Ydinenergia avaruudessa. Atomikiihtyvyysimpulssit

Ajatus ydinenergian käyttämisestä avaruusalusten kuljettamiseen ja sen käyttämiseen tulevissa maan ulkopuolisissa tukikohdissa tai siirtokunnissa ei ole uusi. Viime aikoina ne ovat tulleet uudelle aallolle, ja kun niistä tulee suurvaltakilpailun kenttä, niiden toteuttaminen tulee todennäköisemmäksi.

NASA ja Yhdysvaltain energiaministeriö aloittivat haun jälleenmyyjien keskuudessa Kuun ja Marsin ydinvoimalaitosprojektit. Tämän pitäisi tukea pitkän aikavälin tutkimusta ja ehkä jopa ratkaisuhankkeita. NASAn tavoitteena on saada se laukaisuvalmiiksi vuoteen 2026 mennessä. Laitos on valmistettava ja koottava kokonaan maan päällä, minkä jälkeen sen turvallisuus on testattava.

Anthony Calomino, NASAn ydinteknologian johtaja Space Technology Administrationissa, sanoi sen Suunnitelmana on kehittää XNUMX kilowatin ydinfissiojärjestelmä, joka lopulta laukaistaan ​​ja sijoitetaan Kuuhun. (yksi). Se on integroitava kuun laskeutujaan ja tehostin vie sen kuun kiertoradalla. Kuormaaja sitten tuo järjestelmä pintaan.

Sen odotetaan olevan työmaalle saapuessaan heti käyttövalmis ilman lisäkokoonpanoa tai rakentamista. Operaatio on esitys mahdollisuuksista ja on lähtökohta ratkaisun ja sen johdannaisten käytölle.

"Kun tekniikka on validoitu esittelyn aikana, tulevia järjestelmiä voidaan skaalata tai useita laitteita voidaan käyttää yhdessä pitkäaikaisilla lennoilla Kuuhun ja mahdollisesti Marsiin", Calomino selitti CNBC:lle. ”Neljästä yksiköstä, joista jokainen tuottaa 10 kilowattia sähköä, riittää tehoa etuvartioaseman perustaminen Kuuhun tai Marsiin.

Mahdollisuus tuottaa suuria määriä sähköä planeettojen pinnalle maanpäällisen fissiojärjestelmän avulla mahdollistaa laajamittaisen tutkimuksen, ihmisen etuvartioaseman ja resurssien käytön in situ, samalla kun mahdollistaa kaupallistamisen."

Miten se toimii ydinvoimala? Hieman rikastettu muoto ydinpolttoaine tulee voimaa ydin ydin... Pieni ydinreaktori se tuottaa lämpöä, joka siirretään energian muuntojärjestelmään. Energian muuntojärjestelmä koostuu moottoreista, jotka on suunniteltu toimimaan reaktorilämmöllä palavan polttoaineen sijaan. Nämä moottorit käyttävät lämpöä, muuttavat sen sähköksi, joka ilmastoillaan ja jaetaan käyttäjälaitteille Kuun ja Marsin pinnalla. Lämmönpoistomenetelmä on tärkeä laitteiden oikean käyttölämpötilan ylläpitämiseksi.

Ydinvoima pidetään nyt ainoana järkevänä vaihtoehtona aurinkoenergia, tuuli ja vesivoima eivät ole helposti saatavilla. Esimerkiksi Marsissa auringon voimakkuus vaihtelee suuresti vuodenaikojen mukaan, ja säännölliset pölymyrskyt voivat kestää kuukausia.

Kuussa kylmä kuu yö kestää 14 päivää, ja auringonvalo vaihtelee suuresti napojen lähellä ja poissa pysyvästi varjostetuista kraattereista. Tällaisissa vaikeissa olosuhteissa energian saaminen auringonvalosta on vaikeaa ja polttoainevarastot ovat rajalliset. Pintafissioenergia tarjoaa helpon, luotettavan ja tehokkaan ratkaisun.

Toisin kuin maareaktoreitapolttoainetta ei ole tarkoitus poistaa tai vaihtaa. 10-vuotisen tehtävän lopussa on myös suunnitelma laitoksen turvallisesta käytöstäpoistosta. "Käyttöikänsä lopussa järjestelmä sammutetaan ja säteilytaso laskee vähitellen tasolle, joka on turvallista ihmisten pääsylle ja käytölle", Calomino selitti. "Jätejärjestelmät voidaan siirtää etävarastoon, jossa ne eivät vaaranna miehistöä tai ympäristöä."

Pieni, kevyt, mutta tehokas reaktori, jolla on suuri kysyntä

Avaruustutkimuksen kehittyessä meillä menee jo melko hyvin ydinvoiman tuotantojärjestelmät pienessä mittakaavassa. Tällaisilla järjestelmillä on pitkään ollut voimansa käyttämättömiä miehittämättömiä avaruusaluksia, jotka matkustavat aurinkokunnan kaukaisiin osiin.

Vuonna 2019 ydinvoimalla toimiva New Horizons -avaruusalus lensi kaukaisimman lähietäisyydeltä koskaan nähdyn kohteen, Ultima Thulen, läpi kauas Pluton takana Kuiperin vyöhykkeenä tunnetulla alueella. Hän ei olisi voinut tehdä sitä ilman ydinvoimaa. Aurinkoenergiaa ei ole saatavilla riittävän vahvana Marsin kiertoradan ulkopuolella. Kemialliset lähteet eivät kestä kauan, koska niiden energiatiheys on liian pieni ja niiden massa on liian suuri.

Käytetään pitkän kantaman tehtävissä radiotermiset generaattorit (RTG) käyttää plutonium-isotooppia 238Pu, joka on ihanteellinen jatkuvan lämmön tuottamiseen luonnollisesta radioaktiivisesta hajoamisesta emittoimalla alfahiukkasia, jotka sitten muunnetaan sähköksi. Sen 88 vuoden puoliintumisaika tarkoittaa, että se palvelee pitkän aikavälin tehtävää. RTG:t eivät kuitenkaan pysty tarjoamaan korkeaa ominaistehoa, jota tarvitaan pitkille tehtäville, massiivisemmille aluksille, puhumattakaan maan ulkopuolisista tukikohdista.

Ratkaisu esimerkiksi tutkivaan läsnäoloon ja mahdollisesti asutukseen Marsiin tai Kuuhun voisi olla pienet reaktorimallit, joita NASA on testannut useiden vuosien ajan. Nämä laitteet tunnetaan nimellä Kilopower-fissioenergiaprojekti (2), on suunniteltu toimittamaan sähkötehoa 1–10 kW, ja ne voidaan konfiguroida koordinoiduiksi moduuleiksi tehonsyöttöjärjestelmiin tai tukemaan tutkimusta, kaivostoimintaa tai siirtomaita muukalaisten avaruuskappaleiden kanssa.

Kuten tiedät, massalla on merkitystä avaruudessa. reaktorin teho se ei saa ylittää keskimääräisen ajoneuvon painoa. Kuten tiedämme esimerkiksi tuoreesta esityksestä SpaceX Falcon Heavy -raketitauton laukaisu avaruuteen ei tällä hetkellä ole tekninen ongelma. Siten kevyet reaktorit voidaan helposti asettaa kiertoradalle Maan ympäri ja sen ulkopuolelle.

2. XNUMX kilowatin KIlopower-reaktorin prototyyppi.

Raketti reaktorilla herättää toiveita ja pelkoja

Entinen NASAn johtaja Jim Bridenstine hän korosti monta kertaa ydinlämpömoottorien edut, lisäten, että enemmän tehoa kiertoradalla voisi mahdollistaa sen, että kiertoradalla olevat alukset pääsevät onnistuneesti kiertämään, jos niihin hyökkäävät satelliittien vastaiset aseet.

Reaktorit kiertoradalla ne voisivat myös käyttää tehokkaita sotilaallisia lasereita, mikä on myös erittäin kiinnostavaa Yhdysvaltain viranomaisia. Ennen kuin ydinrakettimoottori tekee ensimmäisen lentonsa, NASAn on kuitenkin muutettava lakejaan ydinmateriaalien saamisesta avaruuteen. Jos tämä pitää paikkansa, niin NASAn suunnitelman mukaan ydinmoottorin ensimmäisen lennon pitäisi tapahtua vuonna 2024.

Yhdysvallat näyttää kuitenkin käynnistävän ydinprojektinsa, varsinkin sen jälkeen, kun Venäjä ilmoitti vuosikymmenen mittaisesta ohjelmasta ydinvoimalla toimivan siviiliavaruusaluksen rakentamiseksi. He olivat aikoinaan kiistaton johtaja avaruusteknologiassa.

Yhdysvalloilla oli 60-luvulla projekti Orion-pulssipulssiydinohjuksesta, jonka piti olla niin voimakas, että se voisi mahdollistaa siirtää kokonaisia ​​kaupunkeja avaruuteenja jopa lentää miehitettyyn Alpha Centauriin. Kaikki nuo vanhat amerikkalaiset fantasiasarjat ovat olleet hyllyssä 70-luvulta lähtien.

On kuitenkin aika pyyhkiä pöly pois vanhasta käsitteestä. ydinmoottori avaruudessalähinnä siksi, että kilpailijat, tässä tapauksessa pääasiassa Venäjä, ovat viime aikoina osoittaneet suurta kiinnostusta tätä tekniikkaa kohtaan. Ydinlämpöraketti voisi puolittaa lentoajan Marsiin, ehkä jopa sataan päivään, mikä tarkoittaa, että astronautit kuluttavat vähemmän resursseja ja vähemmän säteilykuormitusta miehistölle. Lisäksi, kuten näyttää, ei ole tällaista riippuvuutta "ikkunoista", toisin sanoen Marsin toistuvasta lähestymisestä Maahan muutaman vuoden välein.

On kuitenkin olemassa riski, johon sisältyy se, että laivalla oleva reaktori olisi lisäsäteilyn lähde tilanteessa, jossa avaruudessa on jo valmiiksi suuri tämäntyyppinen uhka. Ei siinä kaikki. Ydinlämpömoottori sitä ei voida laukaista maan ilmakehässä mahdollisen räjähdyksen ja saastumisen pelossa. Siksi laukaisua varten tarjotaan tavallisia raketteja. Siksi emme ohita kalleinta vaihetta, joka liittyy massan käynnistämiseen kiertoradalle Maasta.

NASAn tutkimusprojekti ns PUUT (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) on yksi esimerkki NASAn pyrkimyksistä palata ydinvoimaan. Vuonna 2017, ennen kuin teknologiaan palaamisesta puhuttiin, NASA myönsi BWX Technologiesille kolmivuotisen 19 miljoonan dollarin sopimuksen rakentamiseen tarvittavien polttoainekomponenttien ja reaktorien kehittämiseksi. ydinmoottori. Yksi NASAn uusimmista avaruusydinpropulsiokonsepteista on Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), jonka odotetaan käyttävän uutta kevyttä reaktorin moderaattoria ja kehittyneitä lämpösähkögeneraattoreita (ATEG) vähentämään merkittävästi ydinmassaa.

Tämä edellyttää käyttölämpötilan alentamista ja ytimen kokonaistehotason alentamista. Vähentynyt massa vaatisi kuitenkin vähemmän propulsiotehoa, mikä johtaisi pieneen, halvaan, ydinvoimalla toimivaan sähköavaruusalukseen.

3. Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor -projektissa kehitetyn anturin visualisointi.

Anatoli PerminovAsiasta ilmoitti Venäjän liittovaltion avaruusjärjestön johtaja. kehittää ydinkäyttöisen avaruusaluksen syväavaruuteen, joka tarjoaa oman alkuperäisen lähestymistapansa. Esisuunnittelu valmistui vuoteen 2013 mennessä, ja kehitystyötä on suunnitteilla seuraavat 9 vuotta. Tämän järjestelmän pitäisi olla yhdistelmä ydinvoiman tuotantoa ja ionipropulsiojärjestelmää. Reaktorista tulevan 1500°C:n kuuman kaasun pitäisi kääntää turbiini, joka kääntää generaattorin, joka tuottaa sähköä ionimoottorille.

Perminovin mukaan asema pystyy tukemaan miehitettyä Mars-matkaaja astronautit voisivat viipyä Punaisella planeetalla 30 päivää ydinvoiman ansiosta. Kaiken kaikkiaan lento Marsiin ydinmoottorilla ja jatkuvalla kiihdytyksellä kestäisi kuusi viikkoa kahdeksan kuukauden sijasta, jos työntövoima olisi 300 kertaa suurempi kuin kemiallisen moottorin.

Kaikki ei kuitenkaan ole niin sujuvaa venäläisessä ohjelmassa. Elokuussa 2019 Sarovissa Venäjällä Valkoisenmeren rannalla räjähti reaktori, joka oli osa Itämeren rakettimoottoria. nestemäistä polttoainetta. Ei tiedetä, liittyykö tämä katastrofi edellä kuvattuun Venäjän ydinvoiman tutkimusohjelmaan.

Epäilemättä kuitenkin kilpailutekijä Yhdysvaltojen ja Venäjän ja mahdollisesti Kiinan välillä. ydinenergian käyttöä avaruudessa antaa tutkimukselle vahvan kiihdyttävän sysäyksen.