Energia nucleară în spațiu. Impulsuri de accelerație atomică

Ideile de utilizare a energiei nucleare pentru a propulsa nave spațiale și de a o folosi în viitoare baze sau așezări extraterestre nu sunt noi. Recent, au venit într-un nou val și, pe măsură ce devin un câmp de competiție de mare putere, implementarea lor devine mai probabilă.

NASA și Departamentul de Energie al SUA au început o căutare între companiile de dealeri proiecte de centrale nucleare pe Lună și Marte. Acest lucru ar trebui să sprijine cercetarea pe termen lung și poate chiar proiectele de așezare. Scopul NASA este ca acesta să fie pregătit pentru lansare până în 2026. Instalația trebuie să fie complet fabricată și asamblată pe Pământ și apoi testată pentru siguranță.

Anthony Calomino, directorul de tehnologie nucleară al NASA în Direcția de Tehnologie Spațială, a spus că Planul este de a dezvolta un sistem de fisiune nucleară de 100 de kilowați care va fi în cele din urmă lansat și plasat pe Lună. (1). Ar fi integrat cu aterizatorul lunar și un vehicul de lansare l-ar transporta orbita lunii. Încărcător apoi scoateți sistemul la suprafață.

Este de așteptat să fie imediat gata de utilizare la sosirea pe șantier, fără a fi necesară asamblare sau construcție suplimentară. Operația este o demonstrație a capacităților și va fi punctul de plecare pentru utilizarea soluției și a derivatelor acesteia.

„Odată ce tehnologia este dovedită în timpul demonstrației, sistemele viitoare ar putea fi extinse sau mai multe dispozitive ar putea fi utilizate împreună pentru misiuni pe termen lung pe Lună și, eventual, pe Marte”, a explicat Calomino la CNBC. „Patru unități, fiecare producând 10 kilowați de electricitate, vor furniza suficientă energie pentru creând un avanpost pe Lună sau Marte.

Capacitatea de a produce cantități mari de electricitate pe suprafața planetelor folosind un sistem de fisiune terestru va permite explorarea pe scară largă, avanposturile umane și utilizarea resurselor in situ, permițând în același timp posibilitatea comercializării.”

Cum va funcționa centrală nucleară? Formă ușor îmbogățită combustibil nuclear voință miez nuclear. Mic reactor nuclear va genera căldură care va fi transferată în sistemul de conversie a energiei. Sistemul de conversie a energiei va consta din motoare proiectate să funcționeze mai degrabă cu căldura reactorului decât cu combustibil combustibil. Aceste motoare preiau căldură, o transformă în electricitate, care este condiționată și distribuită echipamentelor utilizatorului de pe suprafața Lunii și a lui Marte. Metoda de disipare a căldurii este importantă pentru a menține temperatura de funcționare adecvată a dispozitivelor.

Energie nucleara este acum văzută ca singura alternativă rezonabilă unde energie solara, eoliană și hidroenergetică nu sunt ușor accesibile. Pe Marte, de exemplu, puterea soarelui variază foarte mult în funcție de perioada anului, iar furtunile periodice de praf pot dura luni de zile.

Pe luna lunar rece noaptea durează 14 zile, lumina soarelui variind semnificativ în apropierea polilor și absentă în craterele permanent umbrite. În condiții atât de dificile, obținerea energiei din lumina soarelui este dificilă, iar rezervele de combustibil sunt limitate. Energia de fisiune de suprafață oferă o soluție ușoară, fiabilă și eficientă.

Spre deosebire de reactoare la solnu există intenția de a scoate sau înlocui combustibilul. Există, de asemenea, un plan de dezafectare în siguranță a șantierului la sfârșitul misiunii de 10 ani. „La sfârșitul duratei de viață, sistemul va fi oprit, iar nivelul de radiație va scădea treptat până la un nivel sigur pentru accesul și operarea oamenilor”, a explicat Calomino. „Sistemele de deșeuri pot fi mutate într-o locație de depozitare la distanță, unde nu vor pune în pericol echipajul sau mediul.”

Reactor mic, ușor, dar eficient, la mare căutare

Pe măsură ce explorarea spațiului progresează, ne descurcăm deja destul de bine sisteme de producere a energiei nucleare la scară mică. Astfel de sisteme au alimentat de mult nave spațiale fără pilot care călătoresc în zonele îndepărtate ale sistemului solar.

În 2019, nava spațială New Horizons cu propulsie nucleară a zburat prin cel mai îndepărtat obiect observat vreodată la distanță apropiată, Ultima Thule, mult dincolo de Pluto, într-o regiune cunoscută sub numele de Centura Kuiper. Nu ar putea face asta fără energie nucleară. Energia solară nu este disponibilă cu o putere suficientă dincolo de orbita lui Marte. Sursele chimice nu durează mult deoarece densitatea lor energetică este prea mică și masa lor este prea mare.

Folosit în misiuni cu rază lungă generatoare termice radio (RTG) folosește izotopul de plutoniu 238Pu, care este ideal pentru a genera căldură constantă din degradarea radioactivă naturală prin emiterea de particule alfa, care sunt apoi transformate în electricitate. Timpul său de înjumătățire de 88 de ani înseamnă că va servi o misiune pe termen lung. Cu toate acestea, RTG-urile nu pot oferi densitatea mare de putere necesară misiunilor de lungă durată, nave mai masive, cu atât mai puțin baze extraterestre.

Soluția, de exemplu, pentru o prezență de explorare și poate o așezare pe Marte sau pe Lună ar putea fi proiectele de reactoare mici pe care NASA le-a testat de câțiva ani. Aceste dispozitive sunt cunoscute ca Proiect de energie de fisiune Kilopower (2), sunt concepute pentru a furniza putere de la 1 la 10 kW și pot fi configurate ca module coordonate pentru a alimenta sistemele de propulsie sau pentru a sprijini explorarea, minerit sau colonii pe corpuri spațiale extraterestre.

După cum știți, masa contează în spațiu. puterea reactorului nu trebuie să depășească greutatea unei mașini medii. După cum știm, de exemplu, din emisiunea recentă Rachete Falcon Heavy de la SpaceXlansarea unei mașini în spațiu nu este în prezent o problemă tehnică. Astfel, reactoarele de lumină pot fi lansate cu ușurință pe orbită în jurul Pământului și nu numai.

2. Prototip de reactor KIlopower XNUMX kilowați.

O rachetă cu un reactor trezește speranțe și temeri

Fost administrator al NASA Jim Bridenstine a subliniat de multe ori Avantajele motoarelor termice nucleare, adăugând că o putere mai mare pe orbită ar putea permite vehiculelor orbitale să se sustragă cu succes în cazul unui atac al unei arme anti-satelit.

Reactoarele pe orbită ar putea alimenta, de asemenea, lasere militare de mare putere, ceea ce este, de asemenea, de mare interes pentru autoritățile americane. Cu toate acestea, înainte ca un motor de rachetă nucleară să facă primul său zbor, NASA trebuie să-și schimbe legile privind livrarea materialelor nucleare în spațiu. Dacă este așa, atunci, potrivit NASA, primul zbor al unui motor nuclear ar trebui să aibă loc în 2024.

Cu toate acestea, SUA pare să dea impuls proiectelor sale nucleare, mai ales după ce Rusia a anunțat un program de zece ani pentru construirea unei nave spațiale civile cu propulsie nucleară. Au fost cândva liderul incontestabil în tehnologia spațială.

În anii 60, Statele Unite au avut un proiect pentru racheta nucleară cu impulsuri Orion, care trebuia să fie atât de puternică încât ar putea permite mutând orașe întregi în spațiuși chiar să facă un zbor cu echipaj până la Alpha Centauri. Toate aceste vechi seriale americane SF au stat pe raft încă din anii '70.

Cu toate acestea, este timpul să scoatem praful vechiului concept. motor nuclear în spațiuîn principal pentru că concurenții, în acest caz în special Rusia, au manifestat recent un mare interes pentru această tehnologie. O rachetă termică nucleară ar putea reduce timpul de zbor către Marte la jumătate, poate chiar la o sută de zile, ceea ce înseamnă că astronauții ar consuma mai puține resurse și ar avea o sarcină de radiație mai mică asupra echipajului. În plus, se pare că nu va exista o astfel de dependență de „ferestre”, adică abordarea repetată a lui Marte de Pământ la fiecare câțiva ani.

Cu toate acestea, există un risc, care include faptul că reactorul de la bord ar fi o sursă suplimentară de radiații într-o situație în care spațiul reprezintă deja o amenințare uriașă de această natură. Asta nu e tot. Motor termic nuclear nu poate fi lansat în atmosfera Pământului de teama unei posibile explozii și contaminare. Prin urmare, rachetele normale sunt furnizate pentru lansare. Prin urmare, nu omitem cea mai scumpă etapă asociată cu lansarea masei pe orbită de pe Pământ.

Proiectul de cercetare NASA numit ARBORI (simulatorul de mediu al rachetei termice nucleare) este un exemplu al eforturilor NASA de a reveni la propulsia nucleară. În 2017, înainte să se vorbească despre revenirea la tehnologie, NASA a acordat lui BWX Technologies un contract pe trei ani, în valoare de 19 milioane de dolari, pentru dezvoltarea componentelor combustibilului și a reactoarelor necesare construcției. motor nuclear. Unul dintre cele mai noi concepte de propulsie nucleară spațială ale NASA este reactorul Swarm-Probe ATEG, SPEAR (3), care este de așteptat să folosească un nou moderator de reactor ușor și generatoare termoelectrice avansate (ATEG) pentru a reduce semnificativ masa totală a miezului.

Acest lucru va necesita scăderea temperaturii de funcționare și reducerea nivelului general de putere de bază. Cu toate acestea, masa redusă va necesita mai puțină putere de propulsie, rezultând o navă spațială electrică mică, cu costuri reduse, cu propulsie nucleară.

3. Vizualizarea sondei dezvoltate în cadrul proiectului Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovAcest lucru a fost anunțat de șeful Agenției Spațiale Federale Ruse. va dezvolta o navă spațială cu propulsie nucleară pentru călătoriile în spațiul adânc, oferind o abordare proprie, originală. Proiectul preliminar a fost finalizat până în 2013, iar următorii 9 ani de dezvoltare sunt planificați. Acest sistem ar fi o combinație de generare de energie nucleară și propulsie ionică. Gazul fierbinte de 1500°C din reactor trebuie să învârtă o turbină, care învârte un generator care generează electricitate pentru motorul cu ioni.

Potrivit lui Perminov, unitatea ar putea sprijini o misiune cu echipaj pe Marteiar astronauții ar putea rămâne pe Planeta Roșie timp de 30 de zile datorită energiei nucleare. În total, o misiune nucleară pe Marte cu accelerație constantă ar dura șase săptămâni în loc de opt luni, presupunând o forță de 300 de ori mai mare decât a unui motor chimic.

Cu toate acestea, nu totul este atât de lin în programul rus. În august 2019, un reactor care făcea parte dintr-un motor de rachetă în Marea Baltică a explodat la Sarov, Rusia, pe malul Mării Albe. combustibil lichid. Nu se știe dacă acest dezastru este legat de programul rus de cercetare a propulsiei nucleare descris mai sus.

Fără îndoială, totuși, există un element de concurență între SUA și Rusia și, eventual, China, pe teren utilizarea energiei nucleare în spațiu dă cercetării un puternic impuls de accelerare.