Kjernekraft i verdensrommet. Atomiske akselerasjonsimpulser

Ideen om å bruke atomenergi til å drive romfartøy og bruke den i fremtidige utenomjordiske baser eller bosetninger er ikke ny. Nylig har de kommet i en ny bølge, og etter hvert som de blir et felt med stormaktsrivalisering, blir implementeringen mer sannsynlig.

NASA og det amerikanske energidepartementet startet et søk blant forhandlerselskaper prosjekter av atomkraftverk på Månen og Mars. Dette bør støtte langsiktig forskning og kanskje til og med bosettingsprosjekter. NASAs mål er å ha den klar for lansering innen 2026. Anlegget må være fullstendig fabrikkert og montert på jorden og deretter testet for sikkerhet.

Anthony Calomino, NASAs direktør for kjernefysisk teknologi ved Space Technology Administration, sa det Planen er å utvikle et XNUMX kilowatt kjernefysisk fisjonssystem som til slutt skal skytes opp og plasseres på månen. (en). Den må integreres med månelanderen og boosteren vil ta den til månens bane. Laster deretter bringe systemet til overflaten.

Det forventes at det ved ankomst på stedet vil være umiddelbart klart for drift, uten behov for ytterligere montering eller konstruksjon. Operasjonen er en demonstrasjon av mulighetene og vil være utgangspunktet for bruk av løsningen og dens derivater.

"Når teknologien har blitt validert under en demonstrasjon, kan fremtidige systemer skaleres opp eller flere enheter kan brukes sammen for langsiktige oppdrag til Månen og muligens Mars," forklarte Calomino på CNBC. "Fire enheter, som hver produserer 10 kilowatt elektrisitet, vil gi nok strøm til sette opp en utpost på Månen eller Mars.

Evnen til å generere store mengder elektrisitet på overflaten av planeter ved hjelp av et bakkebasert fisjonssystem vil muliggjøre storskala forskning, menneskelige utposter og bruk av ressurser in situ, samtidig som det åpner for muligheten for kommersialisering.»

Hvordan vil det fungere atomkraftverk? Litt beriket form kjernebrensel viljestyrke kjernefysisk kjerne... Liten kjernereaktor det vil generere varme, som vil bli overført til energikonverteringssystemet. Energikonverteringssystemet vil bestå av motorer designet for å kjøre på reaktorvarme i stedet for brennbart drivstoff. Disse motorene bruker varme, konverterer den til elektrisitet, som kondisjoneres og distribueres til brukerutstyr på overflaten av Månen og Mars. Metoden for varmespredning er viktig for å opprettholde riktig driftstemperatur for enhetene.

Kjernekraft anses nå som det eneste rimelige alternativet hvor solenergi, vind og vannkraft er ikke lett tilgjengelig. På Mars, for eksempel, varierer styrken til solen mye med årstidene, og periodiske støvstormer kan vare i flere måneder.

På månen kald måne natten varer i 14 dager, med sollys som varierer sterkt nær polene og fraværende fra de permanent skyggelagte kratrene. Under slike vanskelige forhold er det vanskelig å få energi fra sollys, og drivstofftilførselen er begrenset. Overflatefisjonsenergi tilbyr en enkel, pålitelig og effektiv løsning.

I motsetning til bakkereaktorerdet er ingen hensikt å fjerne eller erstatte drivstoffet. På slutten av det 10 år lange oppdraget foreligger det også en plan for sikker avvikling av anlegget. "På slutten av levetiden vil systemet bli slått av og strålingsnivået vil gradvis reduseres til et nivå som er trygt for menneskelig tilgang og drift," forklarte Calomino. "Avfallssystemer kan flyttes til et eksternt lagringssted hvor de ikke vil sette mannskapet eller miljøet i fare."

Liten, lett, men effektiv reaktor, etterspurt

Ettersom romutforskningen utvikler seg, gjør vi det allerede ganske bra med kjernekraftproduksjonssystemer i liten skala. Slike systemer har lenge drevet ubemannede romfartøyer som reiser til de fjerne delene av solsystemet.

I 2019 fløy det atomdrevne romfartøyet New Horizons gjennom det fjerneste objektet som noen gang er sett på nært hold, Ultima Thule, langt utenfor Pluto i en region kjent som Kuiperbeltet. Han kunne ikke ha gjort det uten atomkraft. Solenergi er ikke tilgjengelig i tilstrekkelig styrke utenfor Mars bane. Kjemiske kilder varer ikke lenge fordi deres energitetthet er for lav og massen er for stor.

Brukes på langdistanseoppdrag radiotermiske generatorer (RTG) bruker plutoniumisotopen 238Pu, som er ideell for å generere permanent varme fra naturlig radioaktivt forfall ved å sende ut alfapartikler, som deretter omdannes til elektrisitet. Halveringstiden på 88 år betyr at den vil utføre et langsiktig oppdrag. Imidlertid kan ikke RTG-er gi den høye spesifikke kraften som kreves for lange oppdrag, mer massive skip, for ikke å nevne utenomjordiske baser.

En løsning, for eksempel, for en utforskende tilstedeværelse og muligens en bosetting på Mars eller Månen kan være små reaktordesign som NASA har testet i flere år. Disse enhetene er kjent som Kilopower fisjonsenergiprosjekt (2), er designet for å levere elektrisk kraft fra 1 til 10 kW og kan konfigureres som koordinerte moduler for å drive fremdriftssystemer eller for å støtte forskning, gruvedrift eller kolonier på fremmede romkropper.

Som du vet er masse viktig i verdensrommet. reaktorkraft den bør ikke overstige vekten til et gjennomsnittlig kjøretøy. Som vi for eksempel vet fra et nylig show SpaceX Falcon Heavy raketterÅ skyte opp en bil i verdensrommet er foreløpig ikke et teknisk problem. Dermed kan lysreaktorer enkelt plasseres i bane rundt jorden og utover.

2. XNUMX kilowatt KIlopower reaktor prototype.

Rakett med reaktor vekker håp og frykt

Tidligere NASA-administrator Jim Bridenstine understreket han mange ganger fordelene med kjernefysiske termiske motorer, og legger til at mer kraft i bane potensielt kan tillate kretsende fartøyer å unnslippe hvis de blir angrepet av anti-satellittvåpen.

Reaktorer i bane de kan også drive kraftige militærlasere, noe som også er av stor interesse for amerikanske myndigheter. Men før en kjernefysisk rakettmotor foretar sin første flytur, må NASA endre lovene om å få kjernefysiske materialer ut i verdensrommet. Hvis dette er sant, bør, ifølge NASAs plan, den første flyvningen med en atommotor finne sted i 2024.

Det ser imidlertid ut til at USA er i gang med sine atomprosjekter, spesielt etter at Russland annonserte et tiår langt program for å bygge et atomdrevet sivilt romfartøy. De var en gang den ubestridte lederen innen romteknologi.

På 60-tallet hadde USA et prosjekt for Orion pulse-pulse atommissilet, som skulle være så kraftig at det kunne tillate flytte hele byer ut i verdensrommetog til og med ta et bemannet fly til Alpha Centauri. Alle de gamle amerikanske fantasy-seriene har vært på hylla siden 70-tallet.

Det er imidlertid på tide å børste støv av det gamle konseptet. atommotor i verdensrommethovedsakelig fordi konkurrenter, i dette tilfellet hovedsakelig Russland, nylig har vist stor interesse for denne teknologien. En kjernefysisk termisk rakett kan halvere flytiden til Mars, kanskje til og med hundre dager, noe som betyr at astronauter bruker færre ressurser og mindre strålingsbelastning på mannskapet. I tillegg, som det ser ut til, vil det ikke være noen slik avhengighet av "vinduer", det vil si Mars' flere tilnærming til jorden med noen års mellomrom.

Det er imidlertid en risiko, som inkluderer det faktum at reaktoren om bord vil være en ekstra strålingskilde i en situasjon der verdensrommet allerede bærer en stor trussel av denne art. Det er ikke alt. Kjernefysisk termisk motor den kan ikke skytes opp i jordens atmosfære av frykt for en mulig eksplosjon og forurensning. Derfor er vanlige raketter tilgjengelig for oppskyting. Derfor hopper vi ikke over det mest kostbare stadiet knyttet til oppskytingen av masse i bane fra jorden.

NASA forskningsprosjekt kalt TRÆR (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) er ett eksempel på NASAs innsats for å komme tilbake til kjernefysisk fremdrift. I 2017, før det var noe snakk om en retur til teknologien, tildelte NASA BWX Technologies en treårig kontrakt på 19 millioner dollar for å utvikle drivstoffkomponentene og reaktorene som trengs for bygging. kjernefysisk motor. Et av NASAs nyeste romkjernefysiske fremdriftskonsepter er Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), som forventes å bruke en ny lettvektsreaktormoderator og avanserte termoelektriske generatorer (ATEG) for å redusere den totale kjernemassen betydelig.

Dette vil kreve å senke driftstemperaturen og senke det totale kraftnivået til kjernen. Den reduserte massen vil imidlertid kreve mindre fremdriftskraft, noe som resulterer i et lite, billig, atomdrevet elektrisk romfartøy.

3. Visualisering av sonden utviklet innenfor Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor-prosjektet.

Anatoly PerminovDette ble kunngjort av sjefen for Federal Space Agency of Russia. skal utvikle et atomdrevet romfartøy for dype romfart, og tilbyr sin egen, originale tilnærming. Den foreløpige prosjekteringen ble fullført i 2013, og de neste 9 årene er planlagt for utbygging. Dette systemet bør være en kombinasjon av kjernekraftproduksjon med et ionefremdriftssystem. Varmgass ved 1500°C fra reaktoren skal snu en turbin som snur en generator som genererer elektrisitet til ionemotoren.

I følge Perminov, stasjonen vil kunne støtte et bemannet oppdrag til Marsog astronauter kunne bli på den røde planeten i 30 dager takket være atomkraft. Totalt vil en flytur til Mars med en kjernefysisk motor og konstant akselerasjon ta seks uker i stedet for åtte måneder, forutsatt en skyvekraft 300 ganger større enn for en kjemisk motor.

Alt er imidlertid ikke like glatt i russeprogrammet. I august 2019 eksploderte en reaktor i Sarov, Russland ved kysten av Hvitehavet, som var en del av en rakettmotor i Østersjøen. flytende drivstoff. Det er ikke kjent om denne katastrofen er relatert til det russiske forskningsprogrammet for kjernefysisk fremdrift beskrevet ovenfor.

Utvilsomt, men et element av rivalisering mellom USA og Russland, og muligens Kina på bakken bruk av kjernekraft i rommet gir forskningen en sterk akselererende drivkraft.