Πυρηνική ενέργεια στο διάστημα. Ωθήσεις ατομικής επιτάχυνσης

Οι ιδέες χρήσης της πυρηνικής ενέργειας για την προώθηση διαστημικών σκαφών και τη χρήση της σε μελλοντικές εξωγήινες βάσεις ή οικισμούς δεν είναι νέες. Πρόσφατα, έχουν έρθει σε ένα νέο κύμα και καθώς γίνονται πεδίο αντιπαλότητας μεγάλων δυνάμεων, η εφαρμογή τους γίνεται πιο πιθανή.

Η NASA και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ξεκίνησαν έρευνα μεταξύ εταιρειών αντιπροσώπων έργα πυρηνικών σταθμών στη Σελήνη και τον Άρη. Αυτό θα πρέπει να υποστηρίξει τη μακροπρόθεσμη έρευνα και ίσως ακόμη και έργα οικισμού. Στόχος της NASA είναι να το έχει έτοιμο για εκτόξευση έως το 2026. Το εργοστάσιο πρέπει να κατασκευαστεί πλήρως και να συναρμολογηθεί στη Γη και στη συνέχεια να δοκιμαστεί για ασφάλεια.

Άντονι Καλομίνο, ο διευθυντής πυρηνικής τεχνολογίας της NASA στην Υπηρεσία Διαστημικής Τεχνολογίας, είπε ότι Το σχέδιο είναι να αναπτυχθεί ένα σύστημα πυρηνικής σχάσης XNUMX κιλοβάτ που τελικά θα εκτοξευθεί και θα τοποθετηθεί στη Σελήνη. (ένας). Πρέπει να ενσωματωθεί με το σεληνιακό προσγείωση και ο ενισχυτής θα το μεταφέρει τροχιά σελήνης. Φορτωτής στη συνέχεια φέρτε το σύστημα στην επιφάνεια.

Αναμένεται ότι κατά την άφιξη στο χώρο θα είναι άμεσα έτοιμο για λειτουργία, χωρίς να χρειάζεται επιπλέον συναρμολόγηση ή κατασκευή. Η πράξη είναι μια επίδειξη των δυνατοτήτων και θα αποτελέσει το σημείο εκκίνησης για τη χρήση της λύσης και των παραγώγων.

«Μόλις η τεχνολογία επικυρωθεί κατά τη διάρκεια μιας επίδειξης, τα μελλοντικά συστήματα μπορούν να κλιμακωθούν ή πολλαπλές συσκευές μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί για μακροπρόθεσμες αποστολές στη Σελήνη και πιθανώς στον Άρη», εξήγησε ο Calomino στο CNBC. «Τέσσερις μονάδες, καθεμία από τις οποίες παράγει 10 κιλοβάτ ηλεκτρικής ενέργειας, θα παρέχουν αρκετή ισχύ στήνοντας ένα φυλάκιο στη Σελήνη ή τον Άρη.

Η ικανότητα παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας στην επιφάνεια των πλανητών χρησιμοποιώντας ένα επίγειο σύστημα σχάσης θα επιτρέψει έρευνα μεγάλης κλίμακας, ανθρώπινα φυλάκια και χρήση πόρων επί τόπου, ενώ θα επιτρέψει τη δυνατότητα εμπορευματοποίησης».

Πώς θα λειτουργήσει πυρηνικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής? Ελαφρώς εμπλουτισμένη μορφή πυρηνικό καύσιμο δύναμη της θέλησης πυρηνικός πυρήνας. Μικρό πυρηνικός αντιδραστήρας θα παράγει θερμότητα, η οποία θα μεταφερθεί στο σύστημα μετατροπής ενέργειας. Το σύστημα μετατροπής ισχύος θα αποτελείται από κινητήρες σχεδιασμένους να λειτουργούν με θερμότητα αντιδραστήρα και όχι καύσιμο καύσιμο. Αυτοί οι κινητήρες χρησιμοποιούν θερμότητα, τη μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία ρυθμίζεται και διανέμεται στον εξοπλισμό των χρηστών στην επιφάνεια της Σελήνης και του Άρη. Η μέθοδος απαγωγής θερμότητας είναι σημαντική για τη διατήρηση της σωστής θερμοκρασίας λειτουργίας των συσκευών.

Πυρηνική δύναμη θεωρείται πλέον ως η μόνη λογική εναλλακτική όπου ηλιακή ενέργεια, αιολική και υδροηλεκτρική ενέργεια δεν είναι άμεσα διαθέσιμα. Στον Άρη, για παράδειγμα, η ισχύς του ήλιου ποικίλλει πολύ ανάλογα με τις εποχές και οι περιοδικές καταιγίδες σκόνης μπορεί να διαρκέσουν για μήνες.

Πάνω στο φεγγαρι κρύο σεληνιακό η νύχτα διαρκεί 14 ημέρες, με το φως του ήλιου να ποικίλλει πολύ κοντά στους πόλους και να απουσιάζει από τους μόνιμα σκιασμένους κρατήρες. Σε τέτοιες δύσκολες συνθήκες, η απόκτηση ενέργειας από το ηλιακό φως είναι δύσκολη και οι προμήθειες καυσίμων είναι περιορισμένες. Η ενέργεια επιφανειακής σχάσης προσφέρει μια εύκολη, αξιόπιστη και αποτελεσματική λύση.

Σε αντίθεση με επίγειους αντιδραστήρεςδεν υπάρχει πρόθεση αφαίρεσης ή αντικατάστασης του καυσίμου. Στο τέλος της 10ετούς αποστολής υπάρχει και σχέδιο για τον ασφαλή παροπλισμό της εγκατάστασης. «Στο τέλος της ζωής του, το σύστημα θα απενεργοποιηθεί και το επίπεδο ακτινοβολίας θα μειωθεί σταδιακά σε ένα επίπεδο που είναι ασφαλές για ανθρώπινη πρόσβαση και λειτουργία», εξήγησε ο Calomino. «Τα συστήματα απορριμμάτων μπορούν να μεταφερθούν σε απομακρυσμένη τοποθεσία αποθήκευσης όπου δεν θα θέσουν σε κίνδυνο το πλήρωμα ή το περιβάλλον».

Μικρός, ελαφρύς, αλλά αποτελεσματικός αντιδραστήρας, σε μεγάλη ζήτηση

Καθώς η εξερεύνηση του διαστήματος αναπτύσσεται, τα πάμε ήδη αρκετά καλά συστήματα παραγωγής πυρηνικής ενέργειας σε μικρή κλίμακα. Τέτοια συστήματα έχουν από καιρό τροφοδοτήσει μη επανδρωμένα διαστημόπλοια που ταξιδεύουν στα πέρατα του ηλιακού συστήματος.

Το 2019, το πυρηνοκίνητο διαστημόπλοιο New Horizons πέταξε μέσα από το πιο μακρινό αντικείμενο που έχει δει ποτέ σε κοντινή απόσταση, το Ultima Thule, πολύ πέρα ​​από τον Πλούτωνα σε μια περιοχή γνωστή ως Ζώνη Kuiper. Δεν θα μπορούσε να το κάνει χωρίς πυρηνική ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια δεν είναι διαθέσιμη σε επαρκή ισχύ έξω από την τροχιά του Άρη. Οι χημικές πηγές δεν διαρκούν πολύ επειδή η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι πολύ χαμηλή και η μάζα τους είναι πολύ μεγάλη.

Χρησιμοποιείται σε αποστολές μεγάλης εμβέλειας ραδιοθερμικές γεννήτριες (RTG) χρησιμοποιεί το ισότοπο πλουτωνίου 238Pu, το οποίο είναι ιδανικό για την παραγωγή μόνιμης θερμότητας από φυσική ραδιενεργή διάσπαση εκπέμποντας σωματίδια άλφα, τα οποία στη συνέχεια μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο χρόνος ημιζωής των 88 ετών σημαίνει ότι θα εξυπηρετήσει μια μακροπρόθεσμη αποστολή. Ωστόσο, οι RTG δεν μπορούν να παρέχουν την υψηλή ειδική ισχύ που απαιτείται για μεγάλες αποστολές, πιο ογκώδη πλοία, για να μην αναφέρουμε εξωγήινες βάσεις.

Μια λύση, για παράδειγμα, για μια διερευνητική παρουσία και πιθανώς έναν οικισμό στον Άρη ή τη Σελήνη θα μπορούσαν να είναι τα σχέδια μικρών αντιδραστήρων που η NASA δοκιμάζει εδώ και αρκετά χρόνια. Αυτές οι συσκευές είναι γνωστές ως Έργο ενέργειας σχάσης Kilopower (2), έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια από 1 έως 10 kW και μπορούν να διαμορφωθούν ως συντονισμένες μονάδες για την τροφοδοσία συστημάτων πρόωσης ή για την υποστήριξη έρευνας, εξόρυξης ή αποικιών σε εξωγήινα διαστημικά σώματα.

Όπως γνωρίζετε, η μάζα έχει σημασία στο διάστημα. ισχύς αντιδραστήρα δεν πρέπει να υπερβαίνει το βάρος ενός μέσου οχήματος. Όπως γνωρίζουμε, για παράδειγμα, από πρόσφατη εκπομπή Πύραυλοι Falcon Heavy της SpaceXΗ εκτόξευση αυτοκινήτου στο διάστημα δεν είναι επί του παρόντος τεχνικό πρόβλημα. Έτσι, αντιδραστήρες φωτός μπορούν εύκολα να τεθούν σε τροχιά γύρω από τη Γη και πέρα ​​από αυτήν.

2. Πρωτότυπο αντιδραστήρα XNUMX κιλοβάτ KIlopower.

Ο πύραυλος με αντιδραστήρα εγείρει ελπίδες και φόβους

Πρώην διαχειριστής της NASA Jim Bridenstine τόνιζε πολλές φορές πλεονεκτήματα των πυρηνικών θερμικών κινητήρων, προσθέτοντας ότι περισσότερη ισχύς στην τροχιά θα μπορούσε ενδεχομένως να επιτρέψει στα τροχοφόρα σκάφη να αποφύγουν επιτυχώς σε περίπτωση επίθεσης με αντιδορυφορικό όπλο.

Αντιδραστήρες σε τροχιά θα μπορούσαν επίσης να τροφοδοτήσουν ισχυρά στρατιωτικά λέιζερ, κάτι που παρουσιάζει επίσης μεγάλο ενδιαφέρον για τις αρχές των ΗΠΑ. Ωστόσο, πριν ένας πυρηνικός πυραυλοκινητήρας κάνει την πρώτη του πτήση, η NASA πρέπει να αλλάξει τους νόμους της σχετικά με τη μεταφορά πυρηνικών υλικών στο διάστημα. Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε, σύμφωνα με το σχέδιο της NASA, η πρώτη πτήση πυρηνικού κινητήρα θα πρέπει να πραγματοποιηθεί το 2024.

Ωστόσο, οι ΗΠΑ φαίνεται να ξεκινούν με άλμα τα πυρηνικά τους έργα, ειδικά αφού η Ρωσία ανακοίνωσε ένα πρόγραμμα διάρκειας δεκαετίας για την κατασκευή ενός μη στρατιωτικού πυρηνικού διαστημικού σκάφους. Ήταν κάποτε ο αδιαμφισβήτητος ηγέτης στη διαστημική τεχνολογία.

Στη δεκαετία του '60, οι Ηνωμένες Πολιτείες είχαν ένα έργο για τον πυρηνικό πύραυλο Orion, ο οποίος υποτίθεται ότι ήταν τόσο ισχυρός που θα μπορούσε να επιτρέψει μετακινώντας ολόκληρες πόλεις στο διάστημακαι μάλιστα να κάνει επανδρωμένη πτήση προς τον Άλφα Κενταύρου. Όλες αυτές οι παλιές αμερικανικές σειρές φαντασίας είναι στο ράφι από τη δεκαετία του '70.

Ωστόσο, ήρθε η ώρα να ξεσκονίσουμε την παλιά ιδέα. πυρηνική μηχανή στο διάστημακυρίως επειδή οι ανταγωνιστές, στην προκειμένη περίπτωση κυρίως η Ρωσία, έδειξαν πρόσφατα μεγάλο ενδιαφέρον για αυτή την τεχνολογία. Ένας πυρηνικός θερμικός πύραυλος θα μπορούσε να μειώσει το χρόνο πτήσης στον Άρη στο μισό, ίσως ακόμη και σε XNUMX ημέρες, πράγμα που σημαίνει ότι οι αστροναύτες καταναλώνουν λιγότερους πόρους και λιγότερο φορτίο ακτινοβολίας στο πλήρωμα. Επιπλέον, όπως φαίνεται, δεν θα υπάρχει τέτοια εξάρτηση από «παράθυρα», δηλαδή η επαναλαμβανόμενη προσέγγιση του Άρη στη Γη κάθε λίγα χρόνια.

Ωστόσο, υπάρχει ένας κίνδυνος, ο οποίος περιλαμβάνει το γεγονός ότι ο ενσωματωμένος αντιδραστήρας θα ήταν μια πρόσθετη πηγή ακτινοβολίας σε μια κατάσταση όπου το διάστημα φέρει ήδη μια τεράστια απειλή αυτής της φύσης. Δεν είναι μόνο αυτό. Πυρηνικός θερμικός κινητήρας δεν μπορεί να εκτοξευθεί στην ατμόσφαιρα της Γης από φόβο πιθανής έκρηξης και μόλυνσης. Επομένως, παρέχονται κανονικοί πύραυλοι για εκτόξευση. Επομένως, δεν παραλείπουμε το πιο δαπανηρό στάδιο που σχετίζεται με την εκτόξευση μάζας σε τροχιά από τη Γη.

Το ερευνητικό πρόγραμμα της NASA καλείται ΔΡΑΣΕΙΣ (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) είναι ένα παράδειγμα των προσπαθειών της NASA να επιστρέψει στην πυρηνική πρόωση. Το 2017, πριν γίνει οποιαδήποτε συζήτηση για επιστροφή στην τεχνολογία, η NASA ανέθεσε στην BWX Technologies ένα τριετές συμβόλαιο 19 εκατομμυρίων δολαρίων για την ανάπτυξη των εξαρτημάτων καυσίμου και των αντιδραστήρων που απαιτούνται για την κατασκευή. πυρηνική μηχανή. Μία από τις νεότερες ιδέες διαστημικής πυρηνικής πρόωσης της NASA είναι ο αντιδραστήρας Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), ο οποίος αναμένεται να χρησιμοποιεί έναν νέο ελαφρύ συντονιστή αντιδραστήρα και προηγμένες θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (ATEGs) για να μειώσει σημαντικά τη συνολική μάζα του πυρήνα.

Αυτό θα απαιτήσει μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας και μείωση της συνολικής στάθμης ισχύος του πυρήνα. Ωστόσο, η μειωμένη μάζα θα απαιτήσει λιγότερη προωστική ισχύ, με αποτέλεσμα ένα μικρό, φθηνό, πυρηνικά ηλεκτρικό διαστημόπλοιο.

3. Οπτικοποίηση του ανιχνευτή που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Ανατόλι ΠερμίνοφΑυτό ανακοίνωσε ο επικεφαλής της Ομοσπονδιακής Διαστημικής Υπηρεσίας της Ρωσίας. θα αναπτύξει ένα διαστημικό σκάφος με πυρηνική ενέργεια για ταξίδια στο βάθος, προσφέροντας τη δική του, πρωτότυπη προσέγγιση. Η προμελέτη ολοκληρώθηκε μέχρι το 2013 και προγραμματίζονται τα επόμενα 9 χρόνια για ανάπτυξη. Αυτό το σύστημα θα πρέπει να είναι ένας συνδυασμός παραγωγής πυρηνικής ενέργειας με σύστημα πρόωσης ιόντων. Το ζεστό αέριο στους 1500°C από τον αντιδραστήρα θα πρέπει να ενεργοποιήσει έναν στρόβιλο που περιστρέφει μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια για τον κινητήρα ιόντων.

Σύμφωνα με τον Perminov, η μονάδα θα μπορεί να υποστηρίξει επανδρωμένη αποστολή στον Άρηκαι οι αστροναύτες θα μπορούσαν να μείνουν στον Κόκκινο Πλανήτη για 30 ημέρες χάρη στην πυρηνική ενέργεια. Συνολικά, μια πτήση στον Άρη με πυρηνική μηχανή και σταθερή επιτάχυνση θα διαρκούσε έξι εβδομάδες αντί για οκτώ μήνες, υποθέτοντας μια ώθηση 300 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός χημικού κινητήρα.

Ωστόσο, δεν είναι όλα τόσο ομαλά στο ρωσικό πρόγραμμα. Τον Αύγουστο του 2019, ένας αντιδραστήρας εξερράγη στο Σαρόφ της Ρωσίας στις ακτές της Λευκής Θάλασσας, ο οποίος ήταν μέρος μιας μηχανής πυραύλων στη Βαλτική Θάλασσα. υγρό καύσιμο. Δεν είναι γνωστό εάν αυτή η καταστροφή σχετίζεται με το ρωσικό ερευνητικό πρόγραμμα πυρηνικής πρόωσης που περιγράφεται παραπάνω.

Αναμφίβολα, ωστόσο, ένα στοιχείο ανταγωνισμού μεταξύ των Ηνωμένων Πολιτειών και της Ρωσίας, και πιθανώς της Κίνας στο έδαφος χρήση της πυρηνικής ενέργειας στο διάστημα δίνει στην έρευνα μια ισχυρή επιταχυνόμενη ώθηση.