Πυρηνικά διαστημόπλοια: γιατί επιστρέφουν τα όνειρα για ατομικούς πυραύλους – 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="Πυρηνικά Ο πύραυλος DRACO της Αμερικής θα χρησιμοποιήσει τη θερμότητα από έναν αντιδραστήρα σχάσης για να τον προωθήσει στο διάστημα. (Ευγενική παραχώρηση: Lockheed Martin)”>

Το 1914 δημοσίευσε το HG Wells Ο Κόσμος Δωρεάν, ένα μυθιστόρημα που βασίζεται στην ιδέα ότι το ράδιο θα μπορούσε μια μέρα να τροφοδοτήσει τα διαστημόπλοια. Ο Γουέλς, ο οποίος ήταν εξοικειωμένος με το έργο φυσικών όπως ο Έρνεστ Ράδερφορντ, γνώριζε ότι το ράδιο μπορούσε να παράγει θερμότητα και οραματίστηκε ότι θα χρησιμοποιηθεί για την περιστροφή ενός στροβίλου. Το βιβλίο μπορεί να ήταν έργο μυθοπλασίας, αλλά Ο Κόσμος Δωρεάν προέβλεψε σωστά τις δυνατότητες αυτού που θα μπορούσαμε να ονομάσουμε «ατομικά διαστημόπλοια».

Η ιδέα της χρήσης της πυρηνικής ενέργειας για διαστημικά ταξίδια επικράτησε τη δεκαετία του 1950 όταν το κοινό – έχοντας δει τη φρίκη της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι – σταδιακά πείστηκε για τη χρησιμότητα της πυρηνικής ενέργειας για ειρηνικούς σκοπούς. Χάρη σε προγράμματα όπως αυτό της Αμερικής Ατομα για ειρήνη, οι άνθρωποι άρχισαν να βλέπουν ότι η πυρηνική ενέργεια θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ενέργεια και μεταφορές. Αλλά ίσως η πιο ριζοσπαστική εφαρμογή βρισκόταν στις διαστημικές πτήσεις.

Μεταξύ των ισχυρότερων υποστηρικτών του διαστημικού ταξιδιού με πυρηνική ενέργεια ήταν ο διαπρεπής μαθηματικός φυσικός Freeman Dyson. Το 1958 πήρε ένα χρόνο άδεια από το Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών στο Πρίνστον για να εργαστεί στη General Atomics στο Σαν Ντιέγκο σε ένα έργο με την κωδική ονομασία Orion. Το πνευματικό τέκνο του Τεντ Τέιλορ – ενός φυσικού που είχε εργαστεί στο έργο της ατομικής βόμβας του Μανχάταν στο Λας Άλαμος – Έργο Orion είχε ως στόχο να κατασκευάσει ένα διαστημόπλοιο 4000 τόνων που θα χρησιμοποιούσε 2600 πυρηνικές βόμβες για να το προωθήσει στο διάστημα.

Η ρίψη ατομικών βομβών από το πίσω μέρος ενός διαστημικού σκάφους ακούγεται τρελή για περιβαλλοντικούς λόγους, αλλά ο Dyson υπολόγισε ότι «μόνο» 0.1–1 Αμερικανοί θα προσβληθούν από καρκίνο από αυτή τη μέθοδο. Το έργο υποστηρίχθηκε ακόμη και από εμπειρογνώμονα πυραύλων Βέρνερ φον Μπράουν, και πραγματοποιήθηκαν μια σειρά μη πυρηνικών δοκιμαστικών πτήσεων. Ευτυχώς, το 1963 Συνθήκη Μερικής Απαγόρευσης Δοκιμών έβαλε τέλος στο Project Orion και ο ίδιος ο Dyson απέσυρε αργότερα την υποστήριξή του για τα ατομικά διαστημόπλοια αφού αναγνώρισε καθυστερημένα τους περιβαλλοντικούς κινδύνους τους.

Παρά το τέλος του Project Orion, το δέλεαρ της πυρηνικής πρόωσης δεν εξαφανίστηκε ποτέ (βλέπε πλαίσιο «Πυρηνικό διαστημικό ταξίδι: μια σύντομη ιστορία») και τώρα απολαμβάνει κάτι σαν αναζωπύρωση. Ωστόσο, αντί για τη χρήση ατομικών βομβών, η ιδέα είναι να μεταφερθεί η ενέργεια από έναν αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης σε ένα προωθητικό καύσιμο, το οποίο θα θερμαινόταν σε περίπου 2500 K και θα εκτοξευόταν μέσω ενός ακροφυσίου σε μια διαδικασία που ονομάζεται «πυρηνική θερμική πρόωση» (NTP). . Εναλλακτικά, η ενέργεια της σχάσης θα μπορούσε να ιονίσει ένα αέριο που θα εκτοξευόταν από το πίσω μέρος του διαστημικού σκάφους - αυτό που είναι γνωστό ως «πυρηνική ηλεκτρική πρόωση» (NEP).

Επομένως, είναι τα διαστημικά ταξίδια με πυρηνική ενέργεια μια ρεαλιστική προοπτική και, αν ναι, ποια τεχνολογία θα κερδίσει;

Πυρηνική ώθηση

Οι περισσότεροι συμβατικοί πύραυλοι τροφοδοτούνται από συνηθισμένα, χημικά καύσιμα. ο Πύραυλος Saturn V που μετέφερε αστροναύτες στη Σελήνη στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970, για παράδειγμα, χρησιμοποιούσε υγρά καύσιμα, ενώ οι ενισχυτές πυραύλων που απέτυχαν τόσο θεαματικά κατά την εκτόξευση του διαστημικού λεωφορείου Διεκδικητής το 1986 περιείχε στερεό καύσιμο.

Πιο πρόσφατα, Οι πύραυλοι Falcon του Space X, για παράδειγμα, έχουν χρησιμοποιήσει ένα μείγμα κηροζίνης και οξυγόνου. Το πρόβλημα είναι ότι όλα αυτά τα προωθητικά έχουν σχετικά μικρή «ενεργειακή πυκνότητα» (ενέργεια που αποθηκεύεται ανά μονάδα όγκου) και χαμηλή «ειδική ώθηση» (την απόδοση με την οποία μπορούν να δημιουργήσουν ώθηση). Αυτό σημαίνει ότι η συνολική ώθηση του πυραύλου – η ειδική ώθηση πολλαπλασιαζόμενη με τον ρυθμό ροής μάζας των καυσαερίων και τη βαρύτητα της Γης – είναι χαμηλή.

Επομένως, τα χημικά προωθητικά μπορούν να σας φτάσουν μόνο μέχρι εκεί, με τη Σελήνη να είναι το παραδοσιακό όριο. Για να φτάσουν σε μακρινούς πλανήτες και άλλους προορισμούς στο «βαθύ διάστημα», τα διαστημικά σκάφη συνήθως εκμεταλλεύονται τη βαρυτική έλξη πολλών διαφορετικών πλανητών. Ωστόσο, τέτοια ταξίδια είναι κυκλικά και χρειάζονται πολύ χρόνο. Η αποστολή Juno της NASA, για παράδειγμα, χρειαζόταν πέντε χρόνια για να φτάσει στον Δία, ενώ το σκάφος Voyager χρειάστηκε περισσότερα από 30 χρόνια για να φτάσει στο άκρη του ηλιακού συστήματος. Τέτοιες αποστολές περιορίζονται επίσης από στενά και σπάνια παράθυρα εκκίνησης.

Ένα πυρηνικό διαστημόπλοιο θα χρησιμοποιούσε αντίθετα την ενέργεια σχάσης για να θερμάνει ένα καύσιμο (εικόνα 1) – πιθανότατα κρυογονικά αποθηκευμένο υγρό υδρογόνο, το οποίο έχει χαμηλή μοριακή μάζα και υψηλή θερμότητα καύσης. «Η πυρηνική πρόωση, είτε ηλεκτρική είτε θερμική, θα μπορούσε να εξάγει περισσότερη ενέργεια από μια δεδομένη μάζα καυσίμου από ό,τι είναι δυνατόν μέσω της πρόωσης με βάση την καύση», λέει. Ντέιλ Τόμας, πρώην αναπληρωτής διευθυντής στο Marshall Space Flight Center της NASA, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Χάντσβιλ.

Ο Thomas λέει ότι τα σημερινά πιο αποτελεσματικά συστήματα χημικής πρόωσης μπορούν να επιτύχουν α συγκεκριμένη παρόρμηση περίπου 465 δευτερολέπτων. Το NTP, αντίθετα, μπορεί να έχει ειδική ώθηση σχεδόν 900 δευτερολέπτων λόγω της υψηλότερης πυκνότητας ισχύος των πυρηνικών αντιδράσεων. Σε συνδυασμό με μια πολύ υψηλότερη αναλογία ώθησης προς βάρος, το NTP θα μπορούσε να φτάσει έναν πύραυλο στον Άρη σε μόλις 500 ημέρες, αντί για 900.

«Η αναλογία ώθησης προς βάρος είναι ζωτικής σημασίας γιατί καθορίζει την ικανότητα του διαστημικού σκάφους να επιταχύνει, η οποία είναι ιδιαίτερα κρίσιμη κατά τη διάρκεια βασικών φάσεων της αποστολής, όπως η διαφυγή από τη βαρύτητα της Γης ή οι ελιγμοί στο βαθύ διάστημα», λέει. Mauro Augelli, επικεφαλής συστημάτων εκτόξευσης στη Διαστημική Υπηρεσία του Ηνωμένου Βασιλείου. «Η συγκεκριμένη ώθηση, από την άλλη πλευρά, είναι ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά ένας πύραυλος χρησιμοποιεί το προωθητικό του».

Η πυρηνική πρόωση, είτε ηλεκτρική είτε θερμική, θα μπορούσε να εξάγει περισσότερη ενέργεια από μια δεδομένη μάζα καυσίμου από ό,τι είναι δυνατή μέσω της πρόωσης με βάση την καύση

Dale Thomas, Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Huntsville

Ουσιαστικά, για μια δεδομένη ποσότητα προωθητικού, ένα διαστημόπλοιο με πυρηνική ενέργεια θα μπορούσε να ταξιδέψει πιο γρήγορα και να διατηρήσει την ώθησή του για μεγαλύτερες περιόδους από έναν χημικό πύραυλο. Ως εκ τούτου, θα ήταν υπέροχο για αποστολές με πλήρωμα στον Άρη – όχι μόνο οι αστροναύτες θα είχαν πιο γρήγορο ταξίδι, αλλά ως αποτέλεσμα αυτού, θα εκτεθούν σε λιγότερη κοσμική ακτινοβολία. «Επιπλέον, οι μικρότερες διάρκειες αποστολής μειώνουν τις προκλήσεις υλικοτεχνικής υποστήριξης και υποστήριξης ζωής, καθιστώντας την εξερεύνηση στο βαθύ διάστημα πιο εφικτή και ασφαλέστερη», προσθέτει ο Augelli.

Αλλά η πυρηνική ενέργεια δεν είναι μόνο η μείωση του χρόνου ταξιδιού. Η NASA έχει επίσης ένα ειδικό πρόγραμμα κατά της Ερευνητικό Κέντρο Glenn στο Κλίβελαντ του Οχάιο, για να χρησιμοποιήσουν πυρηνική σχάση – αντί ηλιακής ενέργειας ή χημικών καυσίμων – για να τροφοδοτήσουν τα διαστημόπλοια μόλις φτάσουν στον προορισμό τους. «Η πυρηνική ενέργεια προσφέρει μοναδικά οφέλη για τη λειτουργία σε ακραία περιβάλλοντα και περιοχές στο διάστημα όπου τα ηλιακά και χημικά συστήματα είναι είτε ανεπαρκή είτε αδύνατα ως πηγές ενέργειας για εκτεταμένη λειτουργία», λέει ο διευθυντής προγράμματος Λίντσεϊ Κάλντον.

Πίσω στη δράση

Το 2020 η κυβέρνηση των ΗΠΑ επανέφερε τα πυρηνικά διαστημόπλοια σταθερά στην ημερήσια διάταξη απονομή σχεδόν 100 εκατομμυρίων δολαρίων σε τρεις εταιρείες – General Atomics, Lockheed Martin και Blue Origin. Θα χρησιμοποιήσουν τα χρήματα για να δουλέψουν Πύραυλος επίδειξης για ευέλικτες χειρουργικές επεμβάσεις (DRACO), το οποίο χρηματοδοτείται μέσω του DARPA ερευνητική υπηρεσία του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ. Σε πρώτη φάση, οι εταιρείες θα επιδιώξουν να δείξουν ότι το NTP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πετάξει έναν πύραυλο πάνω από τη χαμηλή τροχιά της Γης, με την DARPA να στοχεύει σε αναλογίες ώσης προς βάρος ίσες με τα υπάρχοντα χημικά συστήματα πυραύλων.

<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="Ενέργεια κατ' απαίτηση Ένα σύστημα ισχύος επιφανειών σχάσης όπως αυτό θα μπορούσε να παρέχει ασφαλή, αποτελεσματική και αξιόπιστη ηλεκτρική ενέργεια στη Σελήνη και τον Άρη. (Ευγενική προσφορά: NASA)” title=”Κάντε κλικ για να ανοίξετε την εικόνα στο αναδυόμενο παράθυρο” 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, διευθυντής προγράμματος DARPA για την DRACO, πιστεύει ότι η επιτυχημένη εκτόξευση και πτήση ενός πυρηνικού διαστημικού αντιδραστήρα από το πρόγραμμα DRACO θα έφερε επανάσταση στις διαστημικές πτήσεις. «Σε αντίθεση με τα σημερινά χημικά συστήματα, τα οποία έχουν φτάσει σε ένα όριο στο πόσο μακριά μπορούν να εξελιχθούν, οι πυρηνικές τεχνολογίες θεωρείται ότι εξελίσσονται σε συστήματα όπως η σύντηξη και όχι μόνο», λέει. «Το διαστημικό σκάφος που εξελίχθηκε για ελιγμούς και τροφοδοσία από πυρηνικούς αντιδραστήρες θα επιτρέψει στην ανθρωπότητα να πάει μακρύτερα, με μεγαλύτερες πιθανότητες επιβίωσης και επιτυχίας για κάθε τύπο αποστολής».

Στο πρόγραμμα DRACO, η General Atomics θα σχεδιάσει τον αντιδραστήρα NTP και θα συντάξει ένα σχέδιο για ένα υποσύστημα πρόωσης, ενώ η Blue Origin και η Lockheed Martin θα σχεδιάσουν το ίδιο το διαστημόπλοιο. Ο αντιδραστήρας σχάσης θα χρησιμοποιούσε ένα ειδικό ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού υψηλής ανάλυσης (HALEU), το οποίο μπορεί να κατασκευαστεί με χρήση καυσίμου που ανακυκλώνεται από υπάρχοντες πυρηνικούς αντιδραστήρες. Περιέχει μόνο 20% εμπλουτισμένο ουράνιο, είναι ακατάλληλο να μετατραπεί σε πυρηνικά όπλα.

Ο αντιδραστήρας δεν θα ήταν ενεργοποιημένος (δηλαδή θα ήταν κρίσιμος) έως ότου το σκάφος είχε φτάσει σε μια «πυρηνικά ασφαλή» τροχιά. Στην απίθανη περίπτωση έκτακτης ανάγκης, οποιαδήποτε μόλυνση, με άλλα λόγια, θα διασκορπιζόταν ακίνδυνα στο διάστημα. Η Lockheed Martin έχει ήδη ενώσει τις δυνάμεις της BWX Technologies του Lynchburg της Βιρτζίνια, για την ανάπτυξη του αντιδραστήρα και την παραγωγή του καυσίμου HALEU. Η BWX λέει ότι ένας πύραυλος DRACO θα μπορούσε να εκτοξευτεί το 2027.

Μηχανές πυραύλων που αναπνέουν αέρα: το μέλλον της διαστημικής πτήσης

Αλλού, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο του Αϊντάχο στις ΗΠΑ βοηθούν τη NASA να αναπτύξει και να δοκιμάσει τα υλικά που χρειάζονται για έναν πυρηνικό πύραυλο Δοκιμή μεταβατικού αντιδραστήρα (TREAT) εγκατάσταση κοντά στο Idaho Falls. Πραγματοποίησαν ήδη μια πρακτική άσκηση πέρυσι για να επικυρώσουν τα μοντέλα υπολογιστών και να δοκιμάσουν έναν νέο αισθητήρα και μια κάψουλα πειράματος. Μακροπρόθεσμα, ο στόχος είναι να εντοπιστούν ποια υλικά, σύνθετες δομές και ενώσεις ουρανίου λειτουργούν καλύτερα στις εξαιρετικά θερμές συνθήκες ενός αντιδραστήρα NTP.

Η θερμότητα από τον αντιδραστήρα θα θερμαίνει το καύσιμο υδρογόνου, το οποίο παρέχει τη μεγαλύτερη αλλαγή στην ταχύτητα - αυτό που οι επιστήμονες πυραύλων αποκαλούν Δv – για δεδομένη μάζα. Το μειονέκτημα του υδρογόνου είναι ότι έχει χαμηλή πυκνότητα και ο πύραυλος θα χρειαζόταν μεγάλες δεξαμενές. Άλλα προωθητικά, όπως η αμμωνία, έχουν χαμηλότερο Δv ανά κιλό προωθητικού, αλλά είναι πολύ πιο πυκνά. Στο Χάντσβιλ, ο Τόμας έδειξε ότι η αμμωνία θα ήταν το ιδανικό καύσιμο για να οδηγήσουν τους αστρονόμους στον Άρη από τη NASA Σεληνιακή πύλη – ένας διαστημικός σταθμός που θα περιφερόταν γύρω από τη Σελήνη.

Έχοντας δημοσιεύσει μια ανασκόπηση της τεχνολογίας NTP για το Αμερικανικό Ινστιτούτο Αεροναυτικής και Αστροναυτικής το 2020, ο Thomas κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα κανονικά συστήματα NTP, τα οποία προσφέρουν μεγάλη ώθηση για σύντομες καύσεις περίπου 50 λεπτών, θα είναι ιδανικά για αποστολές πτήσης και ραντεβού. Υπάρχουν όμως και «διτροπικά» συστήματα, τα οποία συνδυάζουν το NTP με το NEP (βλ. πλαίσιο «Οι προκλήσεις της πυρηνικής ηλεκτρικής πρόωσης»). Η πρώτη δίνει γρήγορες ριπές υψηλής ώθησης ενώ η δεύτερη αποδίδει χαμηλή ώση για μεγαλύτερες περιόδους – ιδανική για μεγάλες αποστολές μετ' επιστροφής.

Kate Haggerty Kelly, διευθυντής διαστήματος και μηχανικής στην BWX Technologies, λέει ότι η συνολική πυρηνική θερμική πρόωση μπορεί να είναι δύο έως πέντε φορές πιο αποτελεσματική από τα συστήματα χημικής πρόωσης, ενώ προσφέρει επίσης υψηλή ώθηση. «[Αντίθετα], τα πυρηνικά ηλεκτρικά συστήματα πρόωσης μπορούν να παρέχουν υψηλότερη απόδοση αλλά χαμηλότερη ώθηση και η ενέργεια που παράγεται μέσω της πυρηνικής σχάσης μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια για να παρέχει ενέργεια στα υποσυστήματα του διαστημικού σκάφους».

Θα είναι λοιπόν καλύτερο το NTP ή το NEP για επιχειρήσεις σε βάθος; Σύμφωνα με τον Thomas, θα εξαρτηθεί από το είδος της αποστολής. «Για αποστολές συγκεκριμένης κατηγορίας – όπως επιστημονικά διαστημόπλοια πάνω από μια συγκεκριμένη μάζα – ή αποστολές με πλήρωμα ή για ορισμένους προορισμούς, το NTP θα είναι η καλύτερη επιλογή, ενώ για άλλες αποστολές το NEP θα είναι το καλύτερο. Όπως ένα ταξίδι με αυτοκίνητο, εξαρτάται από την απόσταση, πόσες αποσκευές μεταφέρετε, το πρόγραμμά σας και ούτω καθεξής».

Πυρηνικό μέλλον

Η NASA εξετάζει ήδη αρκετές διαστημικές αποστολές με πυρηνική ενέργεια. Σύμφωνα με έκθεση που δημοσιεύθηκε τον Ιούνιο του 2021, αυτά θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν σκάφη που θα περιφέρουν διάφορα φεγγάρια του Ουρανού και του Δία, και άλλα που θα περιφέρονται και θα προσγειώνονται στο φεγγάρι του Ποσειδώνα Τρίτωνα. Η έκθεση προβλέπει επίσης έναν πυρηνοκίνητο πύραυλο που εισέρχεται σε μια πολική τροχιά γύρω από τον Ήλιο και πιθανώς ακόμη και μια αποστολή στο διαστρικό διάστημα.

Σε τελική ανάλυση, η πυρηνική πρόωση κάποιου τύπου – είτε μόνη της είτε σε συνδυασμό με άλλο τύπο πρόωσης – θα αποτελέσει σημαντικό μέρος των μελλοντικών διαστημικών προσπαθειών της ανθρωπότητας. Με τη NASA, τη Διαστημική Υπηρεσία του Ηνωμένου Βασιλείου και την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία να εξετάζουν όλες τις διαστημικές πτήσεις με πυρηνική ενέργεια, το στοίχημά μου είναι ότι οι πρώτες αποστολές με πλήρωμα στον Άρη, μέχρι τη δεκαετία του 2030, θα χρησιμοποιούν κάποια μορφή αυτής της τεχνολογίας. Το όνειρο του Freeman Dyson θα μπορούσε, είμαι σίγουρος, να δει σύντομα το φως της δημοσιότητας.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/