Statek kosmiczny o napędzie atomowym: dlaczego powróciły marzenia o rakietach atomowych – Świat Fizyki

<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="Idziemy nuklearnie Amerykańska rakieta DRACO będzie wykorzystywać ciepło z reaktora rozszczepialnego do wyrzucenia jej w przestrzeń kosmiczną. (Dzięki uprzejmości: Lockheed Martin)”>

W 1914 roku opublikował HG Wells Świat uwolniony, powieść oparta na założeniu, że rad może pewnego dnia zasilać statki kosmiczne. Wells, który znał prace fizyków takich jak Ernest Rutherford, wiedział, że rad może wytwarzać ciepło i przewidział, że można go wykorzystać do obracania turbiny. Książka mogła być fikcją literacką, ale Świat uwolniony prawidłowo przewidział potencjał tego, co można nazwać „atomowymi statkami kosmicznymi”.

Pomysł wykorzystania energii jądrowej do podróży kosmicznych narodził się w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy społeczeństwo – będąc świadkiem okropności Hiroszimy i Nagasaki – stopniowo utwierdzało się w przekonaniu o użyteczności energii jądrowej do celów pokojowych. Dzięki programom takim jak America's Atomy dla pokojuludzie zaczęli dostrzegać, że energię jądrową można wykorzystać w energetyce i transporcie. Ale być może najbardziej radykalne zastosowanie leży w lotach kosmicznych.

Do najzagorzalszych zwolenników podróży kosmicznych o napędzie atomowym należał wybitny fizyk matematyczny Freeman Dyson. W 1958 roku wziął roczny urlop naukowy w Institute of Advanced Study w Princeton, aby pracować w General Atomics w San Diego nad projektem o kryptonimie Orion. Pomysł Teda Taylora – fizyka, który pracował nad projektem bomby atomowej na Manhattanie w Las Alamos – Projekt Orion którego celem było zbudowanie 4000-tonowego statku kosmicznego, który do wystrzelenia w przestrzeń kosmiczną użyłby 2600 bomb nuklearnych.

Zrzucanie bomb atomowych z tyłu statku kosmicznego wydaje się szaleństwem ze względów środowiskowych, ale Dyson obliczył, że „tylko” 0.1–1 Amerykanów może zachorować na raka w wyniku tej metody. Projekt był nawet wspierany przez eksperta ds. rakiet Wernher von Braunoraz przeprowadzono serię lotów próbnych niejądrowych. Na szczęście Traktat o częściowym zakazie prób z 1963 r położył kres Projektowi Orion, a sam Dyson później wycofał swoje wsparcie dla atomowych statków kosmicznych, po późnym rozpoznaniu ich zagrożeń dla środowiska.

Pomimo zakończenia Projektu Orion, pokusa napędu nuklearnego tak naprawdę nigdy nie zniknęła (patrz ramka „Jądrowe podróże kosmiczne: krótka historia”) i obecnie przeżywa swój renesans. Zamiast jednak używać bomb atomowych, pomysł polega na przeniesieniu energii z reaktora rozszczepienia jądrowego na paliwo pędne, które zostanie podgrzane do temperatury około 2500 K i wyrzucone przez dyszę w procesie zwanym „jądrowym napędem termicznym” (NTP). . Alternatywnie energia rozszczepienia mogłaby zjonizować gaz, który zostałby wystrzelony z tyłu statku kosmicznego – tak zwany „jądrowy napęd elektryczny” (NEP).

Czy zatem podróże kosmiczne o napędzie atomowym są realistyczną perspektywą, a jeśli tak, to która technologia zwycięży?

Wzmocnienie nuklearne

Większość konwencjonalnych rakiet napędzana jest zwykłymi paliwami chemicznymi. The Rakieta Saturn V na przykład, który zabrał astronautów na Księżyc pod koniec lat 1960. i na początku 1970. XX wieku, wykorzystywał paliwa płynne, podczas gdy dopalacze rakietowe, które tak spektakularnie zawiodły podczas startu promu kosmicznego, Challenger w 1986 r. zawierało paliwo stałe.

Ostatnio, Rakiety Falcon firmy Space Xna przykład stosowali mieszankę nafty i tlenu. Problem w tym, że wszystkie tego typu paliwa mają stosunkowo małą „gęstość energii” (energię zmagazynowaną na jednostkę objętości) i niski „impuls właściwy” (wydajność, z jaką mogą wytwarzać ciąg). Oznacza to, że całkowity ciąg rakiety – impuls właściwy pomnożony przez masowe natężenie przepływu spalin i grawitację Ziemi – jest niski.

Dlatego chemiczne paliwa pędne mogą dotrzeć tylko do tej pory, przy czym tradycyjnym ograniczeniem jest Księżyc. Aby dotrzeć do odległych planet i innych miejsc w „głębokim kosmosie”, statki kosmiczne zwykle wykorzystują przyciąganie grawitacyjne wielu różnych planet. Takie podróże są jednak okrężne i zajmują dużo czasu. Potrzebna była na przykład misja NASA Juno pięć lat dotrzeć do Jowisza, podczas gdy sonda Voyager dotarcie do Jowisza zajęło ponad 30 lat krawędź Układu Słonecznego. Takie misje są również ograniczone wąskimi i rzadkimi oknami startowymi.

Zamiast tego nuklearny statek kosmiczny wykorzystywałby energię rozszczepienia do podgrzewania paliwa (rysunek 1) – najprawdopodobniej przechowywanego kriogenicznie ciekłego wodoru, który ma niską masę cząsteczkową i wysokie ciepło spalania. „Napęd jądrowy, elektryczny lub cieplny, może wydobyć więcej energii z danej masy paliwa, niż jest to możliwe w przypadku napędu spalinowego” – mówi Dale'a Thomasa, były zastępca dyrektora w Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla NASA, obecnie na Uniwersytecie Alabama w Huntsville.

Thomas twierdzi, że dzisiejsze najbardziej wydajne chemiczne systemy napędowe mogą osiągnąć ok konkretny impuls około 465 sekund. Natomiast NTP może mieć impuls właściwy trwający prawie 900 sekund ze względu na większą gęstość mocy reakcji jądrowych. W połączeniu ze znacznie wyższym stosunkiem ciągu do masy, NTP mogłaby wysłać rakietę na Marsa w zaledwie 500 dni, a nie 900.

„Stosunek ciągu do masy ma kluczowe znaczenie, ponieważ określa zdolność statku kosmicznego do przyspieszania, co jest szczególnie krytyczne w kluczowych fazach misji, takich jak ucieczka przed grawitacją Ziemi lub manewrowanie w przestrzeni kosmicznej” – mówi Mauro Augelliego, szef systemów startowych w Brytyjskiej Agencji Kosmicznej. „Z drugiej strony impuls właściwy jest miarą tego, jak efektywnie rakieta wykorzystuje paliwo”.

Napęd jądrowy, elektryczny lub cieplny, mógłby wydobyć więcej energii z danej masy paliwa, niż jest to możliwe w przypadku napędu spalinowego

Dale Thomas z Uniwersytetu Alabamy w Huntsville

Zasadniczo przy danej ilości paliwa statek kosmiczny o napędzie atomowym mógłby podróżować szybciej i utrzymywać ciąg przez dłuższy czas niż rakieta chemiczna. Byłoby zatem świetnie w przypadku misji załogowych na Marsa – astronauci nie tylko mieliby szybszą podróż, ale w rezultacie byliby narażeni na mniejsze promieniowanie kosmiczne. „Co więcej, krótszy czas trwania misji zmniejsza wyzwania logistyczne i związane z utrzymaniem życia, dzięki czemu eksploracja głębokiego kosmosu jest bardziej wykonalna i bezpieczniejsza” – dodaje Augelli.

Ale energia jądrowa to nie tylko skrócenie czasu podróży. NASA ma również tzw dedykowany program na swym Centrum Badawcze Glenna w Cleveland w stanie Ohio, aby wykorzystać rozszczepienie jądrowe – zamiast energii słonecznej lub paliw chemicznych – do zasilania statków kosmicznych po dotarciu na miejsce przeznaczenia. „Energia jądrowa oferuje wyjątkowe korzyści w przypadku działania w ekstremalnych środowiskach i regionach przestrzeni kosmicznej, w których systemy słoneczne i chemiczne są albo niewystarczające, albo niemożliwe jako źródła energii do długotrwałej pracy” – mówi kierownik programu Lindsay Kaldon.

Znowu w akcji

W 2020 r. rząd Stanów Zjednoczonych zdecydowanie ponownie włączy nuklearny statek kosmiczny do programu działań przyznając prawie 100 mln dolarów trzem firmom – General Atomics, Lockheed Martin i Blue Origin. Pieniądze przeznaczą na prace nad m.in Rakieta demonstracyjna do zwinnych operacji Cislunar (DRACO), który jest finansowany za pośrednictwem DARPA agencja badawcza Departamentu Obrony USA. W pierwszej faziefirmy będą dążyć do wykazania, że ​​NTP można wykorzystać do wyniesienia rakiety nad niską orbitę okołoziemską, przy czym DARPA będzie dążyć do uzyskania stosunku ciągu do masy na poziomie istniejących systemów rakiet chemicznych.

<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="Energia na żądanie System zasilania powierzchniowego oparty na rozszczepieniu mógłby zapewnić bezpieczną, wydajną i niezawodną energię elektryczną na Księżycu i Marsie. (Dzięki uprzejmości: NASA)” title=”Kliknij, aby otworzyć obraz w wyskakującym okienku” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuklear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -rakiety-powracają-do-świata-fizyki-3.jpg”>

Tabitha Dodson, kierownik programu DARPA w DRACO, uważa, że ​​pomyślny wystrzelenie i lot kosmicznego reaktora jądrowego w ramach programu DRACO zrewolucjonizuje loty kosmiczne. „W przeciwieństwie do dzisiejszych systemów chemicznych, które osiągnęły granicę możliwości ewolucji, według teorii technologie nuklearne ewoluują w kierunku systemów takich jak synteza termojądrowa i nie tylko” – mówi. „Statki kosmiczne ewoluowały tak, aby można było nimi manewrować i zasilać reaktory jądrowe, dzięki którym ludzkość może dotrzeć dalej, z większą szansą na przetrwanie i powodzenie każdego rodzaju misji”.

W programie DRACO General Atomics zaprojektuje reaktor NTP i sporządzi projekt podsystemu napędowego, natomiast Blue Origin i Lockheed Martin zaprojektują sam statek kosmiczny. Reaktor rozszczepialny wykorzystywałby specjalny nisko wzbogacony uran wysokowartościowy (HALEU), które można wytworzyć przy użyciu paliwa pochodzącego z recyklingu z istniejących reaktorów jądrowych. Zawierający tylko 20% wzbogaconego uranu, nie nadaje się do przeróbki na broń nuklearną.

Reaktor nie zostanie włączony (tj. nie osiągnie stanu krytycznego), dopóki statek nie osiągnie orbity „bezpiecznej nuklearnie”. Innymi słowy, w mało prawdopodobnym przypadku awarii wszelkie zanieczyszczenia zostałyby nieszkodliwie rozproszone w przestrzeni kosmicznej. Lockheed Martin już połączył siły z Technologie BWX z Lynchburg w Wirginii, w celu opracowania reaktora i produkcji paliwa HALEU. BWX twierdzi, że rakieta DRACO może wystartować jak tylko 2027.

Silniki rakietowe oddychające powietrzem: przyszłość lotów kosmicznych

Gdzie indziej, badacze z Idaho National Laboratory w USA pomagają NASA opracowywać i testować materiały potrzebne do budowy rakiety nuklearnej Test reaktora przejściowego (TREAT) w pobliżu wodospadu Idaho. W zeszłym roku przeprowadzili już próbę próbną, aby zweryfikować modele komputerowe i przetestować nowy czujnik i kapsułę eksperymentalną. Celem długoterminowym jest określenie, które materiały, struktury kompozytowe i związki uranu sprawdzają się najlepiej w ekstremalnie gorących warunkach reaktora NTP.

Ciepło z reaktora podgrzałoby paliwo wodorowe, które zapewnia największą zmianę prędkości – co naukowcy zajmujący się rakietami nazywają Δv – dla danej masy. Wadą wodoru jest jego mała gęstość i rakieta wymagałaby dużych zbiorników. Inne gazy pędne, takie jak amoniak, mają niższą wartość Δv na kilogram paliwa, ale są znacznie gęstsze. W Huntsville Thomas wykazał, że amoniak byłby idealnym paliwem, które umożliwiłoby astronomom dotarcie na Marsa z pokładu NASA Księżycowa Brama – stacja kosmiczna, która krążyłaby wokół Księżyca.

Po opublikowaniu przegląd technologii NTP dla Amerykańskiego Instytutu Aeronautyki i Astronautyki w 2020 r. Thomas doszedł do wniosku, że zwykłe systemy NTP, które zapewniają duży ciąg w przypadku krótkich przelotów trwających około 50 minut, będą idealne do przelotów w pobliżu i misji rendez-vous. Istnieją jednak także systemy „bimodalne”, które łączą NTP z NEP (patrz ramka „Wyzwania nuklearnego napędu elektrycznego”). Ten pierwszy zapewnia szybkie impulsy wysokiego ciągu, podczas gdy drugi zapewnia niski ciąg przez dłuższe okresy – idealne na długie misje w obie strony.

Kate Haggerty Kelly, dyrektor ds. przestrzeni kosmicznej i inżynierii w BWX Technologies, twierdzi, że ogólnie nuklearny napęd termiczny może być od dwóch do pięciu razy bardziej wydajny niż chemiczne systemy napędowe, a jednocześnie zapewnia duży ciąg. „[W przeciwieństwie do tego] jądrowe systemy napędu elektrycznego mogą zapewniać wyższą wydajność, ale mniejszy ciąg, a energię wytwarzaną w wyniku rozszczepienia jądrowego można przekształcić w energię elektryczną, aby zapewnić moc podsystemom statku kosmicznego”.

Czy zatem NTP lub NEP będą lepsze do operacji w głębokim kosmosie? Według Thomasa będzie to zależeć od rodzaju misji. „W przypadku misji określonej klasy – np. statku kosmicznego o masie powyżej określonej masy – lub misji załogowych, lub w przypadku niektórych miejsc docelowych najlepszym wyborem będzie NTP, podczas gdy w przypadku innych misji najlepszy będzie NEP. Podobnie jak w przypadku podróży samochodem, zależy to od odległości, ilości przewożonego bagażu, wymagań harmonogramu i tak dalej.

Przyszłość nuklearna

NASA rozważa już kilka misji kosmicznych o napędzie atomowym. Według raport opublikowany w czerwcu 2021 rmogą to być statki, które będą orbitować wokół różnych księżyców Urana i Jowisza, a także inne, które okrążą i wylądują na księżycu Neptuna, Trytonie. Raport przewiduje także wejście rakiety o napędzie atomowym na orbitę polarną wokół Słońca, a być może nawet misję w przestrzeń międzygwiazdową.

W ostatecznym rozrachunku napęd jądrowy pewnego typu będzie – sam lub w połączeniu z napędem innego typu – ważną częścią przyszłych wysiłków ludzkości w przestrzeni kosmicznej. Biorąc pod uwagę, że NASA, Brytyjska Agencja Kosmiczna i Europejska Agencja Kosmiczna rozważają loty kosmiczne o napędzie atomowym, stawiam, że pierwsze załogowe misje na Marsa do lat 2030. XXI wieku będą korzystać z jakiejś formy tej technologii. Jestem pewien, że marzenie Freemana Dysona wkrótce ujrzy światło dzienne.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/