原子力宇宙船: 原子ロケットの夢が再び甦る理由

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原子爆弾を使ってロケットを宇宙に打ち上げるというクレイジーなアイデアは、ありがたいことに何十年も前に捨てられました。しかし、として リチャード・コーフィールド 原子力エンジンからのエネルギーを宇宙旅行に利用する可能性がNASAの議題に戻ってきたことが発見されました。

宇宙に向かう DRACO 原子力ロケットの描写 — **核に行く** アメリカのDRACOロケットは、核分裂炉からの熱を利用して宇宙へ推進します。 (提供: ロッキード・マーティン)

1914年にHGウェルズが出版 世界が自由になる、ラジウムがいつか宇宙船に動力を供給するかもしれないという概念に基づいた小説。アーネスト・ラザフォードなどの物理学者の研究に精通していたウェルズは、ラジウムが熱を発生する可能性があることを知っており、それをタービンを回すために使用することを想定していました。この本はフィクションかもしれないが、 世界が自由になる 彼らは、いわゆる「原子宇宙船」の可能性を正しく予見していました。

宇宙旅行に原子力を利用するという考えは、広島と長崎の惨状を目の当たりにした国民が平和目的での原子力の有用性を徐々に確信するようになった1950年代に定着した。アメリカのようなプログラムのおかげで、アトムス・フォー・ピース、人々は原子力がエネルギーと輸送に利用できることに気づき始めました。しかし、おそらく最も根本的な応用は宇宙飛行にあります。

原子力による宇宙旅行の最も強力な支持者の中には著名な数理物理学者がいたフリーマンダイソン。 1958 年、彼はプリンストン高等研究所から XNUMX 年間のサバティカルを取得し、サンディエゴのゼネラル・アトミックス社でコード名「オリオン」のプロジェクトに取り組みました。テッド・テイラーの発案 – ラスアラモスでのマンハッタン原爆プロジェクトに取り組んだ物理学者 – オリオン計画宇宙への推進に4000発の核爆弾を使用する2600トンの宇宙船の建造を目指していた。

宇宙船の後部から原子爆弾を投下するというのは、環境保護の観点からはクレイジーに聞こえるが、ダイソン氏は、この方法でがんに罹患するアメリカ人は「わずか」0.1～1人であると計算した。このプロジェクトはロケットの専門家からも支持されましたウェルナー·フォン·ブラウン、そして一連の非核実験飛行が実施された。ありがたいことに、 1963 年部分的核実験禁止条約オリオン計画に終止符を打ち、ダイソン自身も原子力宇宙船が環境に与える危険性を遅ればせながら認識した後、原子力宇宙船への支持を撤回した。

オリオン計画は終了したにもかかわらず、原子力推進の誘惑は決して消えることはなく（囲み記事「原子力による宇宙旅行：簡単な歴史」を参照）、現在では復活のようなものを楽しんでいます。しかし、原子爆弾を使用するのではなく、原子核分裂炉からのエネルギーを推進燃料に移し、燃料を約2500 Kに加熱し、「核熱推進」(NTP)と呼ばれるプロセスでノズルから放出するという考えだ。。あるいは、核分裂エネルギーがガスをイオン化し、宇宙船の後部から発射される可能性があります。これは「原子力電気推進」（NEP）として知られています。

それでは、原子力による宇宙旅行は現実的な見通しなのでしょうか?もしそうなら、どの技術が勝つのでしょうか?

核による宇宙旅行: 簡単な歴史

ロケットを推進するために原子力を使用することを想像している 2 人の物理学者の図 — **まともじゃない夢** 物理学者のテッド・テイラーとフリーマン・ダイソンは、核爆弾を使用して宇宙船を軌道に発射することを想像しました。 (提供: MIT/Laurent Taudin、www.unsitesurinternet.fr)

原子力による宇宙飛行のアイデアは、物理学者のフリーマン・ダイソンが宇宙にロケットを推進するために原子爆弾を使用することを提案した1950年代に遡ります。その概念はありがたいことにすぐに放棄されましたが、1960 年代と 1970 年代に NASA と米国原子力委員会はロケット推進用原子力エンジン (NERVA) 計画は、核分裂反応からの熱を利用してロケットを宇宙に推進することを目的としていました。核ミッションは決して開始されませんでしたが、NERVA は原子炉の設計、製造、ターボ機械、電子機器のいくつかの進歩につながりました。

その後、1980 年代に米国は 200 億ドルを設定しました。宇宙用原子力熱推進 (SNTP) プログラムは、従来の化学ロケットエンジンの 1990 倍の強力な原子力ロケットの開発を目指していました。 SNTP は、ロナルド・レーガン大統領が飛来する核ミサイルからアメリカを守るために設立した米国戦略防衛構想の一部でした。 SNTP は、燃料要素が応力下で破損する傾向があり、推進システムのテストに費用がかかりすぎると考えられたため、XNUMX 年代初頭に放棄されました。しかし現在、NASAは核による宇宙旅行に再び目を向けている（本文参照）。

核ブースト

従来のロケットのほとんどは、通常の化学燃料を動力源としています。のサターンVロケットたとえば、1960 年代後半から 1970 年代前半に宇宙飛行士を月に連れて行ったロケットブースターは液体燃料を使用していましたが、スペースシャトルの打ち上げ中に見事に失敗したロケットブースターは チャレンジャー 1986年には固体燃料が含まれていました。

最近になって、スペースXのファルコンロケットたとえば、灯油と酸素の混合物が使用されています。問題は、そのような推進剤はすべて、「エネルギー密度」（単位体積あたりに蓄えられるエネルギー）が比較的小さく、「比推力」（推力を生成できる効率）が低いことです。これは、ロケットの全体的な推力 (比推力に排気ガスの質量流量と地球の重力を乗じたもの) が低いことを意味します。

したがって、化学推進剤が到達できる距離は限られており、従来の限界は月です。遠く離れた惑星やその他の「深宇宙」の目的地に到達するために、宇宙船は通常、複数の異なる惑星の重力を利用します。しかし、そのような旅は遠回りであり、長い時間がかかります。たとえば、NASA の Juno ミッションには必要な 5年木星に到達するのにボイジャー船は30年以上かかりましたが、太陽系の端。このようなミッションは、打ち上げ期間が狭く頻度が少ないことによっても制限されます。

原子力宇宙船は、代わりに核分裂エネルギーを燃料（図 1）の加熱に使用します。おそらく、分子量が低く、燃焼熱が高い、極低温に貯蔵された液体水素です。「電気または熱による原子力推進は、燃焼ベースの推進よりも多くのエネルギーを所定の質量の燃料から抽出できる可能性があります」と彼は言います。デールトーマス、NASAのマーシャル宇宙飛行センターの元副所長で、現在はハンツビルのアラバマ大学にいます。

1 原子力宇宙船の内部

核熱推進を利用するロケットでは、通常は液体水素である作動流体が原子炉内で高温に加熱され、ノズルを通って膨張して推力を生み出します。より高い有効排気速度を提供するこのようなロケットは、エネルギーを内部に蓄える化学推進剤と比較して、ペイロード容量が 2 倍または 3 倍になります。

トーマス氏は、今日の最も効率的な化学推進システムは、特定の衝動約465秒。対照的に、NTP は核反応の出力密度が高いため、比推力がほぼ 900 秒になることがあります。はるかに高い推力対重量比と組み合わせることで、NTP はロケットを火星に 500 日ではなく、わずか 900 日で到達させることができます。

「推力重量比は、宇宙船の加速能力を決定するため非常に重要です。これは、地球の重力からの脱出や深宇宙での操縦など、重要なミッション段階で特に重要です」と氏は言います。マウロ・アウジェッリ, 英国宇宙庁の打ち上げシステム責任者。「一方、比推力は、ロケットが推進剤をどれだけ効果的に使用するかを示す尺度です。」

電気または熱による原子力推進は、燃焼ベースの推進よりも多くのエネルギーを所定の質量の燃料から抽出できる可能性があります。

デール・トーマス、アラバマ大学ハンツビル校

基本的に、一定量の推進剤があれば、原子力宇宙船は化学ロケットよりも速く移動し、推力を長期間維持できる。したがって、火星への有人ミッションには最適です。宇宙飛行士の飛行時間が短縮されるだけでなく、その結果、宇宙放射線にさらされる量も少なくなります。「さらに、ミッション期間が短縮されることで物流や生命維持の課題が軽減され、深宇宙探査がより実現可能かつ安全になります」とアウジェッリ氏は付け加えた。

しかし、原子力発電は単に移動時間を短縮するだけではありません。 NASAには、専用プログラムその時グレン研究センターオハイオ州クリーブランドでは、太陽エネルギーや化学燃料ではなく核分裂を利用して、目的地に到着した宇宙船に電力を供給しています。「原子力エネルギーは、太陽エネルギーや化学システムが長時間稼働するための電源として不適切または不可能な宇宙の極端な環境や領域での稼働に独特の利点をもたらします」とプログラムマネージャーは述べています。リンジー・カルドン.

アクションに戻る

2020年に米国政府は、次のようにして原子力宇宙船を再び議題にしっかりと据えた。ほぼ100億ドルを授与されるゼネラル・アトミックス、ロッキード・マーチン、ブルー・オリジンの3社に。彼らはそのお金を使って、アジャイルCislunar操作用のデモンストレーションロケット (DRACO) プログラム。 DARPAは米国国防総省の研究機関。最初のフェーズで、両社はNTPを使用して地球低軌道上でロケットを飛行できることを示すことを目指しており、DARPAは既存の化学ロケットシステムと同等の推力重量比を目指している。

核分裂表面発電システム — **オンデマンドのエネルギー** このような核分裂表面電力システムは、月や火星に安全で効率的かつ信頼性の高い電力を提供できる可能性があります。（提供：NASA）

タバサ・ドッドソン、DARPAのDRACOプログラムマネージャーは、DRACOプログラムによる宇宙原子炉の打ち上げと飛行の成功は宇宙飛行に革命をもたらすだろうと考えています。「進化の限界に達した今日の化学システムとは異なり、原子力技術は核融合やその先のシステムに進化すると理論化されています」と彼女は言う。「原子炉によって操縦され動力を供給されるように進化した宇宙船は、人類がより遠くへ行くことを可能にし、あらゆる種類のミッションで生存と成功の可能性を高めます。」

DRACO プログラムでは、ゼネラル・アトミックスが NTP 原子炉を設計し、推進サブシステムの青写真を作成し、ブルー・オリジンとロッキード・マーティンが宇宙船自体の計画を立てることになります。核分裂炉は特別な装置を使用します高分析低濃縮ウラン (HALEU) 既存の原子炉からリサイクルされた燃料を使用して製造できます。濃縮ウランは20％しか含まれておらず、核兵器には適さない。

原子炉は、航空機が「核安全な」軌道に到達するまでオンになる（つまり臨界状態になる）ことはない。万が一の緊急事態が発生した場合、言い換えれば、あらゆる汚染は無害に宇宙に放散されることになります。ロッキード・マーティンはすでに提携している BWX Technologies バージニア州リンチバーグの原子炉を開発し、HALEU 燃料を生産する。 BWXはDRACOロケットが打ち上げられる可能性があると発表 2027年に.

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空気を吸うロケットエンジン: 宇宙飛行の未来

他の場所で、アイダホ国立研究所の研究者米国では、NASA が核ロケットに必要な材料の開発と試験を支援しています。過渡リアクトル試験アイダホフォールズ近くの(TREAT)施設。彼らはすでに昨年、コンピューターモデルを検証し、新しいセンサーと実験カプセルをテストするための練習を実施しました。長期的な目的は、どの材料、複合構造、ウラン化合物が NTP 原子炉の極度の高温条件下で最も効果的に機能するかを特定することです。

原子炉からの熱は水素燃料を加熱し、ロケット科学者がΔと呼ぶ最大の速度変化をもたらします。v – 与えられた質量に対して。水素の欠点は、密度が低く、ロケットには大きなタンクが必要になることです。アンモニアなどの他の推進剤のΔはこれより小さいv 推進剤1キログラムあたりの重量ですが、密度ははるかに高くなります。ハンツビルでトーマスは、NASA から天文学者を火星に連れて行くための理想的な燃料はアンモニアであることを示しました。月のゲートウェイ – 月を周回する宇宙ステーション。

出版したこと NTPテクノロジーのレビュートーマス氏は、2020年のアメリカ航空宇宙研究所のために、約50分の短時間燃焼で多くの推力を提供する通常のNTPシステムがフライバイやランデブーミッションには理想的であると結論付けた。しかし、NTP と NEP を組み合わせた「バイモーダル」システムもあります (ボックス「原子力電気推進の課題」を参照)。前者は高推力の素早いバーストを提供しますが、後者は長時間低推力を生成します。これは、長時間の往復ミッションに最適です。

ケイト・ハガティ・ケリーBWX Technologies の宇宙工学担当ディレクターである同氏は、全体的な核熱推進は化学推進システムよりも 2 ～ 5 倍効率的でありながら、高い推力を提供できると述べています。「[対照的に]原子力電気推進システムは、より高い効率を提供できますが、推力は低く、核分裂によって生成されたエネルギーを電気に変換して、宇宙船上のサブシステムに電力を供給できます。」

原子力電気推進の課題

**着実に進んでいます** NASA の核分裂表面発電プロジェクトマネージャーであるリンジー・カルドン氏は、原子力電気推進による安定した電力により、深宇宙への信頼性の高い旅行が可能になると考えています。（提供：NASA）

核熱推進 (NTP) では、核反応からのエネルギーを使用して、おもちゃの風船からの空気のように、ロケットの後部から発射される燃料を加熱します。しかし、原子力電気推進 (NEP) では、代わりに核分裂エネルギーがガスのイオン化に使用されます。「NEP システムによって放出される推進剤は、キセノンやクリプトンなどの不活性ガスですが、電気スラスターのタイプに応じて、ヨウ素、リチウム、または水素がオプションになる可能性があります」と、プロジェクトマネージャーのリンゼイカルドン氏は述べています。核分裂表面パワー NASAのグレン研究センターにて。

推進剤がイオン化されると、電磁装置を使用してガスを誘導および加速し、宇宙船に前進運動を与えることができます。カルドン氏は、推力の量が NTP ロケットから得られるものよりもはるかに小さいことを認めています。「NEP は、スピードボートと比較して、わずかに風が吹く帆船のようなものだと考えてください」と彼女は言います。「しかし、深宇宙への安定した信頼性の高い旅に必要なのは、これだけです。」

カルドン氏とグレンの同僚にとっての課題は、原子炉が推進剤をイオン化するのに十分な電力を生成し、スラスターがスムーズに機能していることを確認することです。 1 つのオプションは、 "スターリングエンジン"、エンジンの高温端と低温端の間でガスの周期的な圧縮と膨張を利用して電気を生成します。他のオプションは、「ホール効果スラスター」、電気導体とその導体に垂直な磁場を組み合わせることで電圧を生成します。

では、NTP と NEP は深宇宙での運用に適しているのでしょうか?トーマス氏によると、それはミッションの種類によって異なるという。「特定のクラスのミッション（特定の質量を超える科学宇宙船など）、有人ミッション、または特定の目的地には NTP が最適な選択ですが、他のミッションには NEP が最適です。車での旅行と同様、距離、運ぶ荷物の量、スケジュールの要求などによって異なります。」

核の未来

NASAはすでにいくつかの原子力による宇宙ミッションを検討している。によると 2021年XNUMX月にリリースされたレポート、これらには、天王星と木星のさまざまな衛星を周回する宇宙船や、海王星の衛星トリトンを周回して着陸する宇宙船が含まれる可能性があります。報告書はまた、原子力ロケットが太陽の周りの極軌道に進入し、場合によっては星間空間へのミッションも想定している。

最終的には、何らかのタイプの核推進は、単独で、または別のタイプの推進と組み合わせて、人類の将来の宇宙開発の重要な部分となるでしょう。 NASA、英国宇宙機関、欧州宇宙機関はすべて原子力による宇宙飛行に注目しているため、2030年代までに最初の火星への有人ミッションでは何らかの形でこの技術が使用されるだろうと私は考えています。フリーマン・ダイソンの夢は、近いうちに日の目を見ることができると私は確信しています。

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情報源： https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/

タイムスタンプ： 2024 年 2 月 1 日

タイムスタンプ： 2024 年 3 月 11 日

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