Tenaga nuklear di angkasa. Impuls pecutan atom

Idea menggunakan tenaga nuklear untuk menggerakkan kapal angkasa dan menggunakannya di pangkalan atau penempatan luar angkasa masa depan bukanlah perkara baru. Baru-baru ini, mereka telah datang dalam gelombang baru, dan apabila mereka menjadi medan persaingan kuasa besar, pelaksanaannya menjadi lebih berkemungkinan.

NASA dan Jabatan Tenaga AS memulakan carian di kalangan syarikat peniaga projek loji tenaga nuklear di Bulan dan Marikh. Ini sepatutnya menyokong penyelidikan jangka panjang dan mungkin juga projek penyelesaian. Matlamat NASA adalah untuk menyediakannya untuk pelancaran menjelang 2026. Kilang itu mesti dibuat sepenuhnya dan dipasang di Bumi dan kemudian diuji untuk keselamatan.

Anthony Calomino, pengarah teknologi nuklear NASA di Pentadbiran Teknologi Angkasa, berkata demikian Rancangannya adalah untuk membangunkan sistem pembelahan nuklear XNUMX kilowatt yang akhirnya akan dilancarkan dan diletakkan di bulan. (satu). Ia mesti disepadukan dengan pendarat bulan dan penggalak akan membawanya ke orbit bulan. Pemuat kemudian bawa sistem ke permukaan.

Dijangkakan bahawa apabila tiba di tapak ia akan segera bersedia untuk beroperasi, tanpa memerlukan pemasangan atau pembinaan tambahan. Operasi ini adalah demonstrasi kemungkinan dan akan menjadi titik permulaan untuk menggunakan penyelesaian dan terbitannya.

"Apabila teknologi telah disahkan semasa demonstrasi, sistem masa depan boleh ditingkatkan atau berbilang peranti boleh digunakan bersama untuk misi jangka panjang ke Bulan dan mungkin Marikh," jelas Calomino di CNBC. “Empat unit, yang setiap satunya menghasilkan 10 kilowatt elektrik, akan memberikan kuasa yang mencukupi untuk menubuhkan pos luar di Bulan atau Marikh.

Keupayaan untuk menjana sejumlah besar tenaga elektrik di permukaan planet menggunakan sistem pembelahan berasaskan tanah akan membolehkan penyelidikan berskala besar, penempatan manusia, dan penggunaan sumber in situ, sambil membenarkan kemungkinan pengkomersilan."

Bagaimana ia akan berfungsi loji kuasa nuklear? Bentuk yang sedikit diperkaya bahan api nuklear kemahuan teras nuklear... Kecil reaktor nuklear ia akan menghasilkan haba, yang akan dipindahkan ke sistem penukaran tenaga. Sistem penukaran tenaga akan terdiri daripada enjin yang direka untuk berjalan pada haba reaktor dan bukannya bahan api mudah terbakar. Enjin ini menggunakan haba, menukarnya kepada elektrik, yang dikondisikan dan diedarkan kepada peralatan pengguna di permukaan Bulan dan Marikh. Kaedah pelesapan haba adalah penting untuk mengekalkan suhu operasi peranti yang betul.

Kuasa nuklear kini dianggap sebagai satu-satunya alternatif yang munasabah di mana tenaga solar, angin dan kuasa hidro tidak tersedia dengan mudah. Di Marikh, sebagai contoh, kekuatan matahari sangat berbeza mengikut musim, dan ribut debu berkala boleh bertahan selama berbulan-bulan.

Di atas bulan bulan sejuk malam berlangsung selama 14 hari, dengan cahaya matahari yang berbeza-beza berhampiran kutub dan tidak hadir dari kawah yang berbayang-bayang secara kekal. Dalam keadaan yang sukar, mendapatkan tenaga daripada cahaya matahari adalah sukar, dan bekalan bahan api adalah terhad. Tenaga pembelahan permukaan menawarkan penyelesaian yang mudah, boleh dipercayai dan cekap.

Berbeza reaktor tanahtiada niat untuk mengeluarkan atau menggantikan bahan api. Pada penghujung misi 10 tahun, terdapat juga rancangan untuk menyahtauliah kemudahan itu dengan selamat. "Pada penghujung hayat perkhidmatannya, sistem akan dimatikan dan tahap sinaran akan beransur-ansur menurun ke tahap yang selamat untuk akses dan operasi manusia," jelas Calomino. "Sistem sisa boleh dialihkan ke lokasi penyimpanan terpencil di mana ia tidak akan membahayakan krew atau alam sekitar."

Reaktor kecil, ringan, tetapi cekap dalam permintaan tinggi

Apabila penerokaan ruang angkasa berkembang, kami sudah pun melakukannya dengan baik sistem penjanaan tenaga nuklear secara kecil-kecilan. Sistem sedemikian telah lama menggerakkan kapal angkasa tanpa pemandu yang mengembara ke bahagian jauh sistem suria.

Pada 2019, kapal angkasa New Horizons berkuasa nuklear terbang melalui objek paling jauh yang pernah dilihat dari jarak dekat, Ultima Thule, jauh di seberang Pluto di rantau yang dikenali sebagai tali pinggang Kuiper. Dia tidak mungkin melakukannya tanpa kuasa nuklear. Tenaga suria tidak tersedia dalam kekuatan yang mencukupi di luar orbit Marikh. Sumber kimia tidak bertahan lama kerana ketumpatan tenaganya terlalu rendah dan jisimnya terlalu besar.

Digunakan pada misi jarak jauh penjana radioterma (RTG) menggunakan isotop plutonium 238Pu, yang sesuai untuk menjana haba kekal daripada pereputan radioaktif semula jadi dengan memancarkan zarah alfa, yang kemudiannya ditukar kepada elektrik. Separuh hayatnya selama 88 tahun bermakna ia akan melaksanakan misi jangka panjang. Walau bagaimanapun, RTG tidak dapat memberikan kuasa khusus tinggi yang diperlukan untuk misi panjang, kapal yang lebih besar, apatah lagi pangkalan luar angkasa.

Penyelesaian, sebagai contoh, untuk kehadiran penerokaan dan mungkin penempatan di Marikh atau Bulan boleh menjadi reka bentuk reaktor kecil yang telah diuji oleh NASA selama beberapa tahun. Peranti ini dikenali sebagai Projek tenaga pembelahan kilopower (2), direka bentuk untuk membekalkan kuasa elektrik dari 1 hingga 10 kW dan boleh dikonfigurasikan sebagai modul yang diselaraskan kepada sistem pendorong kuasa atau untuk menyokong penyelidikan, perlombongan atau koloni pada badan angkasa asing.

Seperti yang anda tahu, jisim penting di angkasa. kuasa reaktor ia tidak boleh melebihi berat kenderaan biasa. Seperti yang kita tahu, sebagai contoh, dari pertunjukan baru-baru ini Roket berat SpaceX Falconmelancarkan kereta ke angkasa lepas bukan masalah teknikal. Oleh itu, reaktor cahaya boleh diletakkan dengan mudah ke orbit mengelilingi Bumi dan seterusnya.

2. Prototaip reaktor KIlopower XNUMX kilowatt.

Roket dengan reaktor menimbulkan harapan dan ketakutan

Bekas Pentadbir NASA Jim Bridenstine dia tegaskan berkali-kali kelebihan enjin haba nuklear, sambil menambah bahawa lebih banyak kuasa di orbit berpotensi membolehkan kapal yang mengorbit berjaya mengelak jika diserang oleh senjata anti-satelit.

Reaktor di orbit mereka juga boleh menggerakkan laser tentera yang berkuasa, yang juga sangat menarik perhatian pihak berkuasa AS. Walau bagaimanapun, sebelum enjin roket nuklear membuat penerbangan pertamanya, NASA mesti mengubah undang-undangnya tentang membawa bahan nuklear ke angkasa. Jika ini benar, maka, menurut rancangan NASA, penerbangan pertama enjin nuklear akan berlaku pada 2024.

Bagaimanapun, AS nampaknya sedang memulakan projek nuklearnya, terutamanya selepas Rusia mengumumkan program selama sedekad untuk membina kapal angkasa awam berkuasa nuklear. Mereka pernah menjadi pemimpin yang tidak dipertikaikan dalam teknologi angkasa lepas.

Pada tahun 60-an, Amerika Syarikat mempunyai projek untuk peluru berpandu nuklear denyut nadi Orion, yang sepatutnya sangat berkuasa sehingga ia boleh membenarkan menggerakkan seluruh bandar ke angkasadan juga membuat penerbangan bermanusia ke Alpha Centauri. Semua siri fantasi Amerika lama itu telah berada di rak sejak tahun 70-an.

Walau bagaimanapun, sudah tiba masanya untuk menghapuskan konsep lama. enjin nuklear di angkasaterutamanya kerana pesaing, dalam kes ini terutamanya Rusia, baru-baru ini menunjukkan minat yang besar dalam teknologi ini. Roket terma nuklear boleh mengurangkan masa penerbangan ke Marikh pada separuh, mungkin sehingga seratus hari, yang bermakna angkasawan menggunakan lebih sedikit sumber dan kurang beban radiasi pada anak kapal. Di samping itu, nampaknya, tidak akan ada pergantungan seperti itu pada "tingkap", iaitu, pendekatan berbilang Marikh ke Bumi setiap beberapa tahun.

Walau bagaimanapun, terdapat risiko, termasuk fakta bahawa reaktor atas kapal akan menjadi sumber sinaran tambahan dalam keadaan di mana ruang sudah membawa ancaman besar seperti ini. Bukan itu sahaja. Enjin haba nuklear ia tidak boleh dilancarkan di atmosfera Bumi kerana bimbang kemungkinan letupan dan pencemaran. Oleh itu, roket biasa disediakan untuk pelancaran. Oleh itu, kami tidak melangkau peringkat paling mahal yang berkaitan dengan pelancaran jisim ke orbit dari Bumi.

Projek penyelidikan NASA dipanggil TREES (Simulator Alam Sekitar Roket Terma Nuklear) adalah salah satu contoh usaha NASA untuk kembali kepada pendorongan nuklear. Pada tahun 2017, sebelum ada sebarang perbincangan tentang kembalinya teknologi, NASA menganugerahkan BWX Technologies kontrak tiga tahun, $19 juta untuk membangunkan komponen bahan api dan reaktor yang diperlukan untuk pembinaan. enjin nuklear. Salah satu konsep pendorongan nuklear angkasa lepas NASA ialah Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), yang dijangka menggunakan penyederhana reaktor ringan baharu dan penjana termoelektrik termaju (ATEG) untuk mengurangkan jisim teras keseluruhan dengan ketara.

Ini memerlukan menurunkan suhu operasi dan mengurangkan tahap kuasa keseluruhan teras. Walau bagaimanapun, jisim yang dikurangkan akan memerlukan kurang kuasa pendorong, menghasilkan kapal angkasa elektrik berkuasa nuklear yang kecil, murah.

3. Visualisasi probe yang dibangunkan dalam projek Reaktor ATEG Pemboleh Swarm-Probe.

Anatoly PerminovIni diumumkan oleh ketua Agensi Angkasa Persekutuan Rusia. akan membangunkan kapal angkasa berkuasa nuklear untuk perjalanan angkasa lepas, menawarkan pendekatan asalnya sendiri. Reka bentuk awal telah disiapkan menjelang 2013, dan 9 tahun akan datang dirancang untuk pembangunan. Sistem ini seharusnya merupakan gabungan penjanaan kuasa nuklear dengan sistem pendorong ion. Gas panas pada 1500°C dari reaktor harus memutar turbin yang memutar penjana yang menjana elektrik untuk enjin ion.

Menurut Perminov, pemanduan itu akan dapat menyokong misi berawak ke Marikhdan angkasawan boleh tinggal di Planet Merah selama 30 hari berkat kuasa nuklear. Secara keseluruhan, penerbangan ke Marikh dengan enjin nuklear dan pecutan berterusan akan mengambil masa enam minggu dan bukannya lapan bulan, dengan mengandaikan tujahan 300 kali lebih besar daripada enjin kimia.

Walau bagaimanapun, tidak semuanya begitu lancar dalam program Rusia. Pada Ogos 2019, sebuah reaktor meletup di Sarov, Rusia di pantai Laut Putih, yang merupakan sebahagian daripada enjin roket di Laut Baltik. bahan api cecair. Tidak diketahui sama ada bencana ini berkaitan dengan program penyelidikan pendorongan nuklear Rusia yang diterangkan di atas.

Tidak dinafikan, bagaimanapun, unsur persaingan antara Amerika Syarikat dan Rusia, dan mungkin China di lapangan penggunaan tenaga nuklear di angkasa memberikan penyelidikan dorongan mempercepatkan yang kuat.