionsugár-hajtómű ötlete egészen az 1964-es évekig nyúlik vissza. Ez nagy áttörést jelent az eddig használatos hajtóművek között, amelyről régebben még csak sci-fi szerzők és filmesek álmodozhattak. A hajtóművet a NASA, a Deep Space 1 elnevezésű űrszondáján próbálta ki először. A működési elve a következő volt: a hajtóanyagot (xenont) elektronokkal bombázták, így az atomok töltéshez jutva ionokká alakultak. Az ionokat egy nagy feszültségű elektrosztatikus mezőt generáló rács gyorsította fel, a hajtóműből kiáramló ioncsóva pedig tartós tolóerőt biztosít az űrszondának.

A xenon ionok 1280 V feszültség hatására kialakuló elektrosztatikus térben gyorsultak fel, és 30 cm átmérőjű ionsugarat alkottak. A 92 mN maximális tolóerőhöz 2,3 kW teljesítményre volt szükség. Kisebb 500 W -os teljesítményen pedig 20 mN tolóerő keletkezik. A kémiai hajtóművek nagy tolóerőt adnak, de percek alatt elégetik üzemanyagukat, míg a Deep Space 1 –hez hasonló űreszközök hónapokig, esetleg 1-2 évig használhatják a xenon-gáz hajtóanyagot. Mivel a tolóerő folyamatosan rendelkezésre áll, az ionhajtómű segítségével egy űrszonda akár tízszer nagyobb sebességet érhet el, mint a kémiai hajtóművekkel induló társa (néhány hónap alatt 100 000 km/h - 28 km/s - sebességre is felgyorsulhat az űreszköz). Így a Plútóra akár 10 év alatt eljuthat egy űrszonda.

A mai technológiák segítségével még a legközelebbi csillagok elérése is több tízezer évbe telne. 1998-ban a NASA komoly kutatásokba fogott azokkal a hajtómű elméletekkel kapcsolatban, amelyek lehetővé tehetnék, hogy egy felderítő űrhajó elég gyorsan jusson el egy csillag közelébe ahhoz, hogy negyven éven belül teljesíthesse küldetését (ami egy tudós szakmai élettartama). Csak három olyan elméletet találtak a kutatók, amelyek a belátható jövőben egyáltalán elérhetőnek tűnnek: a fúziót, az anyag-antianyag reakciót, és a sugárzott energiát. A három közül csak a sugárzott energiát értjük jelenleg annyira, hogy bármilyen realisztikus, közeljövőbeli kutatási program része lehessen.

Lézer vitorlások [10]:

Nem nehéz belátni, hogy miért olyan vonzó alternatíva a sugárzott energia. Ha hosszú útra indulunk autónkkal, akkor üzemanyag tekintetében a benzinkutakra bízzuk magunkat, abból a szempontból pedig, hogy autónk nem hagy minket cserben, az autószerelőkre. A ma használt űrhajók azonban magukkal viszik az üzemanyagukat, és a közvetlen emberi beavatkozás lehetősége nélkül üzemelnek éveken át. De nem lehetne valahogy mégis a Földön hagyni a hajtóművet, az üzemanyaggal együtt? Amellett, hogy ez lehetővé tenné a repülés közbeni javításokat, ettől az űrhajó kevésbé lenne nehéz, és a könnyebb szerkezet jobban is gyorsulhatna.

Végignézve a jelenleg megvalósítható technológiák palettáját, a sugárzott energia látszik az egyetlen olyan megoldásnak, amely maradéktalanul teljesíti az iménti elvárásokat. A mérnökök elemzései rámutattak, hogy egy hosszútartamú űrutazás szempontjából az a legjobb, ha egy nagy erejű optikai lézert irányítunk egy nagy, vékony vitorlára. A lézerek minimális veszteséggel hatalmas távolságokra tudnak energiát sugározni, míg a vitorla tömegéhez képest nagy felülete nagymennyiségű energia felvételét teszi lehetővé. Ezt az ötletet először Robert L. Forward 1984-ben javasolta, és azóta – mint lehetséges hajtásrendszer – a kutatók érdeklődésének középpontjába került.

A vizsgálatok alapján a sugárzott energia más formái is felhasználhatók az energia átvitelre - mint például a korábban már említett mikrohullámok - de néhány kutató már azt is fontolóra vette, hogy töltött részecskéket (elektronok, protonok, nemesgáz ionok) irányítsanak egy űrrepülőre. A részecskék ebben az esetben, amikor elérnék az űrrepülő testét, egy szupervezető mágneses hurkon haladnának keresztül, így Lorentz erő alakulna ki, ami tolóerőt eredményezne. Jelenleg azonban a vitorlára irányított lézerfény tűnik a legkönnyebben megvalósítható megoldásnak.

Amikor a lézerből származó fotonok elérik a vitorlát, két dolog történhet: Vagy rugalmasan ütköznek az elektromágneses mezővel, ami körülveszi a vitorla atomjait és visszaverődnek, vagy a vitorla anyaga felveszi az energiájukat egy olyan folyamat során, amely kismértékben fel is melegíti a vitorlát. Mindkét folyamat ugyanúgy gyorsuláshoz vezet, de a visszaverődés kétszer akkora erőt eredményez, mint a felszívódás, ezért hatékonyabb a visszaverő vitorla.

Az átvihető energiát azonban a vitorla felmelegedése korlátozza, mert ahogy a fémfelszín forróbb lesz, egyre kevesebb fényt ver vissza. A vitorla hőmérséklete csökkenthető - és ezáltal a gyorsulás növelhető - ha a túloldalt bevonjuk olyan anyagokkal, amelyek hatékonyan sugározzák a hőt a környező űrbe. Magas sebességek elérésének érdekében az űrhajónak sokáig fenn kell tartania a gyorsulását, ezért az határozza meg egy fényvitorla segítségével elérhető sebesség felső határát, hogy milyen távolról tudja a Földön található lézer hatékonyan „eltalálni” célpontját.

A lézernek egy fontos tulajdonsága, hogy koherens elektromágneses hullámokból (hő, fény, mikrohullám, röntgen) áll. Ez a meghajtás szempontjából azt jelenti, hogy az az energia, amit át lehet vinni a lézerrel, nem csökken a távolsággal egy olyan kritikus értékig, amit diffrakciós távolságnak neveznek. Ezen a távolságon túl az átvitt energia hamar jelentéktelen mennyiségre csökken.

A lézer diffrakciós távolságát - és így az általa hajtott űrhajó végsebességét - a lézer apertúrája szabályozza. A leghatékonyabb lézerek azok, melyek több száz kisebb lézerből állnak, és amelyek megfelelően vannak elrendezve egy kötegben. A megfelelő apertúra méret körülbelül az egész lézerköteg átmérőjének felel meg. Az energiaátvitel akkor maximális, ha a köteg olyan szoros, amennyire csak lehet.

A pasadenai (Kalifornia) Jet Propulsion Laboratory-nál azt vizsgálták, hogy mik az anyagi értelemben vett összefüggések az egyedi lézerek ereje és a kötegek méretei között. Egy csillagközi küldetéshez hatalmas méretű apertúrára lenne szükség. Az a lézer, amit arra terveznek, hogy segítségével 40 éven belül szondát küldhessenek vele a legközelebbi csillaghoz, közel 1000 kilométer átmérőjűre adódik. Szerencsére a közelebbi Naprendszerbeli bolygókra irányuló küldetéseknél sokkal kisebb apertúrájú lézerek is elégségesek lennének. Egy olyan 46 GW-os lézerhez, ami egy 50 méter átmérőjű, aranybevonatú vitorlát világít meg, csak 15 méteres apertúrára lenne szükség. Ezzel a berendezéssel egy tíz kilogrammos szállítmányt tíz nap alatt eljuttathatnánk a Marsra, vagy szondát küldhetnénk a napszél és a csillagközi anyag határára három év alatt.

A fényvitorlás űrhajókat meg lehet úgy tervezni, hogy automatikusan kövessenek egy vékony lézer sugarat, így akár Földről is lehetne őket kormányozni. Sőt még az sem megoldhatatlan feladat a vitorla tervezésénél, hogy egy visszaverő külső gyűrűt is magába foglaljon a szerkezet, ami leválasztható a célpont elérésekor. A leválasztás után csak a gyűrű folytathatná útját és visszaverné a lézerfényt a vitorla hajón maradó középső részére, így segítene azt megállítani, vagy akár haza is juttatni.

Már mostanáig is rengeteg munkát végeztek a fényvitorlákkal kapcsolatban. Például orosz tudósok 2001-ben kipróbáltak egy forgó, 20 méter átmérőjű polimer napreflektort - a Znamya 2-t - annak a tervnek részeként, hogy erősebb téli megvilágítást hozzanak létre az Észak-Oroszországi városok felett.

Az amerikai Nemzeti Óceán és Atmoszféra Kutató Intézet azt tervezi, hogy néhány éven belül útjára indít egy napvitorla által hajtott űrhajót. A napvitorlás a lézervitorlástól annyiban különbözik, hogy a vitorla „megvilágítását” közvetlenül a Nap, vagy egy olyan űrben keringő gyűjtőtükör végzi, amely a Napból érkező fénysugarakat fókuszálja egy nagy energiájú nyalábbá (hasonlóan a földi Naptornyokhoz). Azonban a Napfény fajlagos energiatartalma és hatótávolsága messze elmarad a koherens lézersugárétől, ezért ez a módszer csak a Naphoz közel képes megfelelő tolóerőt biztosítani.

A közeljövőben laboratóriumi teszteken már túljuthatnak azok a lézer vitorlák, melyek a Marsra, a Kuiper-övbe és a csillagközi térbe tervezett programokban szóba jöhetnek. A NASA –nak pedig már most rendelkezésre állnak olyan több MW teljesítményű hadászati célú lézerek, amelyek az űrbe telepített kisebb fényvitorlások meghajtására képesek lennének. Tehát a fényvitorlákban már a közeli jövő nagyszerű és elegáns küldetéseinek lehetősége rejlik. Tiszta, gyors, és olcsó utazást biztosíthatnak a Naprendszeren belül, és idővel akár azon túl is.

Mágneses napszél vitorlások [11]:

Egy új elven működő „hajtómű” még a fényvitorlások elterjedése előtt forradalmasíthatja a bolygóközi utazásokat. Egyszerűségével lepipálja vetélytársait, hatékonyságával pedig megsokszorozhatja az űrszondák sebességét - állítják a Washingtoni Egyetem kutatói.

Továbbá az is figyelelemre méltó, hogy a NASA fejlesztőintézete félmillió dollárral támogatja a Robert Winglee geofizikus professzor vezette kutatócsoport további kísérleteit a napszélen vitorlázó, mágneses buborékba zárt űrszonda kifejlesztésére. Ha az M2P2 (Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion) laboratóriumi, és később az űrbeli tesztjei is sikerülnek, akkor egy ilyen elven működő szonda lehet az első, amely elhagyja Naprendszerünket. Ez különösen annak fényében figyelemre méltó, ha számításba vesszük, hogy a nagyjából 10 év múlva felbocsátandó szondának utol kell érnie, és le kell hagynia az 1977-ben útnak indított Voyager I -et, amely most még ugyan a Naprendszer határain belül, de már mintegy tízmilliárd kilométerre jár tőlünk.

A kutató-fejlesztő mérnökök több éve dolgoznak a szonda prototípusán, és most készítik elő az első próbákat az egyetem redmondi Plazmafizikai Laboratóriumában.

Az űrszonda körül vezetőtekercsekkel erős mágneses teret hoznak létre. Ennek a mezőnek és a napszélnek a kölcsönhatása a Föld magnetoszférájához hasonló hagymaszerű „mini-magnetoszférát”- mágneses buborékot - hoz létre. A „hajtómű” lelke a szondához kapcsolt, 25 x 25 centiméteres plazmakamra, amelyben nagyfrekvenciás rádióhullámokkal héliumból sűrű mágneses plazmát (szabad He ionok és elektronok elegyét) hoznak létre. Ezt a plazmát a mágneses buborékba vezetve, a nagy sebességgel száguldó elektronok, mint gumiszalagnak ütköző sörétszemcsék, lendületükkel kifelé sodorják a mágneses tér erővonalait: ennek eredményeként a buborék egy léggömbhöz hasonlóan felfúvódik. A napszél részecskéi a buborék határfelületnek ütköznek, és ezzel állandó nyomást gyakorolnak a létrehozott mágneses mezőre. Az összegződő erőhatások előretolják az egész buborékot, és benne természetesen a szondát is.

A mintegy 15–20 kilométeres átmérőjű mágneses buborék tehát egy olyan „mágnesvitorlát”, képez, amely képes befogni a napszél töltött részecskéit, és azok mozgási energiáját elnyelve hajtja előre a szondát. Az eredő tolóerő nem túl nagy, viszont állandóan jelen van, így folyamatosan gyorsulva a szonda összességében mégis tetemes sebességre tehet szert.

Mivel a napszél sebessége eléri az 1,2–3 millió km/h -t, hajtóereje egy 150 kilogrammos szondát napi 7 millió kilométeres sebességre gyorsíthat (ez tízszerese az űrrepülőgép sebességének). Az már csak hab a tortán, hogy a Naptól távolodva az egyre nagyobb térfogatban szétterülő napszél ereje gyengül, ám ezzel párhuzamosan a buborék (amelynek határfelületét szintén részben maga a napszél alakítja ki) éppen olyan mértékben fújódik fel, így a tolóerő gyakorlatilag változatlan marad. Ez mindaddig érvényes, amíg a napszél teljesen szét nem oszlik a csillagközi térben.

A mágneses buboréknak a napszél irányához viszonyított helyzete a mágneses tér irányával változtatható, és ezáltal a szonda irányítása is megoldható.

Az M2P2 az előző pontban elképzelt lézer vitorlásokhoz viszonyítva lényegesen egyszerűbb szerkezeti kialakítású. A hatalmas méretű visszaverő vitorlához képest az M2P2 plazmakamrája sokkal kisebb és könnyebb. A mágneses buborék létrehozásához alig néhány kilowattnyi teljesítmény szükséges, és mindössze 50 kilogramm többlet hajtóanyagra van szüksége. Hozzáépítése egy hagyományos szondához ma mintegy 1 millió dollárba kerülne, de ez busásan megtérülne az egyéb költségek csökkenéséből.

Egy napon, amikor az ember által tervezett szondák már keresztbe-kasul bejárták a Naprendszert, a bolygók vizsgálatában az emberiség többet akar majd. Idővel olyan űrhajókat akarunk majd indítani, amelyek képesek a hatalmas égitestek körül keringeni, robotokat akarunk leszállítani holdjaikra, és szeretnénk kőzet- és talajmintákat visszajuttatni a Földre. Végül majd űrhajósokat küldenénk a közeli bolygókra, és a távolabbi óriási holdakra, amelyek közül legalábbis néhányról azt gondoljuk, hogy akár a letelepedésre is alkalmasak lehetnek.

Kompakt atomreaktorok [12]:

Az ilyen küldetésekhez olyan rakéták jelenthetik a megoldást, amelyek kémiai égés helyett a nukleáris maghasadást használják fel energiaforrásként. Az ilyen típusú űrhajók távol a Naptól, energiaszegény környezetben is nagyszerűen manőverezhetőek maradnak, és kialakításuknál nem kell feltétlenül mindent a súlycsökkentés elvének alárendelni.

Az eddig használt kémiai elven működő rakéták jó szolgálatot tettek, azonban az a tény, hogy az üzemanyag tömegéhez képest viszonylag kismennyiségű energia előállítására képesek, komoly megszorításokat eredményez. Jelenleg ahhoz, hogy elérjünk egy távolabbi óriás bolygót, egy kémiai elven hajtott űrjárműnek nagyon kis tömegű kell lennie. Másrészt ennek az űrhajónak nagyon alaposan ki kell használnia a bolygók gravitációs „segítségét” (akárcsak a Voyager szondáknak). Viszont ehhez a küldetések tervezőinek meg kell várniuk azokat az indítási „ablakokat”, amikor a környező bolygók elhelyezkedése a legmegfelelőbb a „hintamanőverek” elvégzésének szempontjából. Technikai szempontból tehát megállapítható, hogy a kémiai rakéták végsebessége nem elég nagy ahhoz, hogy távoli célpontokhoz közvetlenül eljuttassanak egy űrhajót. A legjobb kémiai rakéták, melyek működése a hidrogén és oxigén közötti reakción alapszik, maximum 10 km/s sebességnövekményt képesek biztosítani a Föld körüli pályától távolodó műholdak számára.

Ezzel szemben egy nukleáris rakéta akár 22 km/s sebességnövelésre is képes lehetne. Ez a magas érték már elegendő ahhoz, hogy akár közvetlen útvonalat is választhassunk a Szaturnuszra, ami az utazáshoz szükséges időt hét évről háromra csökkentené. Egy ilyen nukleáris rakéta ugyanakkor biztonságos, és még akár környezetbarát is lehetne, mert a közhiedelmekkel ellentétben indításkor egy nukleáris rakéta egyáltalán nem szükségszerűen radioaktív.

Az űrhajót - nukleáris hajtóműveivel együtt - egy hagyományos kémiai elven működő rakéta rakományaként indítanák. Utána, amikor a rakomány már Földől távoli (legalább 800 km –es) pályán kering, a nukleáris reaktor is beindulna.

Az a technológia, amely a maghasadás hajtotta rakétahajtómű építéséhez szükséges, nem sokkal haladja meg jelenlegi képességeinket. Tulajdonképpen a tervek már 1960 –as évek óta készen állnak egy kompakt nukleáris rakétahajtómű létrehozására (mint például a meg is épített 250 kN tolóerejű NERVA), de az igen ígéretes fejlesztéseket 1972 –ben leállították. Napjainkban – ahogy az emberes Mars expedíciók ismét szóba kerültek - újból a tervezőcsoportok asztalára került a probléma, és szükség esetén akár hat - hét éven belül meg is tudnának építeni körülbelül 600-800 millió dollárból egy új csúcstechnológiát képviselő változatot (MITEE). Ez az összeg az űrkutatásban nem túl nagy, és voltaképpen teljes mértékben ellensúlyozná a jövőbeni indítási költségek csökkenése. Ennek oka az, hogy egy olyan űrhajónak, amit nukleáris hajtómű hajt, nem kell nagymennyiségű kémiai üzemanyagot magával vinnie, ami azt jelenti, hogy fellövéséhez nem lenne szükség a 250 millió dollárba kerülő Titan IV hordozó rakétára, hanem egy alacsonyabb árú rakéta is elegendő lenne, mint például a Delta vagy az Atlas (melyek felépítése csak 50-125 millió dollárba kerül).

A meglehetősen részletesen kidolgozott tervben a reaktor nukleáris üzemanyaga (plutónium-238 izotóp) lyukacsos berillium fémvázban lenne gyűrűszerűen feltekercselve, ami egy lyukas közepű zselérúdhoz hasonlítana. Az üzemanyagtekercs külseje körül egy lítium-7-hidrid köpeny kerül elhelyezésre (moderátor). Ennek feladata az üzemanyag belsejében fellépő hasadás során kibocsátott neutronok sebességének csökkentése (termikus neutronok létrehozása), ami ahhoz kell, hogy újabb plutónium atommagok is képesek legyenek befogni őket, és így ezek is széthasadjanak.

A hűtőanyag – folyékony hidrogén – eközben a tekercs külseje felől befelé halad, és gyorsan gázzá alakul, ahogy a középpont felé áramolva melegszik. A maghasadás során keletkező hő körülbelül 2700 °C-ra hevíti a hidrogén gázt, ami ennek hatására kitágul, és nagy sebességgel áramlani kezd a rúd központi tengelye mentén elhelyezkedő csatorna felé, majd ott tovább gyorsulva kiáramlik az elem alján, ezáltal generálva tolóerőt.

A nukleáris hajtóművek legfőbb vonzóereje az, hogy hajtóanyaga – a hidrogén – nagymennyiségben rendelkezésre áll gáz formájában a Naprendszer külső részében található hatalmas bolygókon, valamint jég formában is megtalálható a távoli holdakon és bolygókon. Ezért - mivel a plutónium-238 üzemanyag elég sokáig kitart - egy nukleárisan hajtott űrhajó elméletileg tíz vagy tizenöt évig utazhatna a Naprendszerben, és szükség szerint pótolhatná a hidrogén üzemanyagot. A jármű hónapokig repülhetne a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz atmoszférájában, részletes információt gyűjthetne ezek összetételéről, időjárás-mintázatáról és egyéb jellemzőiről. Egy másik lehetőségként egy űrhajó elrepülhetne az Európára, a Plútóra vagy a Titánra, hogy kőzetmintákat gyűjtsön, és hidrogént vegyen fel a megolvasztott jégből származó víz elektrolízisének segítségével, és ennek segítségével visszajusson a Földre.

Mivel a reaktor csak a Földtől jókora távolságban indulna csak be, a nukleáris űrhajó tulajdonképpen sokkal biztonságosabb lenne, mint néhány űrszonda, amiket kémiai elven működő rakéta hajt. A naprendszer távoli részeiben a Nap sugarai túlságosan gyengék ahhoz, hogy elég energiát biztosítsanak az űrhajó műszerei számára. Ezért ezek általában plutónium 238 áramforrások segítségével működnek, amely már a fellövéskor is erősen radioaktív. Egy nukleáris hajtóművekkel felszerelt szonda esetében ezzel szemben a műszerek is ugyanabból a reaktorból kapnák az áramot, mint ami a tolóerőt biztosítja. Továbbá a keletkező nukleáris hulladék mennyisége elhanyagolható – egy, a távoli világűrt vizsgáló szonda esetén körülbelül összesen egy grammnyi lenne a hasadásos termék – és emellett ez az anyag sosem jutna vissza a Földre.

Könnyen bizonyítható tény, hogy pusztán kémiai elven működő rakétákkal nem igazán leszünk képesek felfedezni a naprendszer távolabbi bolygóit és holdjaikat. A legközelebbi jövőt tekintve a nukleáris rakéták adhatják meg nekünk azt az energiát, megbízhatóságot és rugalmasságot, amire szükségünk van ahhoz, hogy jelentős mértékben fejleszthessük tudásunkat azokkal a még mindig legnagyobbrészt titokzatos világokkal kapcsolatban, amelyek Naprendszer távolabbi szegleteiben találhatók.