Jadrová energia vo vesmíre. Impulzy atómového zrýchlenia

Myšlienka využitia jadrovej energie na pohon kozmických lodí a jej využitie v budúcich mimozemských základniach alebo osadách nie je nová. Nedávno prišli v novej vlne a keďže sa stávajú oblasťou veľmocenského súperenia, ich implementácia sa stáva pravdepodobnejšou.

NASA a americké ministerstvo energetiky začali hľadať medzi dealerskými spoločnosťami projekty jadrových elektrární na Mesiaci a Marse. To by malo podporiť dlhodobý výskum a možno aj sídliskové projekty. Cieľom NASA je pripraviť ho na štart do roku 2026. Závod musí byť kompletne vyrobený a zmontovaný na Zemi a následne testovaný na bezpečnosť.

Anthony Calomino, povedal riaditeľ pre jadrovú technológiu NASA na Space Technology Administration V pláne je vyvinúť XNUMX-kilowattový systém jadrového štiepenia, ktorý bude nakoniec vypustený a umiestnený na Mesiaci. (jeden). Musí byť integrovaný s lunárnym pristávacím modulom a posilňovač to vezme obežná dráha mesiaca. Nakladač potom vyneste systém na povrch.

Očakáva sa, že po príchode na miesto bude ihneď pripravený na prevádzku, bez potreby dodatočnej montáže alebo výstavby. Operácia je ukážkou možností a bude východiskom pre použitie riešenia a jeho derivátov.

"Po overení technológie počas demonštrácie je možné budúce systémy rozšíriť alebo použiť viacero zariadení spoločne na dlhodobé misie na Mesiac a možno aj na Mars," vysvetlil Calomino na CNBC. „Štyri jednotky, z ktorých každá vyrába 10 kilowattov elektriny, poskytnú dostatok energie zriadenie základne na Mesiaci alebo Marse.

Schopnosť generovať veľké množstvo elektriny na povrchu planét pomocou pozemného štiepneho systému umožní rozsiahly výskum, ľudské základne a využívanie zdrojov in situ a zároveň umožní komercializáciu.“

ako to bude fungovať jadrová elektráreň? Mierne obohatená forma jadrové palivo vôľa jadrové jadro... Malý nukleárny reaktor bude generovať teplo, ktoré sa prenesie do systému premeny energie. Systém konverzie energie bude pozostávať z motorov navrhnutých tak, aby bežali na teplo reaktora a nie na horľavé palivo. Tieto motory využívajú teplo, premieňajú ho na elektrinu, ktorá je upravovaná a distribuovaná do užívateľských zariadení na povrchu Mesiaca a Marsu. Spôsob odvádzania tepla je dôležitý pre udržanie správnej prevádzkovej teploty zariadení.

Jadrová energia sa teraz považuje za jedinú rozumnú alternatívu solárna energia, veterná a vodná energia nie sú ľahko dostupné. Napríklad na Marse sa sila slnka veľmi líši v závislosti od ročného obdobia a pravidelné prachové búrky môžu trvať mesiace.

Na Mesiaci studený lunárny noc trvá 14 dní, pričom slnečné svetlo sa v blízkosti pólov značne líši a chýba v trvalo zatienených kráteroch. V takýchto ťažkých podmienkach je získavanie energie zo slnečného žiarenia náročné a zásoby paliva sú obmedzené. Energia povrchového štiepenia ponúka jednoduché, spoľahlivé a efektívne riešenie.

Na rozdiel od pozemné reaktorynie je v úmysle odstrániť alebo nahradiť palivo. Na konci 10-ročnej misie existuje aj plán bezpečného vyradenia zariadenia z prevádzky. „Na konci svojej životnosti sa systém vypne a úroveň radiácie sa postupne zníži na úroveň, ktorá je bezpečná pre ľudský prístup a prevádzku,“ vysvetlil Calomino. "Odpadové systémy je možné presunúť na vzdialené miesto, kde neohrozia posádku ani životné prostredie."

Malý, ľahký, ale účinný reaktor, po ktorom je vysoký dopyt

Ako sa vesmírny prieskum rozvíja, už sa nám to celkom darí systémy na výrobu jadrovej energie v malom meradle. Takéto systémy už dlho poháňajú vesmírne lode bez posádky, ktoré cestujú do vzdialených končín slnečnej sústavy.

V roku 2019 preletela kozmická loď New Horizons s jadrovým pohonom cez najvzdialenejší objekt, aký bol kedy pozorovaný na blízko, Ultima Thule, ďaleko za Plutom v oblasti známej ako Kuiperov pás. Bez jadrovej energie by to nedokázal. Mimo obežnej dráhy Marsu nie je slnečná energia dostupná v dostatočnej sile. Chemické zdroje nevydržia dlho, pretože ich hustota energie je príliš nízka a ich hmotnosť je príliš veľká.

Používa sa pri misiách na veľké vzdialenosti rádiotermálne generátory (RTG) využíva izotop plutónia 238Pu, ktorý je ideálny na generovanie trvalého tepla z prirodzeného rádioaktívneho rozpadu vyžarovaním alfa častíc, ktoré sa následne premieňajú na elektrinu. Jeho 88-ročný polčas znamená, že bude slúžiť dlhodobej misii. RTG však nedokážu poskytnúť vysoký špecifický výkon potrebný pre dlhé misie, masívnejšie lode, nehovoriac o mimozemských základniach.

Riešením napríklad pre prieskumnú prítomnosť a možno aj osídlenie na Marse alebo Mesiaci by mohli byť návrhy malých reaktorov, ktoré NASA testuje už niekoľko rokov. Tieto zariadenia sú známe ako Projekt štiepnej energie Kilopower (2), sú navrhnuté na dodávku elektrickej energie od 1 do 10 kW a môžu byť nakonfigurované ako koordinované moduly na napájanie pohonných systémov alebo na podporu výskumu, ťažby alebo kolónií na cudzích vesmírnych telesách.

Ako viete, na hmotnosti vo vesmíre záleží. výkon reaktora nemala by presiahnuť hmotnosť priemerného vozidla. Ako vieme napríklad z nedávneho predstavenia Rakety SpaceX Falcon Heavyvypustenie auta do kozmu nie je v sucasnosti technicky problem. Ľahké reaktory tak možno ľahko umiestniť na obežnú dráhu okolo Zeme a mimo nej.

2. Prototyp reaktora XNUMX kilowatt KIlopower.

Raketa s reaktorom vzbudzuje nádeje aj obavy

Bývalý administrátor NASA Jim Bridenstine neraz zdôraznil výhody jadrových tepelných motorov, dodávajúc, že ​​väčší výkon na obežnej dráhe by potenciálne mohol umožniť orbitálnym plavidlám úspešne sa vyhnúť, ak by boli napadnuté protisatelitnými zbraňami.

Reaktory na obežnej dráhe mohli by poháňať aj výkonné vojenské lasery, o čo majú aj americké úrady veľký záujem. Predtým, ako jadrový raketový motor uskutoční svoj prvý let, musí NASA zmeniť svoje zákony o získavaní jadrových materiálov do vesmíru. Ak je to pravda, potom by sa podľa plánu NASA mal v roku 2024 uskutočniť prvý let jadrového motora.

Zdá sa však, že USA naštartujú svoje jadrové projekty, najmä potom, čo Rusko oznámilo desaťročný program výstavby civilnej kozmickej lode s jadrovým pohonom. Kedysi boli nesporným lídrom v oblasti vesmírnych technológií.

V 60-tych rokoch mali USA projekt pulzno-impulznej jadrovej strely Orion, ktorá mala byť taká silná, že umožňovala presun celých miest do vesmírua dokonca uskutočniť pilotovaný let do Alpha Centauri. Všetky tie staré fantasy americké série sú na poličke už od 70. rokov.

Je však čas oprášiť starý koncept. jadrový motor vo vesmírehlavne preto, že konkurenti, v tomto prípade hlavne Rusko, prejavili v poslednom čase veľký záujem o túto technológiu. Jadrová termálna raketa by mohla skrátiť čas letu na Mars na polovicu, možno až na sto dní, čo znamená, že astronauti spotrebujú menej zdrojov a posádku menej radiačne zaťažia. Navyše, ako sa zdá, nebude existovať taká závislosť od „okien“, teda opakovaného priblíženia Marsu k Zemi každých pár rokov.

Existuje však riziko, ktoré zahŕňa skutočnosť, že palubný reaktor by bol dodatočným zdrojom žiarenia v situácii, keď už vesmír nesie obrovskú hrozbu tohto charakteru. To nie je všetko. Jadrový tepelný motor nemôže byť vypustený v zemskej atmosfére z obavy pred možným výbuchom a kontamináciou. Preto sú na štart k dispozícii normálne rakety. Preto nepreskakujeme najnákladnejšiu etapu spojenú s vypustením hmoty na obežnú dráhu zo Zeme.

Výskumný projekt NASA tzv STROMY (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) je jedným z príkladov úsilia NASA vrátiť sa k jadrovému pohonu. V roku 2017, predtým, ako sa začalo hovoriť o návrate k tejto technológii, NASA udelila spoločnosti BWX Technologies trojročný kontrakt v hodnote 19 miliónov dolárov na vývoj palivových komponentov a reaktorov potrebných na stavbu. jadrový motor. Jedným z najnovších konceptov vesmírneho jadrového pohonu NASA je Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), ktorý by mal využívať nový ľahký moderátor reaktora a pokročilé termoelektrické generátory (ATEG) na výrazné zníženie celkovej hmoty jadra.

To bude vyžadovať zníženie prevádzkovej teploty a zníženie celkovej úrovne výkonu jadra. Znížená hmotnosť však bude vyžadovať menej pohonnej sily, čo vedie k malej, lacnej elektrickej kozmickej lodi s jadrovým pohonom.

3. Vizualizácia sondy vyvinutej v rámci projektu Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminovOznámil to šéf Federálnej vesmírnej agentúry Ruska. vyvinie kozmickú loď s jadrovým pohonom na cestovanie do hlbokého vesmíru, ponúka svoj vlastný, originálny prístup. Predbežný projekt bol dokončený do roku 2013 a na ďalších 9 rokov je naplánovaný vývoj. Tento systém by mal byť kombináciou výroby jadrovej energie so systémom iónového pohonu. Horúci plyn s teplotou 1500 °C z reaktora by mal roztočiť turbínu, ktorá roztáča generátor, ktorý vyrába elektrinu pre iónový motor.

Podľa Perminova, pohon bude schopný podporiť pilotovanú misiu na Marsa astronauti mohli zostať na Červenej planéte 30 dní vďaka jadrovej energii. Celkovo by let na Mars s jadrovým motorom a neustálym zrýchľovaním trval šesť týždňov namiesto ôsmich mesiacov, za predpokladu, že ťah je 300-krát väčší ako u chemického motora.

V ruskom programe však nie je všetko také hladké. V auguste 2019 vybuchol v Sarove v Rusku na pobreží Bieleho mora reaktor, ktorý bol súčasťou raketového motora v Baltskom mori. kvapalné palivo. Nie je známe, či táto katastrofa súvisí s ruským výskumným programom jadrového pohonu opísaným vyššie.

Nepochybne však prvok rivality medzi USA a Ruskom a možno aj Čínou na mieste využitie jadrovej energie vo vesmíre dáva výskumu silný akceleračný impulz.