NASA SR-1 Freedom: Membangun Pesawat Luar Angkasa Nuklir Pertama

Memindahkan sebuah objek di luar angkasa sangat mengonsumsi energi, bahkan setelah pesawat luar angkasa berhasil meloloskan diri dari sumur gravitasi sebuah planet. Hal ini sebagian disebabkan oleh jarak antar objek langit yang sangat luas.

Sebagai contoh, jika jarak antara Bulan dan Bumi hanya 0,25 meter, jarak antara Mars dan Bumi akan menjadi 500 meter, dan ke Neptunus 30.000 meter.

Jadi semakin berat pesawat luar angkasa, semakin banyak energi yang dibutuhkan untuk memindahkan massa tersebut dengan kecepatan yang cukup untuk menempuh jarak yang sangat besar ini. Dan kemudian energi yang sama diperlukan lagi untuk memperlambatnya.

Batasan lain dari eksplorasi ruang dalam dan penerbangan antarplanet adalah bahwa untuk menghasilkan dorongan, sejumlah massa harus dikeluarkan. Namun semakin banyak bahan bakar, semakin banyak beban mati, yang memerlukan energi tambahan untuk dorongan. Jadi, untuk percepatan yang kuat, bahan bakar yang dikeluarkan harus didorong dengan kecepatan sangat tinggi, menciptakan momentum yang lebih besar, dan sumber energi harus sepadat mungkin.

Untuk semua alasan ini, gagasan menggunakan energi nuklir untuk perjalanan luar angkasa sudah ada sejak awal pembangkit tenaga nuklir, karena uranium adalah salah satu “bahan bakar” paling padat yang dapat dibayangkan, dengan satu kilogram uranium dapat menghasilkan potensial hingga 23 juta kWh, dibandingkan dengan 13 kWh untuk 1 kg minyak dan 7 kWh untuk 1 kg batu bara.

Sumber: Visual Capitalist

Namun, tidak ada satu pun desain yang dibayangkan untuk propulsi perjalanan luar angkasa yang telah digunakan hingga saat ini. Satu-satunya penggunaan tenaga nuklir yang relatif umum adalah generator radiotermal, yang memanfaatkan peluruhan pasif unsur radioaktif dengan setengah hidup yang relatif pendek untuk memberi daya pada rover dan probe di ruang dalam selama bertahun‑tahun bahkan puluhan tahun.

Hal ini mungkin akan berubah dalam waktu dekat, dengan reaktor luar angkasa yang disebut SR-1 Freedom, dengan SR berarti “Space Reactor” (Reaktor Luar Angkasa).

Sistem propulsi nuklir listrik ini dapat diluncurkan mulai tahun 2028. Sistem ini akan digunakan untuk mengirim muatan Skyfall ke Mars yang terdiri dari tiga helikopter kelas Ingenuity. Sistem ini sebagian besar akan dipakai untuk mendemonstrasikan teknologi, namun dengan ukuran yang direncanakan, ia tidak akan jauh lebih cepat dibandingkan probe biasa.

“Helikopter Skyfall akan membawa kamera dan radar penembus tanah untuk menjelajahi lokasi pendaratan masa depan guna memahami kemiringan dan bahaya bagi pendaratan skala manusia. Mereka juga akan memetakan dan mengkarakterisasi es air di bawah permukaan untuk mengetahui di mana deposit es air berada, beserta ukuran, kedalaman, dan karakteristik penting lainnya.”
Steve Sinacore, eksekutif program daya permukaan fusi di NASA

Ini merupakan bagian dari penataan ulang program NASA yang lebih besar, yang mencakup kemungkinan pembatalan total stasiun ruang angkasa Lunar Gateway, reorganisasi misi Artemis, dan pembangunan yang lebih ambisius untuk basis Bulan masa depan, segera setelah peluncuran sukses Artemis II, yang untuk pertama kalinya dalam lebih dari 50 tahun akan membawa astronot ke orbit Bulan.

Berbagai Jenis Propulsi Nuklir di Luar Angkasa

Propulsi Nuklir Listrik

Sistem propulsi nuklir SR-1 Freedom bersifat nuklir listrik, sehingga pertama-tama menggunakan reaktor nuklir untuk menghasilkan listrik, dan tenaga ini kemudian digunakan untuk menghasilkan dorongan oleh mesin pesawat luar angkasa.

Untuk mengubah listrik menjadi dorongan, dan dengan demikian gerakan yang berguna, metode yang paling umum digunakan, dan yang dipakai oleh SR-1 Freedom, adalah thruster ion. Dalam kasus SR-1, thruster efek Hall.

Thruster ini mengionisasi gas dengan listrik, pada dasarnya “mengisi” energi ke dalam gas yang digunakan sebagai bahan bakar, biasanya xenon atau krypton. Thruster ini memiliki efisiensi sangat tinggi antara 45‑60 % dan impuls spesifik tinggi, yang berarti massa bahan bakar yang diperlukan lebih sedikit untuk efek propulsi yang sama.

Namun, thruster ion relatif lemah secara individual, sehingga paling cocok untuk perjalanan jarak jauh, di mana percepatan lambat dan stabil dapat terakumulasi menjadi kecepatan tinggi.

Sejauh ini, thruster ion telah digunakan, tetapi terbatas oleh energi yang disediakan oleh panel surya probe. Dengan sumber tenaga nuklir, dorongan dan percepatan yang jauh lebih besar dapat dihasilkan.

Jauh lebih matang, ini adalah versi propulsi nuklir yang paling berkembang, karena baik pembangkit tenaga nuklir maupun thruster ion merupakan teknologi yang sudah dikuasai dengan baik. Jadi hanya masalah desain dan rekayasa untuk membuat keduanya bekerja bersama, sehingga tenggat waktu singkat untuk peluncuran SR-1 dapat tercapai.

Propulsi Nuklir Termal

Reaktor nuklir menghasilkan tenaga dengan mengubah radioaktivitas menjadi panas, lalu mengubah panas tersebut menjadi listrik.

Jadi metode propulsi ini menghilangkan perantara dan langsung menggunakan panas itu sendiri. Ideanya adalah menggunakan energi nuklir untuk memanaskan bahan bakar, biasanya hidrogen cair, dan mendorong gas panas untuk menghasilkan gerakan.

Ide ini secara teori dapat menghasilkan kapasitas propulsi yang sangat besar. Dalam praktiknya, diperlukan banyak energi nuklir sekaligus dan banyak bahan bakar, yang berarti hal ini terutama cocok untuk pesawat luar angkasa yang sangat besar, jauh lebih besar daripada probe antarbintang biasa atau bahkan roket super‑berat seperti Starship.

Sistem Propulsi Nuklir Lainnya

Kepadatan energi nuklir telah melahirkan konsep potensial yang bahkan lebih liar.

Sebagai contoh, Project Orion, yang dibahas serius pada tahun 1950‑an dan 1960‑an, berada di jantung Perang Dingin. Proyek ini membayangkan serangkaian ledakan nuklir sebagai cara utama propulsi, dengan pesawat luar angkasa dilindungi dari radiasi dan kerusakan oleh perisai besar, sebuah konsep yang dikenal sebagai propulsi pulsa nuklir.

Ide lain, seperti roket fragmen fisi atau roket reaktor inti gas, mempertimbangkan pembuangan bahan bakar nuklir itu sendiri sebagai bahan propelan.

Namun, ide-ide ini lebih bersifat teoretis daripada praktis dalam kebanyakan kasus, sebagian besar karena skala pesawat luar angkasa yang dibutuhkan tidak dapat dicapai dalam masa yang dapat diperkirakan.

Mengapa Propulsi Nuklir Belum Terwujud?

Geopolitik

Sebagian, alasan mengapa propulsi nuklir tidak pernah terwujud adalah karena memang tidak diperlukan. Setelah beberapa pendaratan di Bulan, perlombaan luar angkasa antara Uni Soviet dan Amerika Serikat mereda.

Dan dengan runtuhnya Uni Soviet, ambisi untuk pesawat luar angkasa yang lebih besar atau basis luar angkasa masa depan memudar selama beberapa dekade.

Untuk eksplorasi jauh dari Matahari, generator radiotermal sudah cukup. Jadi propulsi nuklir memang tidak diperlukan untuk penerbangan berawak, tidak lebih jauh dari ISS, dan mengirim probe kecil ke Mars atau lebih dalam ke luar angkasa.

Namun, kebangkitan China sebagai kekuatan luar angkasa yang sangat serius kini memicu perlombaan luar angkasa baru ke Bulan dan Mars. Jadi hal ini mungkin menjelaskan kebangkitan kembali proyek propulsi nuklir Amerika, karena propulsi nuklir kemungkinan akan diperlukan untuk setiap penerbangan berawak serius ke Mars atau lebih jauh.

Politik dan Citra Nuklir

Citra energi nuklir juga ternoda oleh kecelakaan seperti Chernobyl dan Fukushima, yang menyebabkan gagasan mengirim reaktor nuklir ke luar angkasa, dalam ukuran apa pun, menjadi tidak populer. Tanpa dukungan politik yang kuat, program-program ini tidak memiliki momentum untuk beralih dari prototipe dan pengujian ke pesawat luar angkasa nyata.

Selain itu, Traktat Luar Angkasa 1967 dan Traktat Larangan Uji Coba Parsial 1963 menghentikan konsep propulsi nuklir seperti Project Orion.

Terakhir, meluncurkan material ke luar angkasa selalu merupakan proyek berisiko, dengan roket berisiko gagal dan meledak dalam perjalanan ke orbit.

Dalam kasus seperti itu, material radioaktif dapat tersebar luas, dan meskipun jumlah sebenarnya minimal, potensi bencana POR membuat NASA enggan mengambil risiko tanpa dorongan kuat dari kepemimpinan politik AS.

Masalah Teknis

Reaktor nuklir, terutama pada era 1950‑1990, dulu merupakan peralatan yang sangat besar. Jenis reaktor nuklir ini cukup sulit, bahkan mungkin tidak mungkin, untuk digunakan di luar angkasa, di mana setiap gram massa sangat penting. Berat tambahan dari pelindung terhadap radiasi reaktor menambah massa lebih lanjut.

Hal ini tidak begitu berlaku di era SMR (Reaktor Modular Kecil) dan mikrorektor, namun teknologi ini masih merupakan perkembangan yang relatif baru.

Pengerasan akibat neutron yang menabrak material di sekitarnya dapat menyebabkan retakan atau kerusakan lain pada material aerospace. Jadi hal ini juga perlu dipahami dan diatasi lebih baik.

Roket termal nuklir juga rentan terhadap korosi hidrogen, karena hidrogen menjadi sangat agresif, menggerogoti reaktor dan komponen propulsi pada suhu yang diperkirakan sebesar 2.200°C (4.000°F).

Desain SR-1 Freedom

Reaktor Daya dan Banyak Pertama

SR-1 Freedom akan berbasis pada reaktor fisi siklus Brayton tertutup berdaya 20‑40 kWe closed Brayton cycle fission reactor, sebuah desain yang menggabungkan sumber panas nuklir dengan sistem konversi tenaga turbin gas dalam loop tertutup. Panas buangan kemudian dibuang ke luar angkasa melalui radiator besar berbahan titanium.

Sumber: CNET

Reaktor ini akan diberi bahan bakar uranium rendah pengayaan dengan kadar tinggi (HALEU), menggunakan bahan bakar uranium dioksida, yang lebih aman ditangani dibandingkan bahan bakar tingkat senjata.

Untuk melindungi elektronik (dan astronot di masa depan) dari radiasi reaktor, ia dibungkus dalam perisai radiasi karbida boron yang mengarahkan radiasi menjauh dari pesawat luar angkasa.

SR-1 jelas bukan prototipe atau konsep pertama propulsi nuklir, namun ia akan menjadi yang pertama meninggalkan laboratorium dan mencapai luar angkasa, dibangun atas puluhan tahun pengalaman dan investasi di bidang ini.

“Selama enam dekade, Amerika Serikat menginvestasikan lebih dari $20 miliar di puluhan program nuklir luar angkasa dan meluncurkan tepat satu reaktor — SNAP-10A, pada tahun 1965. Itu tidak pernah meninggalkan orbit. Miliaran dibelanjakan, dekade terbuang. SR-1 mengakhiri pola itu. Jendela peluncuran Mars pada Desember 2028 memaksa keputusan yang tidak pernah diambil oleh studi selama dekade.”
Jared Isaacman – NASA Administrator

Menggunakan Kembali Modul Lunar Gateway

Elemen lain yang menjelaskan bagaimana penyebaran ultra‑cepat SR-1 dimungkinkan adalah bahwa bagian thruster ion dari pesawat luar angkasa sudah siap.

Sistem propulsi yang akan digunakan adalah bus pesawat luar angkasa yang hampir selesai, dikembangkan oleh NASA, yaitu Power and Propulsion Element (PPE), yang awalnya dikembangkan untuk Lunar Gateway.

Karena stasiun ruang angkasa lunar tampaknya dibatalkan, elemen-elemennya, yang sebagian besar dibangun oleh mitra NASA di Eropa, Jepang, Korea Selatan, Kanada, dan lainnya, akan dipakai kembali dalam proyek seperti SR-1, lebih selaras dengan ambisi luar angkasa baru NASA dan AS.

“Setiap aset, setiap kilogram, semua sumber daya eksplorasi lunar yang kami miliki akan difokuskan pada satu hal, yaitu membangun basis bulan,”
Carlos Garcia‑Galan – deputi manajer Program Gateway

PPE dilengkapi dengan empat thruster Hall‑effect 6 kW yang dibangun oleh Busek dan tiga thruster Hall‑effect Sistem Propulsi Listrik Lanjutan 12 kW yang dikembangkan oleh NASA dan Aerojet Rocketdyne , anak perusahaan L3Harris (LHX ).

Panel surya berperforma tinggi PPE juga akan dipertahankan, untuk berjaga-jaga jika reaktor nuklir eksperimental memerlukan perawatan atau mengalami masalah.

Melebihi SR-1

Menuju Lebih Banyak Energi Nuklir di Luar Angkasa

Tujuan SR-1 adalah memberikan uji coba nyata dari desain reaktor nuklir, baik untuk propulsi maupun penggunaan lainnya.

Jadi ini kemungkinan akan digunakan suatu hari untuk penerbangan berawak ke Mars, tetapi juga akan memiliki aplikasi yang lebih segera.

Sebagai contoh, data yang dikumpulkan dari penerbangan SR-1 Freedom ke Mars akan penting untuk pengembangan Lunar Reactor-1 (LR-1).

“Pada tahun 2030‑an, kami akan meningkatkan skala dan beralih ke produksi” reaktor lebih lanjut. Kami berbicara tentang ratusan kilowatt hingga reaktor kelas megawatt untuk semua aplikasi nuklir. Misi berdaya lebih tinggi ke bulan, misi berawak ke Mars, dengan partisipasi komersial dan produksi berulang.”
Steve Sinacore, eksekutif program daya permukaan fusi di NASA

Reaktor fisi ini akan dirancang untuk menyediakan energi berkelanjutan bagi basis lunar selama periode tanpa sinar matahari, dan juga akan menggunakan unit konversi daya siklus Brayton tertutup.

“Program daya permukaan fusi dijadwalkan untuk memberikan sesuatu pada fase tiga untuk kapasitas lebih, dan mungkin lebih dari satu hal, untuk kapasitas yang kami harapkan akan kami butuhkan untuk basis bulan. Apa pun yang dapat kami lakukan untuk tidak bergantung pada tenaga surya dan memungkinkan aset mendapatkan pemanasan dan mungkin beberapa daya akan menjadi emas bagi kemampuan kami untuk melanjutkannya.”
Carlos Garcia‑Galan – deputi manajer Program Gateway

Namun, dalam jangka panjang, warisan terpenting SR-1 kemungkinan adalah kemungkinan penerbangan nuklir berawak ke Mars, memakan waktu 4 bulan atau bahkan kurang, dibandingkan dengan 9 bulan atau lebih yang mungkin dengan roket kimia.

Sistem Propulsi Nuklir Masa Depan

Awalnya direncanakan untuk 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), sebuah mesin roket termal, dibatalkan pada 2025, karena dianggap roket seperti Starship milik SpaceX (SPCX ) sudah cukup baik untuk perjalanan orbital dan cis‑lunar.

Namun, teknologi ini berpotensi memotong waktu perjalanan ke Mars menjadi setengah, serupa dengan warisan potensial SR-1.

Dalam jangka panjang, jika propulsi nuklir listrik menjadi normal, bentuk lain dari propulsi nuklir juga mungkin menjadi layak.

Kemungkinan lain adalah sistem propulsi tipe SR-1 dipasang pada kapal kargo, yang dapat berulang‑ulang ke Bulan atau Mars dan mempercepat pesawat luar angkasa lain, hanya membutuhkan pengisian bahan bakar gas atau bahan bakar radioaktif sesekali. Dengan cara ini, sistem yang sama dapat menyediakan dorongan untuk puluhan misi ruang dalam.

Dalam konsep itu, propulsi nuklir listrik atau termal dapat mencapai untuk eksplorasi ruang dalam apa yang dilakukan SpaceX untuk peluncuran orbital: menciptakan kendaraan yang dapat digunakan kembali, tahan lama, yang sekaligus mengurangi biaya dan membuat perjalanan luar angkasa jauh lebih efisien, memungkinkan massa muatan yang jauh lebih besar dipindahkan.

Berinvestasi pada SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris adalah penyedia utama di bidang dirgantara dan perusahaan pertahanan, hasil penggabungan L3 Technologies dan Harris Corporation pada tahun 2019.

Perusahaan tidak hanya menyediakan thruster Hall‑effect untuk SR-1, tetapi juga terlibat langsung dalam pengembangan program daya permukaan fusi, yang akan menyediakan energi nuklir bagi basis Bulan Amerika di masa depan.

“Propulsi nuklir dapat memberi daya pada eksplorasi hingga ke pelosok sistem tata surya dan lebih jauh, meningkatkan keamanan nasional, dan memungkinkan penemuan terobosan. Manuver di luar angkasa telah lama menjadi faktor pembatas bagi eksplorasi robotik paling ambisius dan aplikasi pemerintah unik lainnya, dan L3Harris berkomitmen untuk menghilangkan kendala tersebut.”
Kristin Houston, Presiden, Sistem Propulsi dan Daya Luar Angkasa, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Sistem propulsi listriknya juga digunakan oleh misi Dawn NASA ke asteroid sabuk utama Ceres dan Vesta.

Perusahaan juga mengeksplorasi Propulsi Nuklir Termal (NTP), membangun atas pengalaman barunya dengan propulsi nuklir listrik dan pengalaman yang jauh lebih mapan dengan generator termoelektrik radioisotop, karena ia menyediakan sumber daya bagi Rover Curiosity dan Rover Perseverance di Mars.

Namun, ruang angkasa hanyalah satu segmen dari aktivitas perusahaan.

Bisnis inti mereka adalah menyediakan militer AS dan sekutunya dengan komunikasi aman (setengah pasar global radio taktis), pusat komando, radar & rencana komunikasi, peperangan elektronik, satelit untuk deteksi peluncuran misil, dll.

Aerodyne, perusahaan yang menyediakan SR-1 dengan sistem propulsinya, juga merupakan produsen utama misil, termasuk amunisi untuk sistem pertahanan misil, yang persediaannya telah mengalami tekanan besar akibat perang di Ukraina dan Iran.

Secara umum, pertumbuhan anggaran militer AS yang direncanakan dari $1T menjadi $1,5T kemungkinan akan mengangkat semua kapal bagi investor di sektor pertahanan, terutama karena perang di Ukraina telah menguras persediaan dan perang dengan Iran mengungkap kebutuhan akan lebih banyak amunisi dan pertahanan misil.

Inilah pengungkapan terakhir tentang evolusi strategi militer yang dapat paling menguntungkan L3Harris. Jika Ukraina mengungkap pentingnya drone dan peperangan elektronik, konflik dengan Iran menyoroti pentingnya pertahanan misil. Dan lebih dari apa pun, pentingnya persediaan besar misil interceptor, karena setiap misil masuk mengonsumsi 2‑3 interceptor.

Selain itu, ambisi baru NASA juga seharusnya menguntungkan perusahaan sebagai penyedia utama thruster ion dan tenaga nuklir luar angkasa.

(Anda dapat membaca lebih lanjut tentang aktivitas dirgantara dan pertahanan L3Harris di laporan investasi kami yang didedikasikan untuk perusahaan ini.)

Berita Saham L3Harris (LHX) Terbaru dan Perkembangan