Kärnenergi i rymden. Atomaccelerationsimpulser

Tanken på att använda kärnenergi för att driva fram rymdfarkoster och använda den i framtida utomjordiska baser eller bosättningar är inte ny. Nyligen har de kommit i en ny våg, och när de blir ett område av stormaktsrivalitet, blir implementeringen mer sannolikt.

NASA och det amerikanska energidepartementet inledde en sökning bland återförsäljarföretag projekt av kärnkraftverk på månen och Mars. Detta bör stödja långsiktig forskning och kanske till och med bosättningsprojekt. NASA:s mål är att ha den klar för lansering 2026. Anläggningen måste vara helt tillverkad och monterad på jorden och sedan testas för säkerhet.

Anthony Calomino, sa NASA:s chef för kärnteknik vid Space Technology Administration Planen är att utveckla ett kärnklyvningssystem på XNUMX kilowatt som så småningom kommer att skjutas upp och placeras på månen. (ett). Den måste integreras med månlandaren och boostern tar den till månens bana. Lastare ta sedan upp systemet till ytan.

Det förväntas att det vid ankomst till platsen är omedelbart klart för drift, utan behov av ytterligare montering eller konstruktion. Operationen är en demonstration av möjligheterna och kommer att vara utgångspunkten för att använda lösningen och dess derivator.

"När tekniken har validerats under en demonstration, kan framtida system skalas upp eller flera enheter kan användas tillsammans för långsiktiga uppdrag till månen och möjligen Mars," förklarade Calomino på CNBC. "Fyra enheter, som var och en producerar 10 kilowatt el, kommer att ge tillräckligt med ström till sätta upp en utpost på månen eller Mars.

Möjligheten att generera stora mängder elektricitet på planeternas yta med hjälp av ett markbaserat klyvningssystem kommer att möjliggöra storskalig forskning, mänskliga utposter och användning av resurser på plats, samtidigt som det ger möjlighet till kommersialisering.”

Hur kommer det att fungera kärnkraftverk? Något berikad form kärnbränsle viljestyrka kärnkraftskärna. Små kärnreaktor den kommer att generera värme, som kommer att överföras till kraftomvandlingssystemet. Energiomvandlingssystemet kommer att bestå av motorer konstruerade för att drivas på reaktorvärme snarare än brännbart bränsle. Dessa motorer använder värme, omvandlar den till elektricitet, som konditioneras och distribueras till användarutrustning på Månens och Mars yta. Metoden för värmeavledning är viktig för att upprätthålla rätt driftstemperatur för enheterna.

Kärnkraft betraktas nu som det enda rimliga alternativet där solenergi, vind- och vattenkraft är inte lätt tillgängliga. På Mars, till exempel, varierar solens styrka mycket med årstiderna, och periodiska dammstormar kan pågå i månader.

På månen kall mån natten varar i 14 dagar, med solljus som varierar kraftigt nära polerna och frånvarande från de permanent skuggade kratrarna. Under så svåra förhållanden är det svårt att få energi från solljus, och bränsletillförseln är begränsad. Ytklyvningsenergi erbjuder en enkel, pålitlig och effektiv lösning.

Till skillnad från markreaktorerdet finns ingen avsikt att ta bort eller byta ut bränslet. I slutet av det 10-åriga uppdraget finns också en plan för säker avveckling av anläggningen. "I slutet av dess livslängd kommer systemet att stängas av och strålningsnivån kommer gradvis att minska till en nivå som är säker för mänsklig åtkomst och drift," förklarade Calomino. "Avfallssystem kan flyttas till en avlägsen lagringsplats där de inte kommer att äventyra besättningen eller miljön."

Liten, lätt men effektiv reaktor, i hög efterfrågan

När rymdutforskningen utvecklas gör vi det redan ganska bra med kärnkraftsproduktionssystem i liten skala. Sådana system har länge drivit obemannade rymdfarkoster som färdas till de yttersta delarna av solsystemet.

2019 flög den kärnkraftsdrivna rymdfarkosten New Horizons genom det mest avlägsna objekt som någonsin setts på nära håll, Ultima Thule, långt bortom Pluto i en region som kallas Kuiperbältet. Han hade inte kunnat göra det utan kärnkraft. Solenergi är inte tillgänglig i tillräcklig styrka utanför Mars omloppsbana. Kemiska källor håller inte länge eftersom deras energitäthet är för låg och deras massa är för stor.

Används vid långdistansuppdrag radiotermiska generatorer (RTG) använder plutoniumisotopen 238Pu, som är idealisk för att generera permanent värme från naturligt radioaktivt sönderfall genom att sända ut alfapartiklar, som sedan omvandlas till elektricitet. Dess 88-åriga halveringstid betyder att den kommer att tjäna ett långsiktigt uppdrag. RTG:er kan dock inte ge den höga specifika kraften som krävs för långa uppdrag, mer massiva fartyg, för att inte tala om utomjordiska baser.

En lösning, till exempel, för en utforskande närvaro och eventuellt en bosättning på Mars eller månen kan vara små reaktorkonstruktioner som NASA har testat i flera år. Dessa enheter är kända som Kilopower fission energiprojekt (2), är utformade för att leverera elektrisk effekt från 1 till 10 kW och kan konfigureras som koordinerade moduler för att driva framdrivningssystem eller för att stödja forskning, gruvdrift eller kolonier på främmande rymdkroppar.

Som ni vet spelar massa roll i rymden. reaktorkraft den bör inte överstiga vikten av ett genomsnittligt fordon. Som vi till exempel vet från en show nyligen SpaceX Falcon Tunga raketerAtt skjuta upp en bil i rymden är för närvarande inget tekniskt problem. Således kan lätta reaktorer enkelt placeras i omloppsbana runt jorden och utanför.

2. XNUMX kilowatt KIlopower reaktor prototyp.

Raket med reaktor väcker förhoppningar och farhågor

Tidigare NASA-administratör Jim Bridenstine betonade han många gånger fördelarna med kärnvärmemotorer, och tillägger att mer kraft i omloppsbana potentiellt kan tillåta kretsande farkoster att framgångsrikt undvika om de attackeras av anti-satellitvapen.

Reaktorer i omloppsbana de skulle också kunna driva kraftfulla militära lasrar, vilket också är av stort intresse för amerikanska myndigheter. Men innan en kärnraketmotor gör sin första flygning måste NASA ändra sina lagar om att få ut kärnmaterial i rymden. Om detta är sant, bör, enligt NASA:s plan, den första flygningen av en kärnkraftsmotor ske 2024.

USA verkar dock ha fart på sina kärnkraftsprojekt, särskilt efter att Ryssland tillkännagav ett decennierlångt program för att bygga en kärnkraftsdriven civil rymdfarkost. De var en gång den obestridda ledaren inom rymdteknik.

På 60-talet hade USA ett projekt för kärnvapenmissilen Orion pulspuls, som var tänkt att vara så kraftfull att den kunde tillåta flytta hela städer ut i rymdenoch till och med göra ett bemannat flyg till Alpha Centauri. Alla de där gamla amerikanska fantasyserierna har legat på hyllan sedan 70-talet.

Det är dock dags att damma av det gamla konceptet. kärnkraftsmotor i rymdenfrämst för att konkurrenter, i det här fallet främst Ryssland, nyligen visat stort intresse för denna teknik. En termisk kärnraket kan halvera flygtiden till Mars, kanske till och med till hundra dagar, vilket innebär att astronauter förbrukar färre resurser och mindre strålbelastning på besättningen. Dessutom, som det verkar, kommer det inte att finnas något sådant beroende av "fönster", det vill säga Mars upprepade närmande till jorden med några års mellanrum.

Det finns dock en risk, som inkluderar det faktum att reaktorn ombord skulle vara en extra strålningskälla i en situation där rymden redan bär på ett enormt hot av denna karaktär. Det är inte allt. Nukleär termisk motor den kan inte skjutas upp i jordens atmosfär av rädsla för en eventuell explosion och förorening. Därför tillhandahålls normala raketer för uppskjutning. Därför hoppar vi inte över det mest kostsamma skedet i samband med uppskjutningen av massa i omloppsbana från jorden.

NASA forskningsprojekt kallas TRÄD (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) är ett exempel på NASA:s ansträngningar att återgå till kärnkraftsdrift. 2017, innan det talades om en återgång till tekniken, tilldelade NASA BWX Technologies ett treårigt kontrakt på 19 miljoner dollar för att utveckla de bränslekomponenter och reaktorer som behövs för konstruktionen. kärnkraftsmotor. Ett av NASA:s nyaste kärnkraftsframdrivningskoncept är Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), som förväntas använda en ny lättviktsreaktormoderator och avancerade termoelektriska generatorer (ATEG) för att avsevärt minska den totala kärnmassan.

Detta kommer att kräva sänkning av driftstemperaturen och minskning av kärnans totala effektnivå. Den minskade massan skulle dock kräva mindre framdrivningskraft, vilket resulterade i en liten, billig, kärnkraftsdriven elektrisk rymdfarkost.

3. Visualisering av sonden utvecklad inom ramen för projektet Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminovDetta tillkännagavs av chefen för Rysslands Federal Space Agency. ska utveckla en kärnkraftsdriven rymdfarkost för djupa rymdresor, som erbjuder ett eget, originellt tillvägagångssätt. Den preliminära designen slutfördes 2013, och de kommande 9 åren är planerade för utveckling. Detta system bör vara en kombination av kärnkraftsproduktion med ett jonframdrivningssystem. Het gas vid 1500°C från reaktorn ska vända en turbin som slår på en generator som genererar el till jonmotorn.

Enligt Perminov, enheten kommer att kunna stödja ett bemannat uppdrag till Marsoch astronauter kunde stanna på den röda planeten i 30 dagar tack vare kärnkraften. Totalt skulle en flygning till Mars med en kärnkraftsmotor och konstant acceleration ta sex veckor istället för åtta månader, om man antar en dragkraft som är 300 gånger större än en kemisk motors.

Allt är dock inte så smidigt i det ryska programmet. I augusti 2019 exploderade en reaktor i Sarov, Ryssland vid Vita havets stränder, som var en del av en raketmotor i Östersjön. flytande bränsle. Det är inte känt om denna katastrof är relaterad till det ryska forskningsprogrammet för kärnkraftsframdrivning som beskrivs ovan.

Utan tvekan, dock ett inslag av rivalitet mellan USA och Ryssland, och möjligen Kina på plats användning av kärnenergi i rymden ger forskningen en stark accelererande impuls.