Vesoljska plovila na jedrski pogon: zakaj se vračajo sanje o atomskih raketah – Svet fizike

<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="Gre za jedrsko Ameriška raketa DRACO bo za pogon v vesolje uporabljala toploto fisijskega reaktorja. (Z dovoljenjem: Lockheed Martin)”>

Leta 1914 je HG Wells objavil Osvobojeni svet, roman, ki temelji na ideji, da bi lahko radij nekega dne poganjal vesoljske ladje. Wells, ki je bil seznanjen z delom fizikov, kot je Ernest Rutherford, je vedel, da lahko radij proizvaja toploto, in predvideval, da bi ga uporabili za obračanje turbine. Knjiga bi bila morda leposlovje, toda Osvobojeni svet pravilno predvidel potencial tega, čemur bi lahko rekli »atomske vesoljske ladje«.

Ideja o uporabi jedrske energije za vesoljska potovanja se je uveljavila v petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je javnost – ki je bila priča grozotam Hirošime in Nagasakija – postopoma postala prepričana o uporabnosti jedrske energije v miroljubne namene. Zahvaljujoč programom, kot je ameriški Atomi za mirso ljudje začeli dojemati, da je jedrsko energijo mogoče uporabiti za energijo in promet. Toda morda najbolj radikalna uporaba je bila v vesoljskih poletih.

Med najmočnejšimi zagovorniki vesoljskih potovanj z jedrskim pogonom je bil ugledni matematični fizik Freeman Dyson. Leta 1958 si je vzel enoletni dopust na Inštitutu za napredne študije v Princetonu, da bi delal pri General Atomics v San Diegu na projektu s kodnim imenom Orion. Zamisel Teda Taylorja – fizika, ki je delal na projektu atomske bombe na Manhattnu v Las Alamosu – Projekt Orion nameraval zgraditi 4000-tonsko vesoljsko ladjo, ki bi za pogon v vesolje uporabila 2600 jedrskih bomb.

Spuščanje atomskih bomb iz zadnjega dela vesoljskega plovila z okoljskih razlogov zveni noro, vendar je Dyson izračunal, da bi "le" 0.1–1 Američanov s to metodo zbolelo za rakom. Projekt je podprl celo strokovnjak za rakete Wernher von Braun, izvedena pa je bila tudi vrsta nejedrskih poskusnih letov. Na srečo, Pogodba o delni prepovedi poskusov iz leta 1963 končal projekt Orion, sam Dyson pa je kasneje umaknil svojo podporo atomskim vesoljskim plovilom, potem ko je pozno spoznal njihovo nevarnost za okolje.

Kljub koncu projekta Orion privlačnost jedrskega pogona ni nikoli zares izginila (glejte okvir »Jedrsko vesoljsko potovanje: kratka zgodovina«) in zdaj uživa nekakšen ponovni vzpon. Namesto uporabe atomskih bomb pa je zamisel prenos energije iz jedrskega fisijskega reaktorja v pogonsko gorivo, ki bi bilo segreto na približno 2500 K in izvrženo skozi šobo v procesu, imenovanem "jedrski toplotni pogon" (NTP). . Druga možnost je, da bi energija cepitve lahko ionizirala plin, ki bi se izstrelil iz zadnjega dela vesoljskega plovila – kar je znano kot »jedrski električni pogon« (NEP).

Torej, ali je vesoljsko potovanje z jedrskim pogonom realna možnost in, če je tako, katera tehnologija bo zmagala?

Jedrska spodbuda

Večino konvencionalnih raket poganjajo navadna, kemična goriva. The Raketa Saturn V. ki so astronavte popeljali na Luno v poznih šestdesetih in zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so na primer uporabljali tekoča goriva, medtem ko so raketni pospeševalci, ki so tako spektakularno odpovedali med izstrelitvijo raketoplana Challenger leta 1986 vsebovalo trdo gorivo.

Bolj nedavno Space X rakete Falconso na primer uporabili mešanico kerozina in kisika. Težava je v tem, da imajo vsa takšna pogonska goriva razmeroma majhno "energijsko gostoto" (energijo, shranjeno na enoto prostornine) in nizek "specifični impulz" (učinkovitost, s katero lahko ustvarijo potisk). To pomeni, da je skupni potisk rakete – specifični impulz, pomnožen z masnim pretokom izpušnih plinov in zemeljsko gravitacijo – nizek.

Kemični pogoni vas torej lahko pripeljejo le tako daleč, pri čemer je Luna tradicionalna meja. Za doseganje oddaljenih planetov in drugih ciljev v "globokem vesolju" vesoljska plovila običajno izkoriščajo gravitacijsko silo več različnih planetov. Takšna potovanja pa so zaokrožena in trajajo dolgo. Nasina misija Juno je bila na primer potrebna pet let do Jupitra, medtem ko je plovilo Voyager potrebovalo več kot 30 let, da je doseglo robu sončnega sistema. Takšne naloge omejujejo tudi ozka in redka izstrelitvena okna.

Jedrsko vesoljsko plovilo bi namesto tega uporabilo energijo cepitve za ogrevanje goriva (slika 1) – najverjetneje kriogeno shranjenega tekočega vodika, ki ima nizko molekulsko maso in visoko zgorevalno toploto. "Jedrski pogon, bodisi električni ali toplotni, bi lahko pridobil več energije iz dane mase goriva, kot je mogoče s pogonom na osnovi zgorevanja," pravi Dale Thomas, nekdanji pomočnik direktorja v Nasinem centru za vesoljske polete Marshall, zdaj na Univerzi Alabama v Huntsvillu.

Thomas pravi, da lahko današnji najučinkovitejši kemični pogonski sistemi dosežejo a specifični impulz približno 465 sekund. Nasprotno pa ima lahko NTP specifični impulz skoraj 900 sekund zaradi večje gostote moči jedrskih reakcij. V kombinaciji z veliko višjim razmerjem med potiskom in težo bi lahko NTP pripeljal raketo do Marsa v samo 500 dneh namesto v 900.

"Razmerje med potiskom in težo je ključnega pomena, ker določa sposobnost vesoljskega plovila za pospeševanje, kar je še posebej kritično med ključnimi fazami misije, kot je umik Zemljini gravitaciji ali manevriranje v globokem vesolju," pravi. Mauro Augelli, vodja izstrelitvenih sistemov pri vesoljski agenciji Združenega kraljestva. "Po drugi strani pa je specifični impulz merilo, kako učinkovito raketa uporablja svoje pogonsko gorivo."

Jedrski pogon, električni ali toplotni, bi lahko pridobil več energije iz določene mase goriva, kot je mogoče s pogonom na osnovi izgorevanja.

Dale Thomas, Univerza Alabama v Huntsvillu

V bistvu bi za dano količino pogonskega goriva lahko vesoljsko plovilo na jedrski pogon potovalo hitreje in vzdrževalo svoj potisk dlje časa kot kemična raketa. Zato bi bil odličen za misije s posadko na Mars – ne samo, da bi imeli astronavti hitrejše potovanje, ampak bi bili zaradi tega izpostavljeni manjšemu kozmičnemu sevanju. "Poleg tega krajše trajanje misije zmanjša logistične izzive in izzive za vzdrževanje življenja, zaradi česar je raziskovanje globokega vesolja bolj izvedljivo in varnejše," dodaja Augelli.

Toda jedrska energija ne pomeni samo skrajšanja časa potovanja. NASA ima tudi a namenski program na svojem Raziskovalni center Glenn v Clevelandu, Ohio, za uporabo jedrske fisije – namesto sončne energije ali kemičnih goriv – za pogon vesoljskih plovil, ko ta dosežejo cilj. »Jedrska energija ponuja edinstvene prednosti za delovanje v ekstremnih okoljih in regijah v vesolju, kjer so sončni in kemični sistemi neustrezni ali nemogoči kot viri energije za daljše delovanje,« pravi vodja programa Lindsay Kaldon.

Nazaj v akcijo

Leta 2020 je ameriška vlada ponovno uvrstila jedrska vesoljska plovila na dnevni red podelil skoraj 100 milijonov dolarjev trem podjetjem – General Atomics, Lockheed Martin in Blue Origin. Denar bodo porabili za delo na Demonstracijska raketa za agilne operacije Cislunar (DRACO), ki je financiran prek DARPA raziskovalna agencija ameriškega ministrstva za obrambo. V prvi fazi, si bodo podjetja prizadevala pokazati, da je NTP mogoče uporabiti za letenje rakete nad nizkozemeljsko orbito, pri čemer si DARPA prizadeva doseči razmerje med potiskom in težo na ravni obstoječih kemičnih raketnih sistemov.

<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="Energija na zahtevo Fisijski površinski energetski sistem, kot je ta, bi lahko zagotovil varno, učinkovito in zanesljivo električno energijo na Luni in Marsu. (Z dovoljenjem: NASA)” title=”Kliknite, da odprete sliko v pojavnem oknu” 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, vodja programa DARPA za DRACO, meni, da bi uspešna izstrelitev in polet jedrskega vesoljskega reaktorja s programom DRACO spremenila vesoljske polete. »V nasprotju z današnjimi kemičnimi sistemi, ki so dosegli mejo v tem, kako daleč se lahko razvijejo, naj bi se jedrske tehnologije razvile v sisteme, kot je fuzija in več,« pravi. "Vesoljska plovila, ki so se razvila za manevriranje in pogon z jedrskimi reaktorji, bodo človeštvu omogočila iti dlje z večjo možnostjo preživetja in uspeha za katero koli vrsto misije."

V programu DRACO bo General Atomics zasnoval reaktor NTP in izdelal načrt za pogonski podsistem, medtem ko bosta Blue Origin in Lockheed Martin načrtovala samo vesoljsko plovilo. Fisijski reaktor bi uporabil posebno nizko obogatenega urana z visokim preizkusom (HALEU), ki ga je mogoče izdelati z uporabo goriva, recikliranega iz obstoječih jedrskih reaktorjev. Ker vsebuje samo 20 % obogatenega urana, ni primeren za predelavo v jedrsko orožje.

Reaktor se ne bi vklopil (tj. postal bi kritičen), dokler plovilo ne bi doseglo "jedrsko varne" orbite. Z drugimi besedami, v malo verjetnem nujnem primeru bi se morebitna kontaminacija neškodljivo razpršila v vesolje. Lockheed Martin je že združil moči z BWX Technologies iz Lynchburga v Virginiji za razvoj reaktorja in proizvodnjo goriva HALEU. BWX pravi, da bi lahko izstrelila raketo DRACO takoj 2027.

Raketni motorji za dihanje zraka: prihodnost vesoljskih poletov

Drugje, raziskovalci Nacionalnega laboratorija Idaho v ZDA pomagajo Nasi pri razvoju in testiranju materialov, potrebnih za jedrsko raketo Preizkus prehodnega reaktorja (TREAT) v bližini slapov Idaho. Lani so že izvedli prakso, s katero so validirali računalniške modele in testirali nov senzor in eksperimentalno kapsulo. Dolgoročno je cilj ugotoviti, kateri materiali, kompozitne strukture in uranove spojine najbolje delujejo v izjemno vročih pogojih reaktorja NTP.

Toplota iz reaktorja bi segrevala vodikovo gorivo, ki zagotavlja največjo spremembo hitrosti – kar raketni znanstveniki imenujejo Δv – za določeno maso. Slaba stran vodika je, da ima nizko gostoto in bi raketa potrebovala velike rezervoarje. Drugi pogonski plini, kot je amoniak, imajo nižji Δv na kilogram pogonskega goriva, vendar so veliko bolj gosti. V Huntsvillu je Thomas pokazal, da bi bil amoniak idealno gorivo za prevoz NASA-inih astronomov na Mars. Lunarna vrata – vesoljska postaja, ki bi krožila okoli Lune.

Po objavi pregled tehnologije NTP za Ameriški inštitut za aeronavtiko in astronavtiko leta 2020 je Thomas ugotovil, da bodo običajni sistemi NTP, ki ponujajo veliko potiska za kratke približno 50-minutne izgorevanja, idealni za mimolete in srečanja. Obstajajo pa tudi »bimodalni« sistemi, ki združujejo NTP z NEP (glej okvir »Izzivi jedrskega električnega pogona«). Prvi omogoča hitre izbruhe velikega potiska, medtem ko drugi omogoča nizek potisk za daljša obdobja – kot nalašč za dolgotrajne povratne misije.

Kate Haggerty Kelly, direktor vesolja in inženiringa pri BWX Technologies, pravi, da je lahko celoten jedrski toplotni pogon dva- do petkrat bolj učinkovit kot kemični pogonski sistemi, hkrati pa ponuja velik potisk. "[Nasprotno] lahko jedrski električni pogonski sistemi zagotovijo večjo učinkovitost, vendar nižji potisk, in energijo, ustvarjeno z jedrsko fisijo, je mogoče pretvoriti v električno energijo, da se zagotovi napajanje podsistemov na vesoljskem plovilu."

Bo torej NTP ali NEP boljši za operacije v globokem vesolju? Po Thomasovih besedah ​​bo to odvisno od vrste misije. »Za misije določenega razreda – kot so znanstvena vesoljska plovila nad določeno maso – ali misije s posadko ali za določene destinacije bo NTP najboljša izbira, medtem ko bo za druge misije NEP najboljša. Tako kot potovanje z avtomobilom je odvisno od razdalje, količine prtljage, ki jo imate, urnika in tako naprej.«

Jedrska prihodnost

NASA že razmišlja o več vesoljskih misijah na jedrski pogon. Po navedbah poročilo, objavljeno junija 2021, to bi lahko vključevalo plovila, ki bodo krožila okoli različnih lun Urana in Jupitra, in druga, ki bodo krožila in pristala na Neptunovi luni Triton. Poročilo predvideva tudi vstop rakete na jedrski pogon v polarno orbito okoli Sonca in morda celo odpravo v medzvezdni prostor.

V končni analizi bo neka vrsta jedrskega pogona – bodisi sama bodisi v kombinaciji z drugo vrsto pogona – pomemben del prihodnjih vesoljskih prizadevanj človeštva. Glede na to, da NASA, vesoljska agencija Združenega kraljestva in Evropska vesoljska agencija gledajo na vesoljske polete na jedrski pogon, stavim, da bodo prve misije s posadko na Mars do leta 2030 uporabljale neko obliko te tehnologije. Prepričan sem, da bi sanje Freemana Dysona lahko kmalu ugledale luč sveta.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/