Nükleer enerjiyle çalışan uzay aracı: atom roketi hayalleri neden geri dönüyor?

<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="nükleer gidiyor Amerika'nın DRACO roketi, onu uzaya itmek için fisyon reaktöründen gelen ısıyı kullanacak. (Nezaket: Lockheed Martin)”>

1914'te HG Wells yayınlandı Dünya Özgür Kılındıradyumun bir gün uzay gemilerine güç verebileceği fikrine dayanan bir roman. Ernest Rutherford gibi fizikçilerin çalışmalarına aşina olan Wells, radyumun ısı üretebileceğini biliyordu ve bunun bir türbini döndürmek için kullanılabileceğini öngördü. Kitap bir kurgu eseri olabilir ama Dünya Özgür Kılındı "atomik uzay gemileri" olarak adlandırılabilecek şeyin potansiyelini doğru bir şekilde öngördü.

Uzay yolculuğu için nükleer enerji kullanma fikri, Hiroşima ve Nagazaki'deki dehşete tanık olan halkın yavaş yavaş nükleer enerjinin barışçıl amaçlarla kullanıldığına ikna olduğu 1950'lerde ortaya çıktı. Amerika gibi programlar sayesinde Barış için Atomlarİnsanlar nükleer enerjinin enerji ve ulaşım amacıyla kullanılabileceğini görmeye başladı. Ancak belki de en radikal uygulama uzay uçuşlarında yatıyordu.

Nükleer enerjiyle uzay yolculuğunun en güçlü savunucuları arasında ünlü matematiksel fizikçi de vardı. Freeman Dyson. 1958'de Princeton'daki İleri Araştırma Enstitüsü'nden bir yıl izin alarak San Diego'daki General Atomics'te Orion kod adlı bir projede çalıştı. Las Alamos'taki Manhattan atom bombası projesinde çalışmış bir fizikçi olan Ted Taylor'ın buluşu. Orion Projesi Uzaya fırlatmak için 4000 nükleer bomba kullanacak 2600 tonluk bir uzay gemisi inşa etmeyi hedefliyordu.

Bir uzay aracının arkasından atom bombası atmak çevre açısından çılgınca gelebilir, ancak Dyson bu yöntemle "yalnızca" 0.1-1 Amerikalının kansere yakalanacağını hesapladı. Proje roket uzmanı tarafından bile desteklendi Wernher von Braunve bir dizi nükleer olmayan test uçuşu gerçekleştirildi. Neyse ki, 1963 Kısmi Test Yasağı Anlaşması Orion Projesi'ne son verdi ve Dyson daha sonra çevresel tehlikelerini geç fark ettikten sonra atomik uzay aracına verdiği desteği geri çekti.

Orion Projesi sona ermiş olmasına rağmen, nükleer itici gücün cazibesi hiçbir zaman ortadan kaybolmadı (“Nükleer uzay yolculuğu: kısa bir tarih” kutusuna bakın) ve şimdi yeniden canlanmanın tadını çıkarıyor. Ancak fikir, atom bombası kullanmak yerine, enerjiyi bir nükleer fisyon reaktöründen, yaklaşık 2500 K'ye ısıtılacak ve "nükleer termal itiş" (NTP) adı verilen bir işlemle bir nozül aracılığıyla fırlatılacak olan itici yakıta aktarmaktır. . Alternatif olarak, fisyon enerjisi, uzay aracının arkasından ateşlenen bir gazı iyonize edebilir; buna "nükleer elektrik itiş gücü" (NEP) denir.

Peki nükleer enerjiyle uzay yolculuğu gerçekçi bir olasılık mı ve eğer öyleyse hangi teknoloji kazanacak?

Nükleer destek

Geleneksel roketlerin çoğu sıradan kimyasal yakıtlarla çalıştırılır. Satürn V roketi Örneğin, 1960'ların sonu ve 1970'lerin başında astronotları Ay'a götüren araçta sıvı yakıt kullanılırken, uzay mekiğinin fırlatılması sırasında olağanüstü bir şekilde başarısız olan roket iticileri meydan okuyucu 1986'da katı yakıt içeriyordu.

Son zamanlarda, Space X'in Falcon roketleriörneğin gazyağı ve oksijen karışımı kullandık. Sorun şu ki, bu tür itici gazların tümü nispeten küçük bir "enerji yoğunluğuna" (birim hacim başına depolanan enerji) ve düşük bir "özgül itici güce" (itme kuvveti üretebilme verimliliği) sahiptir. Bu, roketin genel itme kuvvetinin (özgül itkinin egzoz gazının kütle akış hızı ve Dünyanın yerçekimi ile çarpımı) düşük olduğu anlamına gelir.

Bu nedenle kimyasal itici gazlar sizi ancak bir yere kadar götürebilir; Ay geleneksel sınırdır. Uzak gezegenlere ve diğer "derin uzay" hedeflerine ulaşmak için uzay araçları genellikle birden fazla farklı gezegenin çekim kuvvetinden yararlanır. Ancak bu tür yolculuklar dolambaçlı ve uzun zaman alıyor. Örneğin NASA'nın Juno misyonu gerekliydi Beş yıl Voyager gemisinin Jüpiter'e ulaşması 30 yıldan fazla sürdü. güneş sisteminin kenarı. Bu tür görevler aynı zamanda dar ve seyrek fırlatma pencereleri nedeniyle de kısıtlanmaktadır.

Nükleer bir uzay aracı bunun yerine bir yakıtı (Şekil 1) ısıtmak için fisyon enerjisini kullanır; bu enerji büyük ihtimalle düşük moleküler kütleye ve yüksek yanma ısısına sahip olan, kriyojenik olarak depolanan sıvı hidrojendir. "Elektrikli veya termal nükleer tahrik, belirli bir yakıt kütlesinden, yanmaya dayalı tahrik yoluyla mümkün olandan daha fazla enerji çıkarabilir" diyor dale thomasNASA'nın Marshall Uzay Uçuş Merkezi'nde eski müdür yardımcısı, şu anda Huntsville'deki Alabama Üniversitesi'nde.

Thomas, günümüzün en verimli kimyasal tahrik sistemlerinin, spesifik dürtü yaklaşık 465 saniye. Bunun aksine NTP, nükleer reaksiyonların daha yüksek güç yoğunluğu nedeniyle neredeyse 900 saniyelik spesifik bir itici güce sahip olabilir. Çok daha yüksek bir itme-ağırlık oranıyla birleştiğinde NTP, Mars'a bir roketi 500 yerine sadece 900 günde ulaştırabilir.

"İtki-ağırlık oranı çok önemlidir çünkü uzay aracının hızlanma yeteneğini belirler; bu, özellikle Dünya'nın yerçekiminden kaçmak veya derin uzayda manevra yapmak gibi önemli görev aşamalarında kritik öneme sahiptir" diyor Mauro AugelliBirleşik Krallık Uzay Ajansı'nda fırlatma sistemleri başkanı. "Öte yandan spesifik itki, bir roketin itici yakıtını ne kadar etkili kullandığının bir ölçüsüdür."

İster elektrik ister termal olsun, nükleer tahrik, belirli bir yakıt kütlesinden, yanmaya dayalı tahrik yoluyla mümkün olandan daha fazla enerji çıkarabilir.

Dale Thomas, Huntsville'deki Alabama Üniversitesi

Temel olarak, nükleer enerjiyle çalışan bir uzay aracı, belirli bir itici gaz miktarıyla, kimyasal bir rokete göre daha hızlı hareket edebilir ve itiş gücünü daha uzun süre koruyabilir. Bu nedenle, Mars'a yapılacak mürettebatlı görevler için harika olurdu; astronotlar yalnızca daha hızlı bir yolculuk yapmakla kalmayacak, aynı zamanda bunun sonucunda daha az kozmik radyasyona maruz kalacaklar. Augelli, "Ayrıca, daha kısa görev süreleri, lojistik ve yaşam desteği zorluklarını azaltarak, derin uzay araştırmalarını daha uygulanabilir ve daha güvenli hale getiriyor" diye ekliyor.

Ancak nükleer enerji yalnızca yolculuk sürelerini kısaltmakla ilgili değil. NASA'nın ayrıca bir özel program at onun Glenn Araştırma Merkezi Cleveland, Ohio'da, uzay araçlarına hedeflerine ulaştıklarında güç sağlamak için güneş enerjisi veya kimyasal yakıtlar yerine nükleer fisyon kullanılacak. Program yöneticisi, "Nükleer enerji, güneş enerjisi ve kimyasal sistemlerin uzun süreli operasyon için güç kaynağı olarak yetersiz olduğu veya imkansız olduğu uzaydaki zorlu ortamlarda ve bölgelerde çalışmak için benzersiz faydalar sunuyor" diyor Lindsay Kaldon.

Tekrar iş başına

2020'de ABD hükümeti nükleer uzay aracını tekrar gündeme getirdi. neredeyse 100 milyon dolar ödül üç firmaya – General Atomics, Lockheed Martin ve Blue Origin. Parayı iş için kullanacaklar Çevik Cislunar Operasyonları için Gösteri Roketi (DRACO) programı tarafından finanse edilen DARPA ABD Savunma Bakanlığı araştırma ajansı. İlk aşamadaŞirketler, NTP'nin alçak Dünya yörüngesi üzerinde bir roketi uçurmak için kullanılabileceğini göstermeyi amaçlayacak ve DARPA, mevcut kimyasal roket sistemleriyle aynı itme-ağırlık oranlarını hedefliyor.

<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="Talep üzerine enerji Bunun gibi bir fisyon yüzeyi güç sistemi, Ay ve Mars'ta güvenli, verimli ve güvenilir elektrik gücü sağlayabilir. (Nezaket: NASA)” title=”Resmi açılır pencerede açmak için tıklayın” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -roketler-fizik-dünyasına-geri-döndü-3.jpg”>

Tabitha DodsonDRACO'nun DARPA program yöneticisi, bir nükleer uzay reaktörünün DRACO programı tarafından başarılı bir şekilde fırlatılması ve uçuşunun uzay uçuşunda devrim yaratacağını düşünüyor. "Gelişme konusunda bir sınıra ulaşmış olan günümüzün kimyasal sistemlerinden farklı olarak, nükleer teknolojilerin füzyon ve ötesi gibi sistemlere evrileceği teorileştiriliyor" diyor. "Nükleer reaktörlerle manevra yapılabilecek ve çalıştırılabilecek şekilde geliştirilen uzay aracı, insanlığın daha uzağa gitmesini sağlayacak ve her türlü görev türünde hayatta kalma ve başarı şansı daha yüksek olacak."

DRACO programında General Atomics, NTP reaktörünü tasarlayacak ve tahrik alt sistemi için bir plan hazırlayacak, Blue Origin ve Lockheed Martin ise uzay aracını kendisi planlayacak. Fisyon reaktörü özel bir teknoloji kullanacak yüksek tahlil düşük zenginleştirilmiş uranyum (HALEU), mevcut nükleer reaktörlerden geri dönüştürülen yakıt kullanılarak yapılabilir. Sadece %20 oranında zenginleştirilmiş uranyum içerdiğinden nükleer silaha dönüştürülmeye uygun değildir.

Araç "nükleer açıdan güvenli" bir yörüngeye ulaşana kadar reaktör çalıştırılmayacak (yani kritik duruma geçmeyecek). Başka bir deyişle, beklenmedik bir acil durumda, herhangi bir kirlilik zararsız bir şekilde uzaya yayılacaktır. Lockheed Martin halihazırda güçlerini birleştirdi BWX Teknolojileri Reaktörü geliştirmek ve HALEU yakıtını üretmek için Lynchburg, Virginia'ya gönderildi. BWX, bir DRACO roketinin fırlatılabileceğini söylüyor en kısa sürede 2027.

Hava soluyan roket motorları: uzay uçuşunun geleceği

Başka bir yerde, Idaho Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar ABD'de NASA'nın nükleer roket için gerekli malzemeleri geliştirmesine ve test etmesine yardımcı oluyor Geçici Reaktör Testi (TREAT) Idaho Şelalesi yakınındaki tesis. Bilgisayar modellerini doğrulamak ve yeni bir sensör ile deney kapsülünü test etmek için geçen yıl zaten bir deneme çalışması yürüttüler. Uzun vadede amaç, bir NTP reaktörünün aşırı sıcak koşullarında hangi malzemelerin, kompozit yapıların ve uranyum bileşiklerinin en iyi şekilde çalıştığını belirlemektir.

Reaktörden gelen ısı, roket bilim adamlarının Δ dediği hızda en büyük değişikliği sağlayan hidrojen yakıtını ısıtacaktır.v – belirli bir kütle için. Hidrojenin dezavantajı, yoğunluğunun düşük olması ve roketin büyük tanklara ihtiyaç duymasıdır. Amonyak gibi diğer itici gazların Δ değeri daha düşüktür.v itici gazın kilogramı başına, ancak çok daha yoğundur. Huntsville'de Thomas, NASA'nın gökbilimcilerini Mars'a götürmek için amonyağın ideal yakıt olacağını gösterdi. Ay Geçidi - Ay'ın yörüngesinde olacak bir uzay istasyonu.

Yayınlandıktan NTP teknolojisinin gözden geçirilmesi Thomas, 2020'de Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü için, yaklaşık 50 dakikalık kısa süreli yanıklar için çok fazla itiş gücü sunan normal NTP sistemlerinin, yakın uçuşlar ve buluşma görevleri için ideal olacağı sonucuna vardı. Ancak NTP'yi NEP ile birleştiren "çift modlu" sistemler de vardır ("Nükleer elektrik tahrikinin zorlukları" kutusuna bakın). İlki hızlı bir şekilde yüksek itiş gücü sağlarken ikincisi daha uzun süreler boyunca düşük itiş gücü sağlar; uzun, gidiş-dönüş görevleri için mükemmeldir.

Kate Haggerty KellyBWX Technologies'in uzay ve mühendislik direktörü, genel nükleer termal itişin kimyasal itiş sistemlerinden iki ila beş kat daha verimli olabileceğini ve aynı zamanda yüksek itiş gücü sunabileceğini söylüyor. "[Buna karşılık], nükleer elektrikli tahrik sistemleri daha yüksek verimlilik sağlayabilir ancak daha düşük itme kuvveti sağlayabilir ve nükleer fisyon yoluyla üretilen enerji, uzay aracındaki alt sistemlere güç sağlamak için elektriğe dönüştürülebilir."

Peki derin uzay operasyonları için NTP mi yoksa NEP mi daha iyi olacak? Thomas'a göre bu, görevin türüne bağlı olacak. “Belirli bir kütlenin üzerindeki bilimsel uzay aracı gibi belirli bir sınıftaki görevler veya mürettebatlı görevler veya belirli varış noktaları için NTP en iyi seçim olacaktır, diğer görevler için ise NEP en iyi seçim olacaktır. Bir araba yolculuğunda olduğu gibi bu da mesafeye, ne kadar bagaj taşıdığınıza, programınızın gerektirdiklerine vb. bağlıdır.”

Nükleer gelecek

NASA halihazırda nükleer enerjiyle çalışan birçok uzay görevini düşünüyor. Buna göre Haziran 2021'de yayınlanan bir raporBunlar, Uranüs ve Jüpiter'in çeşitli uydularının yörüngesinde dolaşacak gemileri ve Neptün'ün uydusu Triton'un yörüngesinde dolaşıp ona inecek diğer gemileri içerebilir. Raporda ayrıca nükleer güçle çalışan bir roketin Güneş çevresinde kutupsal bir yörüngeye gireceği ve hatta muhtemelen yıldızlararası uzaya doğru bir misyon bile öngörülüyor.

Son tahlilde, bazı nükleer itki türleri (tek başına veya başka bir itici güç türüyle birlikte) insanlığın gelecekteki uzay çabalarının önemli bir parçası olacaktır. NASA, Birleşik Krallık Uzay Ajansı ve Avrupa Uzay Ajansı nükleer enerjili uzay uçuşuna bakarken, 2030'lu yıllara gelindiğinde Mars'a yapılacak ilk insanlı misyonlarda bu teknolojinin bir çeşidinin kullanılacağına dair iddiam var. Freeman Dyson'ın hayalinin yakında gün ışığına çıkacağından eminim.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/