Jedrska energija v vesolju. Impulzi atomskega pospeška

Zamisli o uporabi jedrske energije za pogon vesoljskih plovil in njeni uporabi v prihodnjih nezemeljskih bazah ali naselbinah niso nove. Pred kratkim so prišli v novem valu in ko postanejo polje rivalstva velikih sil, postane njihova izvedba bolj verjetna.

NASA in ameriško ministrstvo za energijo sta začela iskati med trgovskimi podjetji projekti jedrskih elektrarn na Luni in Marsu. To bi moralo podpirati dolgoročne raziskave in morda celo poselitvene projekte. Nasin cilj je, da bo pripravljen za izstrelitev do leta 2026. Obrat mora biti v celoti izdelan in sestavljen na Zemlji ter nato testiran glede varnosti.

Anthony Calomino, Nasin direktor za jedrsko tehnologijo pri Upravi za vesoljsko tehnologijo, je dejal, da Načrt je razviti XNUMX-kilovatni jedrski fisijski sistem, ki ga bodo sčasoma izstrelili in postavili na Luno. (1). Integrirati ga mora z lunarnim pristajalnikom in spodbujevalnik ga bo odnesel lunina orbita. Nakladač nato dvignite sistem na površje.

Pričakuje se, da bo po prihodu na lokacijo takoj pripravljen za obratovanje, brez potrebe po dodatni montaži ali gradnji. Operacija je predstavitev možnosti in bo izhodišče za uporabo rešitve in derivatov v.

"Ko je bila tehnologija potrjena med predstavitvijo, je mogoče prihodnje sisteme povečati ali uporabiti več naprav skupaj za dolgoročne misije na Luno in morda Mars," je Calomino pojasnil na CNBC. »Štirje agregati, od katerih vsak proizvede 10 kilovatov električne energije, bodo zagotovili dovolj moči za postavitev postojanke na Luni ali Marsu.

Sposobnost generiranja velikih količin električne energije na površju planetov z uporabo zemeljskega fisijskega sistema bo omogočila obsežne raziskave, človeške postojanke in uporabo virov in situ, hkrati pa bo omogočila možnost komercializacije.«

Kako bo delovalo Nuklearna elektrarna? Rahlo obogatena oblika jedrsko gorivo moč volje jedrsko jedro... Majhna jedrski reaktor proizvajala bo toploto, ki se bo prenašala v sistem za pretvorbo energije. Sistem za pretvorbo moči bo sestavljen iz motorjev, zasnovanih za delovanje na toploto reaktorja in ne na gorljivo gorivo. Ti motorji uporabljajo toploto, jo pretvarjajo v električno energijo, ki jo kondicionirajo in distribuirajo uporabniški opremi na površini Lune in Marsa. Način odvajanja toplote je pomemben za vzdrževanje primerne delovne temperature naprav.

Jedrska energija zdaj velja za edino razumno alternativo, kjer sončna energija, vetrna in vodna energija niso na voljo. Na Marsu se na primer moč sonca močno spreminja glede na letne čase in občasne prašne nevihte lahko trajajo več mesecev.

Na Luni hladna luna noč traja 14 dni, pri čemer se sončna svetloba močno spreminja v bližini polov in je ni v trajno zasenčenih kraterjih. V tako težkih razmerah je pridobivanje energije iz sončne svetlobe težko, zaloge goriva pa omejene. Energija površinske fisije ponuja enostavno, zanesljivo in učinkovito rešitev.

Za razliko od zemeljski reaktorjini namena odstraniti ali zamenjati goriva. Ob koncu 10-letne misije je tudi načrt za varno razgradnjo objekta. "Ob koncu življenjske dobe se bo sistem izklopil, raven sevanja pa se bo postopoma zmanjšala na raven, ki je varna za človekov dostop in delovanje," je pojasnil Calomino. "Sisteme za odpadke je mogoče premakniti na oddaljeno lokacijo za shranjevanje, kjer ne bodo ogrožali posadke ali okolja."

Majhen, lahek, a učinkovit reaktor, po katerem je veliko povpraševanja

Ker se raziskovanje vesolja razvija, nam gre že kar dobro od rok sistemi za proizvodnjo jedrske energije v majhnem obsegu. Takšni sistemi že dolgo poganjajo vesoljska plovila brez posadke, ki potujejo do daljnih delov sončnega sistema.

Leta 2019 je vesoljsko plovilo New Horizons na jedrski pogon preletelo najbolj oddaljeni objekt, kar jih je bilo kdaj videno od blizu, Ultima Thule, daleč onkraj Plutona v regiji, znani kot Kuiperjev pas. Brez jedrske energije mu ne bi uspelo. Sončna energija ni na voljo v zadostni količini zunaj orbite Marsa. Kemični viri ne zdržijo dolgo, ker je njihova energijska gostota prenizka in masa prevelika.

Uporablja se pri misijah na dolge razdalje radiotermalni generatorji (RTG) uporablja plutonijev izotop 238Pu, ki je idealen za ustvarjanje trajne toplote iz naravnega radioaktivnega razpada z oddajanjem delcev alfa, ki se nato pretvorijo v elektriko. Njegova 88-letna razpolovna doba pomeni, da bo služil dolgoročni misiji. Vendar pa RTG ne morejo zagotoviti visoke specifične moči, potrebne za dolge misije, masivnejše ladje, da ne omenjamo nezemeljskih baz.

Rešitev, na primer, za raziskovalno prisotnost in morda naselitev na Marsu ali Luni bi lahko bile majhne zasnove reaktorjev, ki jih NASA preizkuša že več let. Te naprave so znane kot Projekt fisijske energije Kilopower (2) so zasnovani za oskrbo z električno energijo od 1 do 10 kW in jih je mogoče konfigurirati kot koordinirane module za napajanje pogonskih sistemov ali za podporo raziskavam, rudarjenju ali kolonijam na vesoljskih telesih nezemljanov.

Kot veste, je v vesolju pomembna masa. moč reaktorja ne sme presegati teže povprečnega vozila. Kot vemo na primer iz nedavne oddaje Težke rakete SpaceX Falcon Heavyizstrelitev avtomobila v vesolje trenutno ni tehnični problem. Tako lahko svetlobne reaktorje zlahka postavimo v orbito okoli Zemlje in zunaj nje.

2. Prototip reaktorja KIlopower z močjo XNUMX kilovatov.

Raketa z reaktorjem vzbuja upe in strahove

Nekdanji NASA administrator Jim Bridenstine je večkrat poudaril prednosti jedrskih termičnih motorjevin dodal, da bi večja moč v orbiti potencialno omogočila plovilom v orbiti, da se uspešno izognejo v primeru napada s protisatelitskim orožjem.

Reaktorji v orbiti lahko bi poganjali tudi močne vojaške laserje, kar zelo zanima tudi ameriške oblasti. Preden pa jedrski raketni motor opravi svoj prvi polet, mora NASA spremeniti svoje zakone o pošiljanju jedrskih materialov v vesolje. Če je to res, potem naj bi po Nasinem načrtu prvi polet jedrskega motorja potekal leta 2024.

Vendar se zdi, da ZDA pospešeno začenjajo svoje jedrske projekte, zlasti potem, ko je Rusija napovedala desetletni program za izgradnjo civilnega vesoljskega plovila na jedrski pogon. Nekoč so bili nesporni vodilni v vesoljski tehnologiji.

V 60. letih so imele ZDA projekt za jedrsko raketo Orion pulse-pulse, ki naj bi bila tako močna, da bi lahko premikanje celih mest v vesoljein celo opraviti let s posadko do Alfe Kentavra. Vse tiste stare fantastične ameriške serije so na policah že od 70. let.

Vendar je čas, da s starega koncepta obrišemo prah. jedrski motor v vesoljupredvsem zato, ker so tekmeci, v tem primeru predvsem Rusija, v zadnjem času pokazali veliko zanimanje za to tehnologijo. Jedrska termalna raketa bi lahko čas poleta do Marsa skrajšala za polovico, morda celo do XNUMX dni, kar pomeni, da astronavti porabijo manj virov in manj sevalno obremenijo posadko. Poleg tega, kot kaže, ne bo takšne odvisnosti od "oken", torej ponavljajočega se približevanja Marsa Zemlji vsakih nekaj let.

Vendar pa obstaja tveganje, ki vključuje dejstvo, da bi bil reaktor na krovu dodaten vir sevanja v razmerah, ko vesolje že nosi veliko nevarnost te narave. To še ni vse. Jedrski termalni motor ni ga mogoče izstreliti v zemeljsko atmosfero zaradi strahu pred morebitno eksplozijo in kontaminacijo. Zato so za izstrelitev predvidene običajne rakete. Zato ne preskočimo najdražje faze, povezane z izstrelitvijo mase v orbito z Zemlje.

Nasin raziskovalni projekt imenovan DREVES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) je en primer Nasinih prizadevanj za vrnitev k jedrskemu pogonu. Leta 2017, preden je bilo govora o vrnitvi k tehnologiji, je NASA podjetju BWX Technologies podelila triletno pogodbo v vrednosti 19 milijonov dolarjev za razvoj komponent goriva in reaktorjev, potrebnih za gradnjo. jedrski motor. Eden najnovejših Nasinih konceptov vesoljskega jedrskega pogona je reaktor Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), za katerega se pričakuje, da bo uporabljal nov moderator lahkega reaktorja in napredne termoelektrične generatorje (ATEG) za znatno zmanjšanje skupne mase jedra.

To bo zahtevalo znižanje delovne temperature in znižanje splošne ravni moči jedra. Vendar bo zmanjšana masa zahtevala manj pogonske moči, kar bo povzročilo majhno, poceni električno vesoljsko plovilo na jedrski pogon.

3. Vizualizacija sonde, razvite v okviru projekta Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminovTo je sporočil vodja Zvezne vesoljske agencije Rusije. bo razvil vesoljsko plovilo na jedrski pogon za potovanje v globoko vesolje, ki ponuja svoj, izviren pristop. Idejni projekt je bil izdelan do leta 2013, razvoj pa je predviden v naslednjih 9 letih. Ta sistem bi moral biti kombinacija proizvodnje jedrske energije z ionskim pogonskim sistemom. Vroč plin pri 1500 °C iz reaktorja bi moral vrteti turbino, ki vrti generator, ki proizvaja elektriko za ionski motor.

Po mnenju Perminova pogon bo lahko podpiral misijo s posadko na Marsin astronavti bi lahko zaradi jedrske energije ostali na Rdečem planetu 30 dni. Skupaj bi let na Mars z jedrskim motorjem in stalnim pospeševanjem trajal šest tednov namesto osmih mesecev, ob predpostavki, da je potisk 300-krat večji od potiska kemičnega motorja.

Vendar v ruskem programu ni vse tako gladko. Avgusta 2019 je v ruskem Sarovu na obali Belega morja eksplodiral reaktor, ki je bil del raketnega motorja v Baltskem morju. tekoče gorivo. Ni znano, ali je ta nesreča povezana z zgoraj opisanim ruskim raziskovalnim programom jedrskega pogona.

Nedvomno pa element rivalstva med ZDA in Rusijo ter morda Kitajsko na terenu. uporaba jedrske energije v vesolju daje raziskavam močan pospeševalni zagon.