Nave spațiale cu propulsie nucleară: de ce revin visele de rachete atomice – 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="Devine nucleară Racheta americană DRACO va folosi căldura de la un reactor de fisiune pentru a o propulsa în spațiu. (Cu amabilitatea: Lockheed Martin)”>

În 1914 a publicat HG Wells Lumea s-a eliberat, un roman bazat pe ideea că radiul ar putea într-o zi să alimenteze nave spațiale. Wells, care era familiarizat cu lucrările unor fizicieni precum Ernest Rutherford, știa că radiul poate produce căldură și s-a gândit să fie folosit pentru a transforma o turbină. Cartea ar fi putut fi o operă de ficțiune, dar Lumea s-a eliberat a prevăzut corect potențialul a ceea ce s-ar putea numi „nave spațiale atomice”.

Ideea utilizării energiei nucleare pentru călătoriile în spațiu a luat loc în anii 1950, când publicul – după ce a fost martor la ororile de la Hiroshima și Nagasaki – s-a convins treptat de utilitatea energiei nucleare în scopuri pașnice. Datorită unor programe precum cel al Americii Atomi pentru Pace, oamenii au început să vadă că energia nucleară poate fi folosită pentru energie și transport. Dar poate cea mai radicală aplicație a fost în zborul spațial.

Printre cei mai puternici susținători ai călătoriilor spațiale cu propulsie nucleară a fost eminentul fizician matematic Freeman Dyson. În 1958, a luat un an sabatic de la Institutul de Studii Avansate din Princeton pentru a lucra la General Atomics din San Diego la un proiect cu numele de cod Orion. Creația lui Ted Taylor – un fizician care lucrase la proiectul bombei atomice din Manhattan la Las Alamos – Proiectul Orion și-a propus să construiască o navă spațială de 4000 de tone care să folosească 2600 de bombe nucleare pentru a o propulsa în spațiu.

Aruncarea bombelor atomice din spatele unei nave spațiale sună nebunesc din motive de mediu, dar Dyson a calculat că „doar” 0.1–1 americani ar contracta cancer prin această metodă. Proiectul a fost susținut chiar și de un expert în rachete Wernher von Braun, și au fost efectuate o serie de zboruri de testare non-nucleare. Din fericire, 1963 Tratatul de interzicere parțială a testelor a pus capăt Proiectului Orion, iar Dyson însuși și-a retras ulterior sprijinul pentru navele spațiale atomice după ce a recunoscut cu întârziere pericolele lor pentru mediu.

În ciuda încheierii Proiectului Orion, momeala propulsiei nucleare nu a dispărut niciodată (vezi caseta „Călătorie în spațiu nuclear: o scurtă istorie”) și acum se bucură de o renaștere. Cu toate acestea, în loc să folosiți bombe atomice, ideea este să transferați energia dintr-un reactor de fisiune nucleară într-un combustibil propulsor, care ar fi încălzit la aproximativ 2500 K și ejectat printr-o duză într-un proces numit „propulsie termică nucleară” (NTP). . Alternativ, energia de fisiune ar putea ioniza un gaz care ar fi lansat din spatele navei spațiale – ceea ce este cunoscut sub numele de „propulsie electrică nucleară” (NEP).

Deci, călătoriile spațiale cu propulsie nucleară sunt o perspectivă realistă și, dacă da, ce tehnologie va câștiga?

Boost nuclear

Cele mai multe rachete convenționale sunt alimentate cu combustibili chimici obișnuiți. The Racheta Saturn V care au dus astronauții pe Lună la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970, de exemplu, au folosit combustibili lichizi, în timp ce rachetele care au eșuat atât de spectaculos în timpul lansării navetei spațiale Challenger în 1986 conţinea combustibil solid.

Mai recent, Rachetele Falcon ale Space X, de exemplu, au folosit un amestec de kerosen și oxigen. Problema este că toți astfel de propulsori au o „densitate energetică” relativ mică (energie stocată pe unitate de volum) și un „impuls specific” scăzut (eficiența cu care pot genera forța). Aceasta înseamnă că forța generală a rachetei – impulsul specific înmulțit cu debitul masic al gazelor de eșapament și gravitația Pământului – este scăzută.

Prin urmare, propulsorii chimici vă pot duce doar atât de departe, Luna fiind limita tradițională. Pentru a ajunge la planete îndepărtate și alte destinații din „spațiul profund”, navele spațiale exploatează de obicei atracția gravitațională a mai multor planete diferite. Astfel de călătorii sunt, totuși, întortocheate și durează mult. Misiunea Juno a NASA, de exemplu, era necesară cinci ani pentru a ajunge la Jupiter, în timp ce ambarcațiunii Voyager au avut nevoie de mai bine de 30 de ani pentru a ajunge la marginea sistemului solar. Astfel de misiuni sunt, de asemenea, restricționate de ferestre de lansare înguste și rare.

O navă spațială nucleară ar folosi în schimb energia de fisiune pentru a încălzi un combustibil (figura 1) - cel mai probabil hidrogen lichid stocat criogenic, care are o masă moleculară scăzută și căldură mare de ardere. „Propulsiunea nucleară, fie electrică, fie termică, ar putea extrage mai multă energie dintr-o anumită masă de combustibil decât este posibilă prin propulsia bazată pe ardere”, spune Dale Thomas, fost director asociat la Marshall Space Flight Center al NASA, acum la Universitatea din Alabama din Huntsville.

Thomas spune că cele mai eficiente sisteme de propulsie chimică de astăzi pot realiza a impuls specific de aproximativ 465 de secunde. NTP, în schimb, poate avea un impuls specific de aproape 900 de secunde datorită densității mai mari de putere a reacțiilor nucleare. Combinat cu un raport forță-greutate mult mai mare, NTP ar putea duce o rachetă pe Marte în doar 500 de zile, mai degrabă decât 900.

„Raportul tracțiune-greutate este crucial, deoarece determină capacitatea navei spațiale de a accelera, ceea ce este deosebit de critic în timpul fazelor cheie ale misiunii, cum ar fi evadarea gravitației Pământului sau manevrarea în spațiul profund”, spune Mauro Augelli, șeful sistemelor de lansare la Agenția Spațială din Marea Britanie. „Impulsul specific, pe de altă parte, este o măsură a cât de eficient își folosește propulsorul o rachetă.”

Propulsia nucleară, fie electrică, fie termică, ar putea extrage mai multă energie dintr-o anumită masă de combustibil decât este posibilă prin propulsia bazată pe ardere.

Dale Thomas, Universitatea din Alabama din Huntsville

În esență, pentru o anumită cantitate de propulsor, o navă spațială cu propulsie nucleară ar putea călători mai repede și își poate susține forța pentru perioade mai lungi decât o rachetă chimică. Prin urmare, ar fi grozav pentru misiunile cu echipaj pe Marte – nu numai că astronauții ar avea o călătorie mai rapidă, dar, ca urmare, ar fi expuși la mai puține radiații cosmice. „Mai mult, duratele mai scurte ale misiunilor reduc provocările logistice și de susținere a vieții, făcând explorarea spațiului adânc mai fezabilă și mai sigură”, adaugă Augelli.

Dar energia nucleară nu înseamnă doar reducerea timpilor de călătorie. NASA are, de asemenea, un program dedicat la capătul său Centrul de Cercetare Glenn în Cleveland, Ohio, să folosească fisiunea nucleară – mai degrabă decât energia solară sau combustibili chimici – pentru a alimenta navele spațiale odată ce au ajuns la destinație. „Energia nucleară oferă beneficii unice pentru operarea în medii extreme și regiuni din spațiu în care sistemele solare și chimice sunt fie inadecvate, fie imposibile ca surse de energie pentru funcționare prelungită”, spune managerul de program. Lindsay Kaldon.

Înapoi în acțiune

În 2020, guvernul SUA a reintrodus navele spațiale nucleare pe ordinea de zi acordând aproape 100 de milioane de dolari la trei firme – General Atomics, Lockheed Martin și Blue Origin. Vor folosi banii pentru a lucra la Rachetă demonstrativă pentru operațiuni cislunare agile (DRACO), care este finanțat prin intermediul DARPA agenţie de cercetare a Departamentului de Apărare al SUA. În prima fază, companiile vor urmări să demonstreze că NTP poate fi folosit pentru a zbura o rachetă deasupra orbitei joase a Pământului, cu DARPA urmărind raporturi tracțiune-greutate la egalitate cu sistemele de rachete chimice existente.

<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 la cerere Un sistem de alimentare cu fisiune de suprafață ca acesta ar putea furniza energie electrică sigură, eficientă și fiabilă pe Lună și Marte. (Cu amabilitatea: NASA)” title=”Clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -rachetele-s-au-întors-pe-lumea-fizică-3.jpg”>

Tabitha Dodson, manager de program DARPA pentru DRACO, consideră că lansarea și zborul cu succes a unui reactor spațial nuclear de către programul DRACO ar revoluționa zborul spațial. „Spre deosebire de sistemele chimice de astăzi, care au atins o limită în ceea ce privește cât de departe pot evolua, tehnologiile nucleare sunt teoretizate pentru a evolua către sisteme precum fuziunea și nu numai”, spune ea. „Navele spațiale evoluate pentru a fi manevrate și alimentate de reactoare nucleare vor permite omenirii să meargă mai departe, cu șanse mai mari de supraviețuire și succes pentru orice tip de misiune.”

În programul DRACO, General Atomics va proiecta reactorul NTP și va elabora un plan pentru un subsistem de propulsie, în timp ce Blue Origin și Lockheed Martin vor planifica nava spațială în sine. Reactorul de fisiune ar folosi un special uraniu slab îmbogățit de testare înaltă (HALEU), care poate fi realizată folosind combustibil reciclat din reactoarele nucleare existente. Conținând doar 20% uraniu îmbogățit, este impropriu pentru a fi transformat în arme nucleare.

Reactorul nu va fi pornit (adică să devină critic) până când ambarcațiunea nu ar fi ajuns pe o orbită „sigură nucleară”. În cazul improbabil al unei urgențe, orice contaminare ar fi, cu alte cuvinte, disipată inofensiv în spațiu. Lockheed Martin și-a unit deja forțele BWX Technologies din Lynchburg, Virginia, pentru a dezvolta reactorul și a produce combustibilul HALEU. BWX spune că s-ar putea lansa o rachetă DRACO de îndată ce 2027.

Motoare de rachete care respira aer: viitorul zborului spațial

În altă parte, cercetători de la Laboratorul Național Idaho în SUA ajută NASA să dezvolte și să testeze materialele necesare pentru o rachetă nucleară Test de reactor tranzitoriu (TREAT) de lângă Idaho Falls. Ei au efectuat deja o cursă de practică anul trecut pentru a valida modelele computerizate și a testa un nou senzor și capsulă de experiment. Pe termen lung, scopul este de a identifica ce materiale, structuri compozite și compuși de uraniu funcționează cel mai bine în condițiile extrem de calde ale unui reactor NTP.

Căldura din reactor ar încălzi combustibilul cu hidrogen, care oferă cea mai mare schimbare a vitezei - ceea ce oamenii de știință rachetă numesc Δv – pentru o masă dată. Dezavantajul hidrogenului este că are o densitate scăzută și racheta ar avea nevoie de rezervoare mari. Alți propulsori, cum ar fi amoniacul, au un Δ mai micv pe kilogram de propulsor, dar sunt mult mai dense. La Huntsville, Thomas a arătat că amoniacul ar fi combustibilul ideal pentru a aduce astronomii pe Marte de la NASA. Poarta Lunară – o stație spațială care ar orbita Luna.

După ce a publicat o revizuire a tehnologiei NTP pentru Institutul American de Aeronautică și Astronautică în 2020, Thomas a ajuns la concluzia că sistemele NTP obișnuite, care oferă o mulțime de forță pentru arderi scurte de aproximativ 50 de minute, vor fi ideale pentru zborurile și misiunile de întâlnire. Dar există și sisteme „bi-modale”, care combină NTP cu NEP (vezi caseta „Provocările propulsiei electrice nucleare”). Primul oferă explozii rapide de tracțiune mare, în timp ce cel de-al doilea oferă o tracțiune scăzută pentru perioade mai lungi - perfect pentru misiuni lungi, dus-întors.

Kate Haggerty Kelly, director de spațiu și inginerie la BWX Technologies, spune că, în general, propulsia termică nucleară poate fi de două până la cinci ori mai eficientă decât sistemele de propulsie chimică, oferind și o forță mare. „[În contrast], sistemele de propulsie nucleară electrică pot oferi eficiențe mai mari, dar o forță mai mică, iar energia generată prin fisiunea nucleară poate fi convertită în electricitate pentru a furniza energie subsistemelor de pe navă spațială.”

Deci, NTP sau NEP vor fi mai bune pentru operațiunile în spațiul adânc? Potrivit lui Thomas, va depinde de tipul de misiune. „Pentru misiuni dintr-o anumită clasă – cum ar fi nave spațiale științifice peste o anumită masă – sau misiuni cu echipaj sau pentru anumite destinații, NTP va fi cea mai bună alegere, în timp ce pentru alte misiuni NEP va fi cea mai bună. La fel ca o călătorie cu mașina, depinde de distanță, de cât de mult bagaje transportați, de cerințele programului dvs. și așa mai departe.”

Viitorul nuclear

NASA are deja în vedere câteva misiuni spațiale cu propulsie nucleară. Conform un raport lansat în iunie 2021, acestea ar putea include ambarcațiuni care vor orbita diferite luni ale lui Uranus și Jupiter și altele care vor orbita și ateriza pe luna lui Neptun, Triton. Raportul prevede, de asemenea, o rachetă cu propulsie nucleară care intră pe o orbită polară în jurul Soarelui și, eventual, chiar o misiune în spațiul interstelar.

În ultimă analiză, propulsia nucleară de un anumit tip va fi – fie singură, fie combinată cu un alt tip de propulsie – o parte importantă a viitoarelor eforturi spațiale ale omenirii. Având în vedere că NASA, Agenția Spațială a Regatului Unit și Agenția Spațială Europeană se uită cu toții la zborurile spațiale cu propulsie nucleară, pariul meu este că primele misiuni cu echipaj pe Marte vor folosi, până în anii 2030, o formă a acestei tehnologii. Visul lui Freeman Dyson ar putea, sunt sigur, să vadă în curând lumina zilei.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/