Kernenergie in de ruimte. Atomaire versnellingsimpulsen

De ideeën om kernenergie te gebruiken om ruimtevaartuigen voort te stuwen en deze te gebruiken in toekomstige buitenaardse bases of nederzettingen zijn niet nieuw. Onlangs zijn ze in een nieuwe golf terechtgekomen, en nu ze een veld van grote machtsconcurrentie worden, wordt de implementatie ervan waarschijnlijker.

NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie zijn een zoektocht begonnen onder dealerbedrijven kerncentraleprojecten op de maan en Mars. Dit zou langetermijnonderzoek en misschien zelfs nederzettingsprojecten moeten ondersteunen. Het doel van NASA is om het toestel in 2026 gereed te hebben voor lancering. De faciliteit moet volledig op aarde worden vervaardigd en geassembleerd en vervolgens op veiligheid worden getest.

Antonius CalominoDat zei NASA's directeur nucleaire technologie bij het directoraat Ruimtetechnologie Het plan is om een ​​kernsplijtingssysteem van XNUMX kilowatt te ontwikkelen dat uiteindelijk zal worden gelanceerd en op de maan zal worden geplaatst. (1). Het zou worden geïntegreerd met de maanlander en er zou een lanceervoertuig naartoe worden vervoerd maan baan. Lader Breng het systeem vervolgens naar de oppervlakte.

Er wordt verwacht dat het bij aankomst op de locatie onmiddellijk klaar is voor gebruik, zonder dat er extra montage of constructie nodig is. De operatie is een demonstratie van de mogelijkheden en zal het startpunt vormen voor het gebruik van de oplossing en zijn afgeleiden.

"Zodra de technologie zich tijdens de demonstratie heeft bewezen, kunnen toekomstige systemen worden opgeschaald of kunnen meerdere apparaten samen worden gebruikt voor langetermijnmissies naar de maan en mogelijk naar Mars", legt Calomino uit op CNBC. “Vier eenheden, die elk 10 kilowatt elektriciteit produceren, zullen voldoende stroom leveren het creëren van een buitenpost op de maan of Mars.

Het vermogen om grote hoeveelheden elektriciteit te produceren op het oppervlak van planeten met behulp van een aardsplijtingssysteem zal grootschalige exploratie, menselijke buitenposten en in situ gebruik van hulpbronnen mogelijk maken, terwijl de mogelijkheid van commercialisering mogelijk wordt gemaakt.”

Hoe zal het werken? kerncentrale? Iets verrijkte vorm nucleaire brandstof wilskracht nucleaire kern. Klein kernreactor het zal warmte genereren die wordt overgedragen naar het energieconversiesysteem. Het energieconversiesysteem zal bestaan ​​uit motoren die zijn ontworpen om op reactorwarmte te draaien in plaats van op brandbare brandstof. Deze motoren nemen warmte op, zetten deze om in elektriciteit, die wordt geconditioneerd en gedistribueerd naar gebruikersapparatuur op het oppervlak van de maan en Mars. De methode van warmteafvoer is belangrijk om de juiste bedrijfstemperatuur van apparaten te behouden.

Kernenergie wordt nu gezien als het enige redelijke alternatief zonne energie, wind- en waterkracht zijn niet gemakkelijk toegankelijk. Op Mars varieert de sterkte van de zon bijvoorbeeld sterk, afhankelijk van de tijd van het jaar, en periodieke stofstormen kunnen maanden duren.

Op de maan koude maan de nacht duurt 14 dagen, waarbij het zonlicht aanzienlijk varieert nabij de polen en afwezig is in de permanent beschaduwde kraters. In zulke moeilijke omstandigheden is het moeilijk om energie uit zonlicht te halen en zijn de brandstofvoorraden beperkt. Oppervlaktesplijtingsenergie biedt een lichtgewicht, betrouwbare en efficiënte oplossing.

Anders grondreactorenhet is niet de bedoeling om brandstof te verwijderen of te vervangen. Er is ook een plan om de locatie aan het einde van de tienjarige missie veilig te ontmantelen. “Aan het einde van zijn levensduur wordt het systeem uitgeschakeld en zal het stralingsniveau geleidelijk afnemen tot een niveau dat veilig is voor menselijke toegang en bediening”, legt Calomino uit. “Afvalsystemen kunnen worden verplaatst naar een afgelegen opslaglocatie waar ze de bemanning of het milieu niet in gevaar brengen.”

Kleine, lichtgewicht, maar efficiënte reactor, waar veel vraag naar is

Naarmate de ruimteverkenning vordert, doen we het al behoorlijk goed productiesystemen voor kernenergie op kleine schaal. Dergelijke systemen hebben lange tijd onbemande ruimtevaartuigen aangedreven die naar de verre uithoeken van het zonnestelsel reizen.

In 2019 vloog het nucleair aangedreven New Horizons-ruimtevaartuig door het verste object dat ooit van dichtbij is waargenomen, Ultima Thule, ver voorbij Pluto in een gebied dat bekend staat als de Kuipergordel. Zonder kernenergie zou hij het niet kunnen doen. Buiten de baan van Mars is zonne-energie niet in voldoende sterkte beschikbaar. Chemische bronnen gaan niet lang mee omdat hun energiedichtheid te laag is en hun massa te hoog.

Gebruikt bij langeafstandsmissies radiothermische generatoren (RTG) maakt gebruik van de plutoniumisotoop 238Pu, die ideaal is voor het genereren van constante warmte uit natuurlijk radioactief verval door alfadeeltjes uit te zenden, die vervolgens worden omgezet in elektriciteit. De halfwaardetijd van 88 jaar betekent dat het een langetermijnmissie zal vervullen. RTG's kunnen echter niet de hoge vermogensdichtheid bieden die nodig is voor langdurige missies, grotere schepen, laat staan ​​buitenaardse bases.

De oplossing voor bijvoorbeeld een onderzoeksaanwezigheid en misschien een nederzetting op Mars of de maan zouden de kleine reactorontwerpen kunnen zijn die NASA al enkele jaren aan het testen is. Deze apparaten staan ​​bekend als Kilopower-splijtingsenergieproject (2), zijn ontworpen om stroom van 1 tot 10 kW te leveren en kunnen worden geconfigureerd als gecoördineerde modules om voortstuwingssystemen aan te drijven of om exploratie, mijnbouw of kolonies op buitenaardse ruimtelichamen te ondersteunen.

Zoals je weet is massa van belang in de ruimte. reactor vermogen het mag het gewicht van een gemiddelde auto niet overschrijden. Zoals we bijvoorbeeld weten uit de recente show Falcon Zware raketten van SpaceXeen auto de ruimte in lanceren is momenteel geen technisch probleem. Lichtreactoren kunnen dus gemakkelijk in een baan rond de aarde en daarbuiten worden gelanceerd.

2. Kilopower XNUMX kilowatt reactorprototype.

Een raket met een reactor roept hoop en angst op

Voormalig NASA-beheerder Jim Bridenstine benadrukte hij vele malen voordelen van nucleaire thermische motoren, eraan toevoegend dat een groter vermogen in een baan om de aarde mogelijk orbitale voertuigen met succes zou kunnen ontwijken in het geval van een aanval door een antisatellietwapen.

Reactoren in een baan om de aarde ze zouden ook krachtige militaire lasers kunnen aandrijven, wat ook van groot belang is voor de Amerikaanse autoriteiten. Voordat een nucleaire raketmotor echter zijn eerste vlucht maakt, moet NASA zijn wetten met betrekking tot de levering van nucleair materiaal in de ruimte veranderen. Als dit zo is, dan zou volgens NASA de eerste vlucht van een kernmotor in 2024 moeten plaatsvinden.

De VS lijken echter momentum te geven aan hun nucleaire projecten, vooral nadat Rusland een tienjarig programma heeft aangekondigd voor de bouw van een civiel nucleair aangedreven ruimtevaartuig. Ooit waren ze de onbetwiste leider op het gebied van ruimtetechnologie.

In de jaren zestig hadden de Verenigde Staten een project voor de Orion pulse-pulse kernraket, die zo krachtig moest zijn dat er hele steden de ruimte in verplaatsenen maak zelfs een bemande vlucht naar Alpha Centauri. Al deze oude Amerikaanse sci-fi-series liggen sinds de jaren 70 op de plank.

Het is echter tijd om het oude concept af te stoffen. kernmotor in de ruimtevooral omdat concurrenten, in dit geval vooral Rusland, de laatste tijd grote belangstelling hebben getoond voor deze technologie. Een nucleaire thermische raket zou de vliegtijd naar Mars kunnen halveren, misschien zelfs tot honderd dagen, wat betekent dat de astronauten minder hulpbronnen zouden verbruiken en een lagere stralingsbelasting op de bemanning zouden hebben. Bovendien lijkt het erop dat er niet zo'n afhankelijkheid zal zijn van "vensters", dat wil zeggen de herhaalde benadering van Mars naar de aarde om de paar jaar.

Er bestaat echter een risico, waaronder het feit dat de reactor aan boord een extra stralingsbron zou zijn in een situatie waarin de ruimte al een enorme bedreiging van deze aard vormt. Dat is niet alles. Nucleaire thermische motor het kan niet in de atmosfeer van de aarde worden gelanceerd uit angst voor mogelijke explosies en besmetting. Daarom zijn er normale raketten beschikbaar voor lancering. Daarom slaan we de duurste fase die gepaard gaat met het lanceren van massa vanaf de aarde in een baan om de aarde niet over.

NASA-onderzoeksproject gebeld BOMEN (nucleaire thermische raketomgevingssimulator) is een voorbeeld van NASA's inspanningen om terug te keren naar nucleaire voortstuwing. In 2017, voordat er zelfs maar sprake was van een terugkeer naar de technologie, gunde NASA BWX Technologies een driejarig contract ter waarde van $ 19 miljoen om de brandstofcomponenten en reactoren te ontwikkelen die nodig zijn voor de bouw. nucleaire motor. Een van NASA's nieuwste concepten voor nucleaire voortstuwing in de ruimte is de Swarm-Probe ATEG-reactor, SPEAR (3), die naar verwachting een nieuwe lichtgewicht reactormoderator en geavanceerde thermo-elektrische generatoren (ATEG's) zal gebruiken om de totale kernmassa aanzienlijk te verminderen.

Dit vereist een verlaging van de bedrijfstemperatuur en een verlaging van het algehele kernvermogensniveau. De verminderde massa zal echter minder voortstuwingsvermogen vereisen, wat resulteert in een klein, goedkoop, nucleair aangedreven elektrisch ruimtevaartuig.

3. Visualisatie van de sonde ontwikkeld binnen het Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor-project.

Anatoly PerminovDit werd aangekondigd door het hoofd van de Russische Federale Ruimtevaartorganisatie. zal een nucleair aangedreven ruimtevaartuig ontwikkelen voor verre ruimtereizen, met een eigen, originele aanpak. Het voorlopige ontwerp was in 2013 voltooid en de komende negen jaar van ontwikkeling zijn gepland. Dit systeem zou een combinatie zijn van kernenergieopwekking en ionenvoortstuwing. Het hete gas van 9 °C uit de reactor moet een turbine laten draaien, die een generator laat draaien die elektriciteit opwekt voor de ionenmotor.

Volgens Perminov is de rit zou een bemande missie naar Mars kunnen ondersteunenen astronauten konden dankzij kernenergie 30 dagen op de Rode Planeet blijven. In totaal zou een nucleair aangedreven missie naar Mars met constante versnelling zes weken duren in plaats van acht maanden, uitgaande van 300 keer de stuwkracht van een chemische motor.

Niet alles verloopt echter zo soepel in het Russische programma. In augustus 2019 ontplofte een reactor die deel uitmaakte van een raketmotor in de Oostzee in Sarov, Rusland, aan de oevers van de Witte Zee. vloeibare brandstof. Het is niet bekend of deze ramp verband houdt met het hierboven beschreven Russische onderzoeksprogramma voor nucleaire voortstuwing.

Er is echter ongetwijfeld sprake van een element van concurrentie tussen de VS en Rusland, en mogelijk ook China gebruik van kernenergie in de ruimte geeft onderzoek een sterke versnellende impuls.