Orioni projekt

Orioni projekt (inglise keeles Project Orion) oli aastatel 1958–1963 valdavalt USA-s toimunud uuringute seeria eesmärgiga kasutada tuumarelvi kosmoselaevade jõuallikana (nn tuuma-impulssajam). Idee sündis vahetult pärast esimeste tuumarelvade väljatöötamist Teise maailmasõja lõpuaastail Los Alamoses füüsikute Stanislaw Ulami ja Frederick Reinesi käe all. Põhiline arendustegevus kulges ettevõtte General Atomics ja füüsiku Freeman Dysoni juhtimisel. Projekt lõppes ametlikult pärast tuumarelvakatsetuste osalise keelamise lepingu allkirjastamist 1963. aastal. Leping keelas muu hulgas tuumaplahvatuste korraldamise Maa orbiidil ja kosmoses.
Teoreetiliselt võimaldanuks Orioni projekt kiiret ja odavat moodust Päikesesüsteemi planeetide vahel reisimiseks, kasutades vaid 20. sajandi keskpaigas olemasolevat tehnoloogiat. Tuumalõhkepead on energiatiheduse poolest kaugelt üle keemilistest raketikütustest, võimaldades palju suurema kasuliku lasti vedamist. Tänapäeval moodustab valdava osa Maalt startivate rakettide massist kütus. Orioni projekti taaselustamise toetajaid leidub tänapäevalgi, samuti on välja pakutud teisigi sarnasel põhimõttel töötavaid jõuallikaid, näiteks projektid Longshot ja Daedalus.
Tööpõhimõte.
Tuuma-impulssajami tööpõhimõte seisneb tuumalõhkepeade väljaheitmises kosmoselaeva taha ja nende lõhkamises parajal kaugusel. Plahvatusel tekkiv plasmapilv lükkab laeva edasi ahtris paikneva inertsiaalplaadi ja löögisummuti vahendusel, mis ühtlasi plahvatuse lööki pehmendab, et muuta kiirendus meeskonna jaoks sujuvamaks. Võrreldes tänapäevaste meetoditega annab tuuma-impulssajam korraga väga suure tõukejõu (meganjuutonite suurusjärgus) ja reaktsioonimassi väljapaiskekiiruse 20–30 km/s. Tänapäeva keemilised raketid on küll suure tõukejõu, kuid võrdlemisi madala väljapaiskekiirusega (2–5 km/s), arendatavad elektrilised ajamid (ioonajam, VASIMR) on seevastu vähese tõukejõuga. Mõlemale mainitud variandile seab piirangu kütusest saadava energia sisaldus massiühiku kohta; tuumarelvadel on see sedavõrd suur, et ükski laevasisene kamber ei kannataks plahvatuste rõhku välja ja seetõttu on tarvis lõhata pommid laeva ahtri taga.
Ehitus.
Erinevalt harilikest tänapäevastest kosmosealustest pole tuuma-impulssajamiga laeva olulisim piirang massi ülempiir, vaid hoopis alampiir, mille määrab vähim praktiliselt saavutatav tuumarelva lõhkejõud. Orioni projekti loomise ajal oli selleks 30 tonni TNT ekvivalenti, mis vastab laevale massiga 800 tonni (võrdluseks: Rahvusvahelise kosmosejaama mass on 450 tonni). Sellisel versioonil ei nähtud aga suurt rakendust peale tehnika katsetamise ja suurem osa Orioni projektist keskendus 3600-tonnisele versioonile. Selline laev kasutaks 150-tonnise lõhkejõuga tuumapäid ja Maa pinnalt orbiidile tõusmiseks oleks neid vaja umbes 800.
Arvestades, et laeva mass pole tuuma-impulssajami korral eriti piiratud, saab luua väga robustseid laevu. Mehitamata sondid võiksid taluda kuni 100 g suurust kiirendust, mehitatud laevadel peaks see olema maksimaalselt 2–4 g.
Ühtegi reaalselt töötavat tuuma-impulssajamit pole konstrueeritud, kuid 1959. aastal katsetati impulssajamit harilike lõhkeainetega. Katsetuste käigus saavutas ühemeetrine mudel 23 sekundi pikkuse kontrollitud lennu käigus kõrguseks 56 meetrit. Mudel maandus langevarju abil ja ilmnes, et lõhkeainetega kiirendamise käigus kahjustusi ei tekkinud.
Impulssajami kõige olulisem komponent on löögisummuti, mille eesmärk on plahvatuse tekitatud järsk kiirendus laeva lasti ja meeskonna jaoks sujuvamaks muuta. Orioni projekti kosmoselaevadel koosneb see suurest inertsiaalplaadist ja seda laeva külge ühendavast mitmeastmelisest mehaanilisest löögisummutist. Inertsiaalplaadi mass oleks 450–900 tonni ehk arvestatav osa laeva kogumassist ja pommid heidetaks plaadi taha läbi plaadi keskel oleva avause kiirusega umbes üks pomm sekundis. Plahvatused toimuksid plaadist 20–30 meetri kaugusel.
Probleemid.
Tuumarelvade kasutamisel energiaallikana on mitu probleemi, millest enamik on seotud nende hävitava mõju piiramisega, võimaldades samas kasutada vallanduvat suurt energiahulka. Kõige rohkem puutub plahvatuse mõjudega kokku löögisummuti plaat. Pärast pommi lõhkemist oleks plaadini jõudev plasmakera jahtunud umbes 67 000 °C-ni, kiirates valdava osa oma energiast ultravioleti piirkonnas. Kuna enamik materjale on sellele kiirgusele läbipaistmatud, toimub lühiajaline kuumenemine vaid pinnakihis. Hinnanguliselt võiks iga plahvatusega aurustuda vähem kui millimeeter plaadi pinnast. Arvestades, et plaadid on ette nähtud mitme meetri paksustena, siis saaks lõhata tuhandeid pomme, enne kui tekib tarvidus plaat välja vahetada.
Teine suur probleem seisneb hulga tuumapeade lõhkamises Maa atmosfääris ja madalal orbiidil. Atmosfääris toimuvate plahvatuste korral ei oleks kuidagi võimalik vältida ümbritseva biosfääri saastumist kiirguse ja radioaktiivsete jääkidega. Madalal orbiidil tekib oht, et radioaktiivne saaste jääb lõksu maa magnetvälja, tekitades planeedi ümber tehislikke kiirgusvööndeid (mitu sellist on juba olemas jäänukina Orioni projektiga samal ajal korraldatud atmosfääriväliste tuumakatsetuste tulemusel). Arvestades ohtu elukeskkonnale, võiks tuuma-impulssajam leida põhilist kasutust planeetidevahelistel lendudel, kui vastav laev on kas juba ehitatud Maa orbiidil või viidud sinna Maalt mõne teise meetodi abil. Arvestamata ei saa jätta ka tuumaplahvatuste elektromagnetilise impulsi mõju, mis kujutab ohtu teistele orbiidil olevatele satelliitidele, juhul kui plahvatus toimub Maa magnetväljas.
Rakendused.
Täies mahus tööle rakendatuna võimaldanuks Orioni projekt tänapäevaste vahenditega võrdluses kiiret ja odavat meetodit planeetidevahelisteks lendudeks. Kõige suurem tulu oleks sellest mehitatud lendudele, kuna praegu on neile suurim takistus just massi- ja suurusepiirangud. Inimesed vajavad pikkadeks kosmoselendudeks eluruumi, toiduvarusid ja kaitset kosmilise kiirguse vastu. 3600-tonnise tuuma-impulssajamiga laeva enda kere toimiks juba arvestatava kiirgusvarjendina, olles lisaks võimeline mahutama piisavalt varusid ja teadusvarustust, et võimaldada edasi-tagasi lende kogu Päikesesüsteemi siseosa (siseplaneedid koos asteroidide vööga) ulatuses. Suurem, umbes 9000-tonnise massiga laev võimaldaks 350-tonnise lõhkejõuga pommide abil teostada 3-aastase mehitatud missiooni Saturnini. Tänapäeval võiks sellisest laevast enim kasu olla asteroidide kaevandamisel oma võime tõttu suuri koormaid liigutada ja vajadusel ühe lennu jooksul mitut asteroidi külastada.
Tähtedevahelised lennud.
Põhimõtteliselt pole takistust, mis segaks ehitamast kuitahes suuri tuuma-impulssajamiga laevu, peale materjalide hinna ja töömahu. Teoreetiliselt saaks saata piisavalt suure aluse ka tähtedevahelisele missioonile. Freeman Dysoni hinnangul võiks lennu lähimasse tähesüsteemi ette võtta 300 000 ühemegatonnise tuumarelva ja 400 000-tonnise kogumassiga laev. Reis võtaks 130 aastat ja lennuetapi tippkiirus oleks 10 000 km/s (0,3% valguse kiirusest).
Hilisem areng.
Orioni projekti lõpetamise järel töötas British Interplanetary Society aastatel 1973–1974 välja sellega võrdlemisi sarnase kontseptsiooni projekti Daedaluse näol. Projekt nägi ette mehitamata robotsondi ehitamist ja Barnardi tähe juurde saatmist umbes 12% valguse kiirusega. 1989. aastal lõi USA merevägi sarnase projekti Longshot, mis nägi ette Alpha Centauri juurde mehitamata laeva saatmist. Erinevalt Orionist eeldasid need mõlemad projektid tänapäeval veel kättesaamatu termotuumasünteesi tehnoloogia olemasolu.