Nucleair aangedreven ruimtevaartuig: waarom dromen over atoomraketten weer actief zijn – 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="Nucleair gaan De Amerikaanse DRACO-raket zal de hitte van een splijtingsreactor gebruiken om deze de ruimte in te stuwen. (Met dank aan Lockheed Martin)”>

In 1914 publiceerde HG Wells The World Set Free, een roman gebaseerd op het idee dat radium ooit ruimteschepen zou kunnen aandrijven. Wells, die bekend was met het werk van natuurkundigen als Ernest Rutherford, wist dat radium warmte kon produceren en stelde zich voor dat het zou worden gebruikt om een ​​turbine aan te drijven. Het boek zou een fictiewerk kunnen zijn geweest, maar... The World Set Free voorzag terecht het potentieel van wat men ‘atomaire ruimteschepen’ zou kunnen noemen.

Het idee om kernenergie te gebruiken voor ruimtevaart ontstond in de jaren vijftig toen het publiek – na getuige te zijn geweest van de verschrikkingen van Hiroshima en Nagasaki – geleidelijk overtuigd raakte van het nut van kernenergie voor vreedzame doeleinden. Dankzij programma's als America's Atoms for Peacebegonnen mensen in te zien dat kernenergie gebruikt kon worden voor energie en transport. Maar misschien wel de meest radicale toepassing lag in de ruimtevaart.

Een van de sterkste voorstanders van nucleair aangedreven ruimtevaart was de eminente wiskundige natuurkundige Freeman Dyson. In 1958 nam hij een jaar sabbatical van het Institute of Advanced Study in Princeton om bij General Atomics in San Diego te werken aan een project met de codenaam Orion. Het geesteskind van Ted Taylor – een natuurkundige die aan het atoombomproject in Manhattan in Las Alamos had gewerkt – project Orion Het doel was om een ​​ruimteschip van 4000 ton te bouwen dat 2600 kernbommen zou gebruiken om het de ruimte in te stuwen.

Het laten vallen van atoombommen uit de achterkant van een ruimtevaartuig klinkt om milieuredenen gek, maar Dyson berekende dat “slechts” 0.1 à 1 Amerikanen door deze methode kanker zouden krijgen. Het project werd zelfs gesteund door een raketexpert Wernher von Braunen er werd een reeks niet-nucleaire testvluchten uitgevoerd. Gelukkig is de 1963 Gedeeltelijk kernstopverdrag maakte een einde aan Project Orion, en Dyson zelf trok later zijn steun voor atomaire ruimtevaartuigen in nadat hij de gevaren voor het milieu te laat had onderkend.

Ondanks het einde van Project Orion is de aantrekkingskracht van nucleaire voortstuwing nooit echt verdwenen (zie kader ‘Nucleaire ruimtevaart: een korte geschiedenis’) en beleeft nu een soort heropleving. In plaats van atoombommen te gebruiken, is het idee echter om de energie van een kernsplijtingsreactor over te dragen naar een stuwbrandstof, die zou worden verwarmd tot ongeveer 2500 K en via een mondstuk zou worden uitgestoten in een proces dat ‘nucleaire thermische voortstuwing’ (NTP) wordt genoemd. . Als alternatief zou de splijtingsenergie een gas kunnen ioniseren dat uit de achterkant van het ruimtevaartuig zou worden afgevuurd – wat bekend staat als “nucleaire elektrische voortstuwing” (NEP).

Is nucleair aangedreven ruimtevaart dus een realistisch vooruitzicht, en zo ja, welke technologie zal dan winnen?

Nucleaire impuls

De meeste conventionele raketten worden aangedreven door gewone, chemische brandstoffen. De Saturnus V-raket die astronauten eind jaren zestig en begin jaren zeventig naar de maan brachten, gebruikten bijvoorbeeld vloeibare brandstoffen, terwijl de raketaanjagers die zo spectaculair faalden tijdens de lancering van de space shuttle Uitdager in 1986 bevatte vaste brandstof.

Recenter, De Falcon-raketten van Space Xhebben bijvoorbeeld een mengsel van kerosine en zuurstof gebruikt. Het probleem is dat al deze drijfgassen een relatief kleine “energiedichtheid” hebben (energie opgeslagen per volume-eenheid) en een lage “specifieke impuls” (de efficiëntie waarmee ze stuwkracht kunnen genereren). Dit betekent dat de algehele stuwkracht van de raket – de specifieke impuls vermenigvuldigd met de massastroomsnelheid van het uitlaatgas en de zwaartekracht van de aarde – laag is.

Met chemische drijfgassen kun je daarom maar zo ver komen, waarbij de maan de traditionele limiet is. Om verre planeten en andere bestemmingen in de diepe ruimte te bereiken, maken ruimtevaartuigen gewoonlijk gebruik van de zwaartekracht van meerdere verschillende planeten. Dergelijke reizen zijn echter omslachtig en duren lang. NASA's Juno-missie was bijvoorbeeld nodig vijf jaar om Jupiter te bereiken, terwijl het Voyager-vaartuig er meer dan 30 jaar over deed om de planeet te bereiken rand van het zonnestelsel. Dergelijke missies worden ook beperkt door smalle en onregelmatige lanceervensters.

Een nucleair ruimtevaartuig zou in plaats daarvan splijtingsenergie gebruiken om een ​​brandstof te verwarmen (figuur 1) – hoogstwaarschijnlijk cryogeen opgeslagen vloeibare waterstof, die een lage moleculaire massa en een hoge verbrandingswarmte heeft. “Nucleaire voortstuwing, elektrisch of thermisch, zou meer energie uit een gegeven massa brandstof kunnen halen dan mogelijk is via voortstuwing op basis van verbranding”, zegt Daal Thomas, een voormalig associate director bij NASA's Marshall Space Flight Center, nu aan de Universiteit van Alabama in Huntsville.

Thomas zegt dat de meest efficiënte chemische voortstuwingssystemen van vandaag een specifieke impuls van ongeveer 465 seconden. NTP kan daarentegen een specifieke impuls van bijna 900 seconden hebben vanwege de hogere vermogensdichtheid van kernreacties. Gecombineerd met een veel hogere stuwkracht-gewichtsverhouding zou NTP in slechts 500 dagen een raket naar Mars kunnen krijgen, in plaats van 900.

“De verhouding tussen stuwkracht en gewicht is cruciaal omdat deze het vermogen van het ruimtevaartuig om te accelereren bepaalt, wat vooral van cruciaal belang is tijdens belangrijke missiefasen, zoals het ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde of manoeuvreren in de diepe ruimte”, zegt Mauro Augelli, hoofd lanceersystemen bij de UK Space Agency. “De specifieke impuls daarentegen is een maatstaf voor hoe effectief een raket zijn drijfgas gebruikt.”

Nucleaire voortstuwing, elektrisch of thermisch, zou meer energie uit een bepaalde massa brandstof kunnen halen dan mogelijk is via voortstuwing op basis van verbranding

Dale Thomas, Universiteit van Alabama in Huntsville

In wezen zou een nucleair aangedreven ruimtevaartuig met een bepaalde hoeveelheid drijfgas sneller kunnen reizen en zijn stuwkracht langer kunnen volhouden dan een chemische raket. Het zou daarom geweldig zijn voor bemande missies naar Mars. Niet alleen zouden de astronauten een snellere reis maken, maar als gevolg daarvan zouden ze ook aan minder kosmische straling worden blootgesteld. “Bovendien verminderen kortere missieduur de logistieke en levensondersteunende uitdagingen, waardoor verkenning van de diepe ruimte haalbaarder en veiliger wordt”, voegt Augelli toe.

Maar kernenergie gaat niet alleen over het verkorten van de reistijd. NASA heeft ook een speciaal programma op z'n Glenn Onderzoekscentrum in Cleveland, Ohio, om kernsplijting te gebruiken – in plaats van zonne-energie of chemische brandstoffen – om ruimtevaartuigen van stroom te voorzien zodra ze hun bestemming hebben bereikt. “Kernenergie biedt unieke voordelen voor gebruik in extreme omgevingen en regio’s in de ruimte waar zonne- en chemische systemen ontoereikend of onmogelijk zijn als energiebronnen voor langdurig gebruik”, zegt programmamanager Lindsay Kaldon.

Terug in actie

In 2020 heeft de Amerikaanse regering nucleaire ruimtevaartuigen weer stevig op de agenda gezet bijna $ 100 miljoen toegekend aan drie bedrijven: General Atomics, Lockheed Martin en Blue Origin. Met het geld gaan ze aan de slag Demonstratieraket voor Agile Cislunar-operaties (DRACO) programma, dat wordt gefinancierd via het DARPA onderzoeksbureau van het Amerikaanse ministerie van Defensie. In de eerste fasezullen de bedrijven proberen aan te tonen dat NTP kan worden gebruikt om een ​​raket boven een lage baan om de aarde te vliegen, waarbij DARPA streeft naar een stuwkracht-gewichtsverhouding die vergelijkbaar is met bestaande chemische raketsystemen.

<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="Energie op aanvraag Een kernsplijtingssysteem zoals dit zou veilige, efficiënte en betrouwbare elektrische energie kunnen leveren op de maan en Mars. (Met dank aan: NASA)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -raketten-zijn-back-on-physics-world-3.jpg”>

Tabitha Dodson, DARPA-programmamanager voor DRACO, denkt dat de succesvolle lancering en vlucht van een nucleaire ruimtereactor door het DRACO-programma een revolutie teweeg zou brengen in de ruimtevaart. “In tegenstelling tot de huidige chemische systemen, die een limiet hebben bereikt in hoe ver ze kunnen evolueren, wordt er van uitgegaan dat nucleaire technologieën evolueren naar systemen zoals fusie en verder”, zegt ze. “Ruimtevaartuigen die zijn ontwikkeld om te worden gemanoeuvreerd en aangedreven door kernreactoren zullen de mensheid in staat stellen verder te gaan, met een grotere kans op overleving en succes voor elk type missie.”

In het DRACO-programma zal General Atomics de NTP-reactor ontwerpen en een blauwdruk opstellen voor een voortstuwingssubsysteem, terwijl Blue Origin en Lockheed Martin het ruimtevaartuig zelf zullen plannen. De splijtingsreactor zou een special gebruiken high-assay laagverrijkt uranium (HALEU), dat kan worden gemaakt met behulp van brandstof die wordt gerecycled uit bestaande kernreactoren. Omdat het slechts 20% verrijkt uranium bevat, is het ongeschikt om er kernwapens van te maken.

De reactor zou pas worden ingeschakeld (dat wil zeggen kritisch worden) als het ruimtevaartuig een “nucleair-veilige” baan had bereikt. In het onwaarschijnlijke geval van een noodsituatie zou elke besmetting met andere woorden onschadelijk in de ruimte worden verspreid. Lockheed Martin heeft al zijn krachten gebundeld BWX Technologies uit Lynchburg, Virginia, om de reactor te ontwikkelen en de HALEU-brandstof te produceren. BWX zegt dat een DRACO-raket zou kunnen lanceren zodra 2027.

Luchtademende raketmotoren: de toekomst van de ruimtevaart

Elders, onderzoekers van het Idaho National Laboratory in de VS helpen NASA bij het ontwikkelen en testen van de materialen die nodig zijn voor een nucleaire raket Tijdelijke reactortest (TREAT)-faciliteit nabij Idaho Falls. Vorig jaar voerden ze al een oefenrun uit om de computermodellen te valideren en een nieuwe sensor en experimentcapsule te testen. Op de lange termijn is het doel om te identificeren welke materialen, composietstructuren en uraniumverbindingen het beste werken in de extreem hete omstandigheden van een NTP-reactor.

De hitte van de reactor zou waterstofbrandstof verwarmen, wat de grootste snelheidsverandering oplevert – wat raketwetenschappers Δ noemenv – voor een bepaalde massa. Het nadeel van waterstof is dat het een lage dichtheid heeft en dat de raket grote tanks nodig heeft. Andere drijfgassen, zoals ammoniak, hebben een lagere Δv per kilogram drijfgas, maar zijn veel dichter. In Huntsville heeft Thomas aangetoond dat ammoniak de ideale brandstof zou zijn om astronomen vanuit NASA's naar Mars te krijgen. Maan Poort – een ruimtestation dat in een baan om de maan zou draaien.

Na gepubliceerd te hebben een overzicht van NTP-technologie voor het American Institute of Aeronautics and Astronautics in 2020 heeft Thomas geconcludeerd dat reguliere NTP-systemen, die veel stuwkracht bieden voor korte branduren van ongeveer 50 minuten, ideaal zullen zijn voor flybys en rendez-vous-missies. Maar er zijn ook “bimodale” systemen, die NTP combineren met NEP (zie kader “De uitdagingen van nucleaire elektrische voortstuwing”). De eerste geeft snelle uitbarstingen van hoge stuwkracht, terwijl de laatste gedurende langere perioden een lage stuwkracht levert – perfect voor langdurige retourmissies.

Kate Haggerty Kelly, directeur ruimtevaart en techniek bij BWX Technologies, zegt dat de algehele nucleaire thermische voortstuwing twee tot vijf keer efficiënter kan zijn dan chemische voortstuwingssystemen, terwijl ze ook een hoge stuwkracht bieden. “[Daarentegen] kunnen nucleaire elektrische voortstuwingssystemen een hogere efficiëntie bieden, maar een lagere stuwkracht, en de energie die wordt gegenereerd door kernsplijting kan worden omgezet in elektriciteit om subsystemen van het ruimtevaartuig van stroom te voorzien.”

Zal NTP of NEP dus beter zijn voor operaties in de ruimte? Volgens Thomas zal het afhangen van het type missie. “Voor missies van een bepaalde klasse – zoals wetenschappelijke ruimtevaartuigen boven een bepaalde massa – of bemande missies, of voor bepaalde bestemmingen zal NTP de beste keuze zijn, terwijl voor andere missies NEP de beste zal zijn. Net als bij een autorit hangt het af van de afstand, hoeveel bagage je meeneemt, je planning vereist, enzovoort.”

Nucleaire toekomst

NASA overweegt al verschillende nucleair aangedreven ruimtemissies. Volgens een rapport uitgebracht in juni 2021Dit kunnen onder meer vaartuigen zijn die in een baan om verschillende manen van Uranus en Jupiter zullen draaien, en andere die in een baan om de maan Triton van Neptunus zullen cirkelen en landen. Het rapport voorziet ook in een nucleair aangedreven raket die een polaire baan rond de zon zal betreden en mogelijk zelfs een missie naar de interstellaire ruimte.

Uiteindelijk zal nucleaire voortstuwing van een bepaald type – alleen of in combinatie met een ander type voortstuwing – een belangrijk onderdeel vormen van de toekomstige ruimte-inspanningen van de mensheid. Nu NASA, de UK Space Agency en de European Space Agency allemaal kijken naar nucleair aangedreven ruimtevluchten, durf ik te wedden dat de eerste bemande missies naar Mars tegen 2030 een vorm van deze technologie zullen gebruiken. Ik ben er zeker van dat de droom van Freeman Dyson binnenkort het levenslicht zou kunnen zien.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/