Atomdrevne rumfartøjer: hvorfor drømme om atomraketter er tilbage – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Går til atomkraft Amerikas DRACO raket vil bruge varmen fra en fissionsreaktor til at drive den ud i rummet. (Med høflighed: Lockheed Martin)”>

I 1914 udgav HG Wells Verden sætter fri, en roman baseret på forestillingen om, at radium en dag kan drive rumskibe. Wells, der var bekendt med arbejdet udført af fysikere som Ernest Rutherford, vidste, at radium kunne producere varme og forestillede sig, at det blev brugt til at dreje en turbine. Bogen var måske et skønlitterært værk, men Verden sætter fri forudså korrekt potentialet i, hvad man kunne kalde "atomare rumskibe".

Ideen om at bruge atomenergi til rumfart tog fat i 1950'erne, da offentligheden - efter at have været vidne til rædslerne i Hiroshima og Nagasaki - gradvist blev overbevist om nytten af ​​atomkraft til fredelige formål. Takket være programmer som America's Atomer for fred, begyndte folk at se, at atomkraft kunne bruges til energi og transport. Men den måske mest radikale anvendelse lå i rumflyvning.

Blandt de stærkeste fortalere for atomdrevne rumfart var den fremtrædende matematiske fysiker Freeman Dyson. I 1958 tog han et års sabbatår fra Institute of Advanced Study i Princeton for at arbejde ved General Atomics i San Diego på et projekt med kodenavnet Orion. Udtænkt af Ted Taylor – en fysiker, der havde arbejdet på Manhattan atombombeprojektet ved Las Alamos – Projekt Orion havde til formål at bygge et 4000 tons rumskib, der ville bruge 2600 atombomber til at drive det ud i rummet.

At slippe atombomber ud af bagsiden af ​​et rumfartøj lyder skørt af miljømæssige årsager, men Dyson beregnede, at "kun" 0.1-1 amerikanere ville få kræft af denne metode. Projektet blev endda bakket op af raketekspert Wernher von Braun, og en række ikke-nukleare testflyvninger blev udført. Heldigvis er 1963 Traktat om delvist testforbud satte en stopper for Project Orion, og Dyson selv trak senere sin støtte til atomare rumfartøjer tilbage efter for sent at have erkendt deres miljømæssige farer.

På trods af, at Project Orion sluttede, forsvandt lokket ved nuklear fremdrift aldrig rigtig (se boksen "Nuklear rumrejse: en kort historie") og nyder nu noget af en genopblussen. I stedet for at bruge atombomber, er ideen imidlertid at overføre energien fra en atomfissionsreaktor til et drivbrændstof, som ville blive opvarmet til omkring 2500 K og udstødt via en dyse i en proces kaldet "nuklear termisk fremdrift" (NTP) . Alternativt kunne fissionsenergien ionisere en gas, der ville blive affyret fra bagsiden af ​​rumfartøjet - det, der er kendt som "nuklear elektrisk fremdrift" (NEP).

Så, er atomdrevne rumrejser en realistisk udsigt, og i så fald hvilken teknologi vil vinde frem?

Nuklear boost

De fleste konventionelle raketter drives af almindelige, kemiske brændstoffer. Det Saturn V -raket der tog astronauter til Månen i slutningen af ​​1960'erne og begyndelsen af ​​1970'erne brugte for eksempel flydende brændstof, mens raketforstærkerne, der fejlede så spektakulært under opsendelsen af ​​rumfærgen Challenger i 1986 indeholdt fast brændsel.

For nylig, Space X's Falcon-raketterhar for eksempel brugt en blanding af petroleum og ilt. Problemet er, at alle sådanne drivmidler har en relativt lille "energitæthed" (energi lagret pr. volumenenhed) og en lav "specifik impuls" (den effektivitet, hvormed de kan generere fremdrift). Det betyder, at rakettens samlede fremstød – den specifikke impuls ganget med massestrømningshastigheden af ​​udstødningsgassen og Jordens tyngdekraft – er lav.

Kemiske drivmidler kan derfor kun komme dig så langt, hvor Månen er den traditionelle grænse. For at nå fjerne planeter og andre "deep-space"-destinationer udnytter rumfartøjer normalt tyngdekraften fra flere forskellige planeter. Sådanne rejser er imidlertid omstændelige og tager lang tid. NASAs Juno-mission var for eksempel nødvendig fem år at komme til Jupiter, mens Voyager-fartøjet tog mere end 30 år at nå frem til kanten af ​​solsystemet. Sådanne missioner er også begrænset af smalle og sjældne startvinduer.

Et nukleart rumfartøj ville i stedet bruge fissionsenergi til at opvarme et brændstof (figur 1) - højst sandsynligt kryogenisk lagret flydende brint, som har en lav molekylvægt og høj forbrændingsvarme. "Nuklear fremdrift, enten elektrisk eller termisk, kunne udvinde mere energi fra en given masse brændstof, end det er muligt via forbrændingsbaseret fremdrift," siger Dale Thomas, en tidligere associeret direktør ved NASAs Marshall Space Flight Center, nu ved University of Alabama i Huntsville.

Thomas siger, at nutidens mest effektive kemiske fremdrivningssystemer kan opnå en specifik impuls på omkring 465 sekunder. NTP kan derimod have en specifik impuls på næsten 900 sekunder på grund af den højere effekttæthed af nukleare reaktioner. Kombineret med et meget højere tryk-til-vægt-forhold kunne NTP få en raket til Mars på kun 500 dage i stedet for 900 dage.

"Trækkraft-til-vægt-forholdet er afgørende, fordi det bestemmer rumfartøjets evne til at accelerere, hvilket er særligt kritisk under vigtige missionsfaser, som at undslippe Jordens tyngdekraft eller manøvrering i det dybe rum," siger Mauro Augelli, leder af opsendelsessystemer hos UK Space Agency. "Den specifikke impuls er på den anden side et mål for, hvor effektivt en raket bruger sit drivmiddel."

Nuklear fremdrift, enten elektrisk eller termisk, kunne udvinde mere energi fra en given masse brændstof, end det er muligt via forbrændingsbaseret fremdrift

Dale Thomas, University of Alabama i Huntsville

I det væsentlige, for en given mængde drivmiddel, kunne et atomdrevet rumfartøj rejse hurtigere og opretholde sit fremstød i længere perioder end en kemisk raket. Det ville derfor være fantastisk for bemandede missioner til Mars - ikke kun ville astronauterne have en hurtigere rejse, men som et resultat af det ville de blive udsat for mindre kosmisk stråling. "Desuden reducerer kortere missionsvarigheder de logistiske og livsstøttende udfordringer, hvilket gør udforskning af det dybe rum mere gennemførligt og sikrere," tilføjer Augelli.

Men atomkraft handler ikke kun om at reducere rejsetiden. NASA har også en dedikeret program på Glenn Research Center i Cleveland, Ohio, for at bruge nuklear fission – frem for solenergi eller kemiske brændstoffer – til at drive rumfartøjer, når de har nået deres destination. "Atomenergi giver unikke fordele ved drift i ekstreme miljøer og regioner i rummet, hvor sol- og kemiske systemer enten er utilstrækkelige eller umulige som strømkilder til forlænget drift," siger programchef Lindsay Kaldon.

Tilbage i aktion

I 2020 satte den amerikanske regering nukleare rumfartøjer tilbage på dagsordenen ved tildele næsten $100 mio til tre firmaer – General Atomics, Lockheed Martin og Blue Origin. De vil bruge pengene til at arbejde på Demonstrationsraket for Agile Cislunar-operationer (DRACO), som er finansieret via DARPA forskningsagentur under det amerikanske forsvarsministerium. I den første fase, vil selskaberne sigte mod at vise, at NTP kan bruges til at flyve en raket over lavt kredsløb om Jorden, hvor DARPA sigter efter trækkraft-til-vægt-forhold på niveau med eksisterende kemiske raketsystemer.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="Energi efter behov A fission surface power system like this one could provide safe, efficient and reliable electrical power on the Moon and Mars. (Courtesy: NASA)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg”>

Tabitha Dodson, DARPA-programleder for DRACO, mener, at den vellykkede opsendelse og flyvning af en nuklear rumreaktor af DRACO-programmet ville revolutionere rumflyvning. "I modsætning til nutidens kemiske systemer, som har nået en grænse for, hvor langt de kan udvikle sig, er nukleare teknologier teoretiseret til at udvikle sig til systemer som fusion og mere," siger hun. "Rumfartøjer, der er udviklet til at blive manøvreret og drevet af atomreaktorer, vil gøre det muligt for menneskeheden at gå længere, med en højere chance for overlevelse og succes for enhver missionstype."

I DRACO-programmet vil General Atomics designe NTP-reaktoren og udarbejde en plan for et fremdriftsundersystem, mens Blue Origin og Lockheed Martin vil planlægge selve rumfartøjet. Fissionsreaktoren ville bruge en speciel høj-assay lavberiget uran (HALEU), som kan fremstilles ved hjælp af brændstof genbrugt fra eksisterende atomreaktorer. Den indeholder kun 20 % beriget uran og er uegnet til at blive omdannet til atomvåben.

Reaktoren ville ikke blive tændt (dvs. gå kritisk), før fartøjet havde nået en "atomsikker" bane. I det usandsynlige tilfælde af en nødsituation vil enhver forurening med andre ord blive uskadeligt spredt ud i rummet. Lockheed Martin er allerede gået sammen med BWX Technologies fra Lynchburg, Virginia, for at udvikle reaktoren og producere HALEU-brændstoffet. BWX siger, at en DRACO-raket kunne affyres så snart som 2027.

Luftåndende raketmotorer: fremtiden for rumflyvning

Andre steder, forskere ved Idaho National Laboratory i USA hjælper NASA med at udvikle og teste de materialer, der er nødvendige til en atomraket Transient reaktortest (BEHANDLER) facilitet nær Idaho Falls. De gennemførte allerede sidste år en øvelse for at validere computermodellerne og teste en ny sensor og eksperimentkapsel. På lang sigt er målet at identificere, hvilke materialer, kompositstrukturer og uranforbindelser, der fungerer bedst under de ekstremt varme forhold i en NTP-reaktor.

Varmen fra reaktoren ville opvarme brintbrændstof, hvilket giver den største ændring i hastigheden - hvad raketforskere kalder Δv – for en given masse. Ulempen ved brint er, at den har en lav densitet, og raketten ville have brug for store tanke. Andre drivmidler, såsom ammoniak, har en lavere Δv kg drivmiddel, men er meget mere tætte. Ovre i Huntsville har Thomas vist, at ammoniak ville være det ideelle brændstof til at få astronomer til Mars fra NASA's Lunar Gateway – en rumstation, der ville kredse om Månen.

Efter at have udgivet en gennemgang af NTP-teknologi for American Institute of Aeronautics and Astronautics i 2020 har Thomas konkluderet, at almindelige NTP-systemer, som tilbyder masser af trækkraft til korte forbrændinger på omkring 50 minutter, vil være ideelle til forbiflyvninger og rendezvous-missioner. Men der er også "bi-modale" systemer, som kombinerer NTP med NEP (se boks "Udfordringerne ved nuklear elektrisk fremdrift"). Førstnævnte giver hurtige udbrud af høj trækkraft, mens sidstnævnte giver lav trækkraft i længere perioder – perfekt til lange rundtursmissioner.

Kate Haggerty Kelly, direktør for rum- og teknik hos BWX Technologies, siger, at samlet nuklear termisk fremdrift kan være to til fem gange mere effektiv end kemiske fremdrivningssystemer, samtidig med at den tilbyder høj fremdrift. "[I modsætning hertil] kan nukleare elektriske fremdriftssystemer give højere effektivitet, men lavere fremdrift, og den energi, der genereres gennem nuklear fission, kan omdannes til elektricitet for at levere strøm til undersystemer på rumfartøjet."

Så vil NTP eller NEP være bedre til deep-space operationer? Ifølge Thomas vil det afhænge af typen af ​​mission. "For missioner af en bestemt klasse - såsom videnskabelige rumfartøjer over en vis masse - eller bemandede missioner, eller til bestemte destinationer, vil NTP være det bedste valg, hvorimod NEP vil være bedst for andre missioner. Ligesom en bilrejse afhænger det af afstanden, hvor meget bagage du medbringer, din tidsplan kræver og så videre."

Nuklear fremtid

NASA overvejer allerede flere atomdrevne rummissioner. Ifølge en rapport udgivet i juni 2021, disse kunne omfatte fartøjer, der vil kredse om forskellige måner i Uranus og Jupiter, og andre, der vil kredse og lande på Neptuns måne Triton. Rapporten forudser også en atomdrevet raket, der kommer ind i en polar bane omkring Solen og muligvis endda en mission ind i det interstellare rum.

I sidste ende vil nuklear fremdrift af en eller anden type – enten alene eller kombineret med en anden type fremdrift – være en vigtig del af menneskehedens fremtidige rumindsats. Med NASA, den britiske rumfartsorganisation og den europæiske rumfartsorganisation, der alle kigger på atomdrevet rumflyvning, er mit bud, at de første bemandede missioner til Mars i 2030'erne vil bruge en eller anden form for denne teknologi. Drømmen om Freeman Dyson kunne, jeg er sikker på, snart se dagens lys.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/