Атомні космічні кораблі: до чого повертаються мрії про атомні ракети – 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="Перехід на ядерну Американська ракета DRACO використовуватиме тепло від реактора поділу, щоб відправити її в космос. (З дозволу: Lockheed Martin)”>

У 1914 році Герберт Уеллс опублікував Світ вивільнився, роман, заснований на уявленні про те, що одного дня радій може бути джерелом енергії космічних кораблів. Веллс, який був знайомий з роботами таких фізиків, як Ернест Резерфорд, знав, що радій може виробляти тепло, і передбачив його використання для обертання турбіни. Книга могла бути вигадкою, але Світ вивільнився правильно передбачив потенціал того, що можна назвати «атомними космічними кораблями».

Ідея використання ядерної енергії для космічних подорожей виникла в 1950-х роках, коли громадськість, яка стала свідком жахів Хіросіми та Нагасакі, поступово переконалася в корисності ядерної енергії в мирних цілях. Завдяки таким програмам, як Америка Атоми на мир, люди почали бачити, що ядерну енергію можна використовувати для енергетики та транспорту. Але, мабуть, найрадикальніше застосування було в космічних польотах.

Серед найрішучіших прихильників космічних подорожей на ядерних двигунах був видатний фізик-математик Фріман Дайсон. У 1958 році він взяв річну відпустку в Інституті перспективних досліджень у Прінстоні, щоб працювати в General Atomics у Сан-Дієго над проектом під кодовою назвою Orion. Дітище Теда Тейлора – фізика, який працював над проектом створення атомної бомби на Мангеттені в Лас-Аламосі – Проект Оріон мав на меті побудувати 4000-тонний космічний корабель, який використовував би 2600 ядерних бомб, щоб вивести його в космос.

Скидання атомних бомб із задньої частини космічного корабля звучить божевільно з екологічних міркувань, але Дайсон підрахував, що «лише» 0.1–1 американця захворіють на рак завдяки цьому методу. Проект навіть підтримали ракетні експерти Вернер фон Браун, а також була здійснена серія неядерних випробувальних польотів. На щастя, Договір про часткову заборону випробувань 1963 року поклав кінець проекту «Оріон», а сам Дайсон пізніше відмовився від підтримки атомних космічних кораблів після того, як із запізненням усвідомив їх екологічну небезпеку.

Незважаючи на завершення проекту «Оріон», спокуса ядерного двигуна насправді ніколи не зникла (див. рамку «Ядерна космічна подорож: коротка історія») і зараз відчуває своє відродження. Замість того, щоб використовувати атомні бомби, ідея полягає в тому, щоб передати енергію від ядерного реактора поділу до палива, яке буде нагріто приблизно до 2500 K і викинуто через сопло в процесі, який називається «ядерний теплові двигуни» (NTP). . Крім того, енергія поділу може іонізувати газ, який буде випущений із задньої частини космічного корабля – те, що відомо як «ядерний електричний двигун» (NEP).

Отже, чи реалістична перспектива космічних подорожей на ядерній енергії, і якщо так, то яка технологія переможе?

Ядерний стимул

Більшість звичайних ракет працюють на звичайному хімічному паливі. The Ракета Сатурн V наприклад, який доставив астронавтів на Місяць наприкінці 1960-х і на початку 1970-х років, використовувалося рідке паливо, тоді як ракетні прискорювачі, які так вражаюче вийшли з ладу під час запуску космічного човника Претендент у 1986 містив тверде паливо.

Останнім часом, Ракети Falcon компанії Space X, наприклад, використовували суміш гасу та кисню. Проблема в тому, що всі такі палива мають відносно невелику «щільність енергії» (енергія, накопичена на одиницю об’єму) і низький «питомий імпульс» (ефективність, з якою вони можуть генерувати тягу). Це означає, що загальна тяга ракети – питомий імпульс, помножений на масову швидкість потоку вихлопних газів і силу земного тяжіння – низька.

Таким чином, хімічні палива можуть доставити вас лише так далеко, а Місяць є традиційною межею. Щоб дістатися до віддалених планет та інших «далеких космосів», космічні апарати зазвичай використовують силу тяжіння кількох різних планет. Однак такі подорожі обхідні й тривають довго. Наприклад, потрібна місія NASA Juno п'ять років щоб дістатися до Юпітера, тоді як кораблю "Вояджер" знадобилося більше 30 років, щоб досягти краю Сонячної системи. Такі місії також обмежені вузькими та рідкісними вікнами запуску.

Натомість ядерний космічний корабель використовуватиме енергію ділення для нагрівання палива (малюнок 1) – швидше за все, криогенно збереженого рідкого водню, який має низьку молекулярну масу та високу теплоту згоряння. «Ядерний двигун, електричний або термальний, міг би отримати більше енергії з даної маси палива, ніж це можливо за допомогою двигуна на основі згоряння», — каже Дейл Томас, колишній помічник директора Центру космічних польотів імені Маршалла НАСА, який зараз працює в Університеті Алабами в Хантсвіллі.

Томас каже, що найефективніші сучасні хімічні двигуни можуть досягти a специфічний імпульс приблизно 465 секунд. NTP, навпаки, може мати питомий імпульс майже 900 секунд через більш високу щільність потужності ядерних реакцій. У поєднанні з набагато вищим співвідношенням тяги до ваги NTP може доставити ракету на Марс лише за 500 днів, а не за 900.

«Співвідношення тяги до ваги має вирішальне значення, оскільки воно визначає здатність космічного корабля прискорюватися, що особливо важливо під час ключових етапів місії, як-от вихід із земної гравітації або маневрування в далекому космосі», — каже Мауро Аугеллі, керівник систем запуску Космічного агентства Великобританії. «З іншого боку, питомий імпульс є показником того, наскільки ефективно ракета використовує своє паливо».

Ядерний двигун, електричний або термальний, може отримати більше енергії з даної маси палива, ніж це можливо за допомогою двигуна, заснованого на спалюванні.

Дейл Томас, Університет Алабами в Хантсвіллі

По суті, за певної кількості палива космічний корабель з ядерним двигуном міг би подорожувати швидше та підтримувати свою тягу протягом більш тривалого часу, ніж хімічна ракета. Тому це було б чудово для місій з екіпажем на Марс – астронавти не тільки мали б швидшу подорож, але в результаті цього вони б піддавалися меншому космічному випромінюванню. «Більше того, менша тривалість місії зменшує проблеми з матеріально-технічним забезпеченням і життєзабезпеченням, роблячи дослідження глибокого космосу більш здійсненним і безпечнішим», — додає Аугеллі.

Але ядерна енергетика — це не лише скорочення часу в дорозі. NASA також має a спеціальна програма на її Дослідницький центр Гленна у Клівленді, штат Огайо, щоб використовувати ядерний поділ – замість сонячної енергії чи хімічного палива – для живлення космічних кораблів, щойно вони досягнуть місця призначення. «Ядерна енергетика пропонує унікальні переваги для роботи в екстремальних середовищах і регіонах космосу, де сонячні та хімічні системи є або недостатніми, або неможливими як джерела енергії для тривалої роботи», — говорить керівник програми. Ліндсей Калдон.

Повернутися до дії

У 2020 році уряд США повернув ядерний космічний корабель на порядок денний нагородивши майже 100 мільйонів доларів трьом фірмам – General Atomics, Lockheed Martin і Blue Origin. Вони використають гроші для роботи над Демонстраційна ракета для гнучких цілюнарних операцій (DRACO), яка фінансується через DARPA дослідницьке агентство Міністерства оборони США. На першій фазі, компанії прагнуть показати, що NTP можна використовувати для польоту ракети над низькою навколоземною орбітою, а DARPA прагне отримати співвідношення тяги до ваги на рівні з існуючими хімічними ракетними системами.

<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="Енергія на вимогу A fission surface power system like this one could provide safe, efficient and reliable electrical power on the Moon and Mars. (Courtesy: NASA)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg”>

Табіта Додсон, керівник програми DARPA для DRACO, вважає, що успішний запуск і політ ядерного космічного реактора за програмою DRACO зробить революцію в космічних польотах. «На відміну від сучасних хімічних систем, які досягли межі в тому, як далеко вони можуть еволюціонувати, ядерні технології теоретично можуть розвиватися до таких систем, як термоядерний синтез і далі», — каже вона. «Космічні кораблі, створені для маневрування та живлення від ядерних реакторів, дозволять людству піти далі, з вищими шансами на виживання та успіх для будь-якої місії».

У програмі DRACO General Atomics розробить реактор NTP і розробить проект підсистеми руху, а Blue Origin і Lockheed Martin розроблять сам космічний корабель. Реактор поділу використовував би спец високопробний низькозбагачений уран (HALEU), який можна виготовляти з використанням палива, переробленого з існуючих ядерних реакторів. Оскільки він містить лише 20% збагаченого урану, він непридатний для використання в ядерній зброї.

Реактор не буде включений (тобто стане критичним), доки корабель не досягне «ядерно-безпечної» орбіти. У малоймовірному випадку надзвичайної ситуації будь-яке забруднення буде, іншими словами, нешкідливо розвіяно в космос. Lockheed Martin вже об'єднав зусилля з Технології BWX Лінчбург, штат Вірджинія, для розробки реактора та виробництва палива HALEU. BWX каже, що ракета DRACO може запуститися вже в 2027 р.

Повітряно-дихальні ракетні двигуни: майбутнє космічних польотів

В іншому місці, дослідники Національної лабораторії Айдахо у США допомагають НАСА розробляти та випробовувати матеріали, необхідні для ядерної ракети Випробування перехідного реактора (TREAT) біля водоспаду Айдахо. Минулого року вони вже провели практичний запуск для перевірки комп’ютерних моделей і тестування нового датчика та експериментальної капсули. У довгостроковій перспективі мета полягає в тому, щоб визначити, які матеріали, композитні структури та сполуки урану найкраще працюють у надзвичайно гарячих умовах реактора NTP.

Тепло від реактора буде нагрівати водневе паливо, яке забезпечує найбільшу зміну швидкості – те, що вчені-ракетники називають Δv – для заданої маси. Недоліком водню є те, що він має низьку щільність, і для ракети знадобляться великі баки. Інші пропеленти, такі як аміак, мають нижчий Δv на кілограм палива, але вони набагато щільніші. У Хантсвіллі Томас показав, що аміак був би ідеальним паливом для доставки астрономів на Марс із НАСА. Місячний шлюз – космічна станція, яка обертатиметься навколо Місяця.

Опублікувавши огляд технології NTP для Американського інституту аеронавтики та астронавтики в 2020 році Томас дійшов висновку, що звичайні системи NTP, які пропонують велику тягу для коротких польотів тривалістю близько 50 хвилин, будуть ідеальними для обльотів і місій на зближення. Але існують також «бі-модальні» системи, які поєднують NTP з NEP (див. рамку «Проблеми ядерної електричної тяги»). Перший дає швидкі сплески високої тяги, тоді як другий дає низьку тягу протягом більш тривалого часу – ідеально підходить для тривалих місій туди й назад.

Кейт Хаггерті Келлі, директор з космосу та інженерії BWX Technologies, каже, що загалом ядерний теплові двигуни можуть бути в два-п’ять разів ефективнішими, ніж хімічні двигуни, і водночас мають високу тягу. «[На відміну від цього] ядерні електричні силові установки можуть забезпечувати вищу ефективність, але нижчу тягу, а енергію, вироблену в результаті ядерного поділу, можна перетворити на електрику для забезпечення живлення підсистем космічного корабля».

Отже, NTP чи NEP будуть кращими для операцій у глибокому космосі? За словами Томаса, це залежатиме від типу місії. «Для місій певного класу, таких як наукові космічні кораблі понад певної маси, або місій з екіпажем, або для певних напрямків, NTP буде найкращим вибором, тоді як для інших місій NEP буде найкращим вибором. Як і подорож автомобілем, це залежить від відстані, кількості багажу, який ви везете, вимог вашого розкладу тощо».

Ядерне майбутнє

NASA вже розглядає кілька космічних місій з ядерними двигунами. Відповідно до звіт, опублікований у червні 2021 року, вони можуть включати кораблі, які обертатимуться навколо різних супутників Урана та Юпітера, а також інші, які обертатимуться та приземлятимуться на супутнику Нептуна Тритоні. У доповіді також передбачається вихід ракети з ядерним двигуном на полярну орбіту навколо Сонця і, можливо, навіть місія в міжзоряний простір.

Зрештою, ядерний двигун певного типу – окремо або в поєднанні з іншим типом двигуна – буде важливою частиною майбутніх зусиль людства в космосі. У зв’язку з тим, що NASA, Космічне агентство Великобританії та Європейське космічне агентство розглядають космічні польоти з ядерними двигунами, я впевнений, що перші місії екіпажу на Марс до 2030-х років використовуватимуть певну форму цієї технології. Мрія Фрімена Дайсона, я впевнений, скоро побачить світ.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/