NASA I DARPA opracowują technologię nuklearnego napędu cieplnego (NTP), aby umożliwić szybsze misje załogowe Marspotencjalnie skracając o połowę czas podróży dzięki rozszczepieniu jądrowemu.
Technologia ta, mająca zastosowanie również w kosmicznych platformach obronnych, może stać się rzeczywistością dzięki prototypowi przeznaczonemu do demonstracji kosmicznej w 2027 roku. Trwające badania koncentrują się na zwiększeniu wydajności i bezpieczeństwa napędu, kluczowych dla ambitnego celu, jakim jest dotarcie na Marsa.
Odkrywanie Marsa: następna granica NASA
NASA ma na celu wysłanie misji załogowej na Marsa przez następną dekadę. Jednakże, Podróż licząca 140 milionów mil (225 milionów kilometrów). na Czerwoną Planetę przy użyciu konwencjonalnego chemicznego paliwa rakietowego, podróż w obie strony może zająć od kilku miesięcy do lat.
Aby skrócić ten długi czas przelotu, NASA bada alternatywę zwaną nuklearnym napędem termicznym. Ta innowacyjna technologia wykorzystuje rozszczepienie jądrowe, potencjalnie napędzające rakiety co mogłoby skrócić o połowę czas podróży na Marsa.
Napęd nuklearny: przyszłość podróży kosmicznych?
Rozszczepienie jądrowe polega na zebraniu niesamowitej ilości energii uwolnionej podczas atom ulega rozszczepieniu przez neutron. Ten reakcja znana jest jako reakcja rozszczepienia. Technologia rozszczepienia jest dobrze ugruntowana w elektrowniach i okrętach podwodnych o napędzie atomowym, a jej zastosowanie do napędzania lub zasilania rakiet może pewnego dnia zapewnić NASA szybszą i potężniejszą alternatywę dla rakiet napędzanych chemicznie.
NASA i Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony wspólnie opracowują technologię NTP. Planują wdrożyć i zademonstrować możliwości prototypowego systemu w przestrzeni kosmicznej w 2027 r. – co potencjalnie uczyni go jednym z pierwszych tego rodzaju zbudowanych i obsługiwanych przez USA
Jądrowy napęd termiczny może pewnego dnia stać się źródłem energii zwrotne platformy kosmiczne który chroniłby amerykańskie satelity na orbicie Ziemi i poza nią. Ale technologia jest wciąż w fazie rozwoju.
jestem profesor nadzwyczajny inżynierii nuklearnej w Georgia Institute of Technology którego grupa badawcza buduje modele i symulacje w celu ulepszenia i optymalizacji projektów nuklearnych systemów napędu cieplnego. Moją nadzieją i pasją jest pomoc w projektowaniu nuklearnego silnika napędowego, który zabierze załogową misję na Marsa.
Porównanie nuklearnych i chemicznych systemów napędowych
Konwencjonalne chemiczne układy napędowe wykorzystują reakcję chemiczną z udziałem lekkiego paliwa, takiego jak wodór, i utleniacza. Po zmieszaniu oba te paliwa zapalają się, w wyniku czego paliwo bardzo szybko opuszcza dyszę i napędza rakietę.
Systemy te nie wymagają żadnego układu zapłonowego, więc są niezawodne. Ale te rakiety muszą przenosić w przestrzeń tlen, który może je obciążać. W przeciwieństwie do chemicznych układów napędowych, jądrowe systemy napędu termicznego opierają się na reakcjach rozszczepienia jądrowego w celu podgrzania paliwa, które jest następnie wyrzucane z dyszy w celu wytworzenia siły napędowej lub ciągu.
W wielu reakcjach rozszczepienia badacze wysyłają neutron w stronę lżejszego izotopu uranu, uranu-235. Uran pochłania neutron, tworząc uran-236. Uran-236 następnie rozpada się na dwie części – produkty rozszczepienia – i w wyniku reakcji wydzielają się różne cząsteczki.
Reakcje rozszczepienia wytwarzają dużo energii cieplnej.
Ewolucja nuklearnych systemów napędowych
Ponad 400 reaktorów jądrowych w działaniu na całym świecie obecnie wykorzystują technologię rozszczepienia jądrowego. Większość działających reaktorów jądrowych to tzw reaktory lekkowodne. Te reaktory rozszczepialne wykorzystują wodę do spowalniania neutronów oraz do pochłaniania i przekazywania ciepła. Woda może wytwarzać parę bezpośrednio w rdzeniu lub w generatorze pary, który napędza turbinę wytwarzającą energię elektryczną.
Jądrowe systemy napędu cieplnego działają w podobny sposób, ale korzystają z innego paliwa jądrowego, które zawiera więcej uranu-235. Działają również w znacznie wyższej temperaturze, co czyni je niezwykle mocnymi i kompaktowymi. Jądrowe systemy napędu cieplnego mają około 10 razy większą gęstość mocy niż tradycyjny reaktor lekkowodny.
Napęd jądrowy może dorównać napędowi chemicznemu kilka powodów.
Napęd jądrowy bardzo szybko wyrzucałby paliwo z dyszy silnika, generując wysoki ciąg. Wysoki ciąg pozwala rakiecie na szybsze przyspieszenie.
Układy te charakteryzują się także wysokim impulsem właściwym. Konkretny impuls mierzy efektywność wykorzystania paliwa do wytwarzania ciągu. Jądrowe systemy napędu cieplnego mają mniej więcej dwukrotnie większy impuls właściwy niż rakiety chemiczne, co oznacza, że mogą skrócić czas podróży dwukrotnie.
Program DRACO: Pionierska eksploracja kosmosu
Od dziesięcioleci rząd Stanów Zjednoczonych finansuje rozwój technologii nuklearnego napędu cieplnego. W latach 1955-1973 programy przy ul NASA, General ElectricI Krajowe Laboratoria Argonne wyprodukował i przetestował na ziemi 20 nuklearnych silników o napędzie cieplnym.
Jednak te projekty sprzed 1973 roku opierały się na paliwie wysoko wzbogaconym uranem. Paliwo to nie jest już używane ze względu na swoje właściwości zagrożenia proliferacyjnelub niebezpieczeństwa związane z rozprzestrzenianiem się materiałów i technologii nuklearnych.
The Globalna Inicjatywa Redukcji Zagrożeńuruchomiony przez Departament Energii i Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Jądrowegoma na celu przekształcenie wielu reaktorów badawczych wykorzystujących paliwo z wysoko wzbogaconego uranu w paliwo wysokoprocentowe i niskowzbogacone, czyli HALEU.
Wysokogatunkowe paliwo uranowe o niskiej zawartości wzbogaconego uranu zawiera mniej materiału zdolnego do poddania się reakcji rozszczepienia w porównaniu z paliwem z wysoko wzbogaconego uranu. Zatem do rakiet należy załadować więcej paliwa HALEU, co powoduje, że silnik jest cięższy. Aby rozwiązać ten problem, badacze szukają specjalnych materiałów, które pozwoliłyby na bardziej efektywne wykorzystanie paliwa w tych reaktorach.
Wyzwania i rozwój napędu jądrowego
NASA i DARPA Rakieta demonstracyjna do zwinnych operacji Cislunarlub DRACO, zamierza wykorzystać to wysokogatunkowe, niskowzbogacone paliwo uranowe w swoim nuklearnym silniku napędowym. Program planuje wystrzelenie rakiety w 2027 roku.
W ramach programu DRACO firma lotnicza Lockheed Martin nawiązała współpracę z BWX Technologies opracować projekty reaktorów i paliw.
Jądrowe silniki napędowe opracowywane przez te grupy będą musiały spełniać określone normy wydajności i bezpieczeństwa. Będą musieli mieć rdzeń, który będzie mógł działać przez cały czas trwania misji i wykonywać niezbędne manewry, aby móc szybko udać się na Marsa.
W idealnym przypadku silnik powinien być w stanie wytworzyć wysoki impuls właściwy, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące wysokiego ciągu i małej masy silnika.
Innowacje na rzecz wydajności i bezpieczeństwa w przestrzeni kosmicznej
Zanim inżynierowie będą mogli zaprojektować silnik spełniający wszystkie te standardy, muszą zacząć od modeli i symulacji. Modele te pomagają badaczom, takim jak ci z mojej grupy, zrozumieć, jak silnik radziłby sobie z uruchamianiem i wyłączaniem. Są to operacje wymagające szybkich i masowych zmian temperatury i ciśnienia.
Jądrowy silnik napędowy będzie się różnić od wszystkich istniejących systemów zasilania energią jądrową, dlatego inżynierowie będą musieli zbudować narzędzia programowe współpracujące z tym nowym silnikiem.
Moja grupa projekty i analizy reaktory jądrowe z napędem cieplnym z wykorzystaniem modeli. Modelujemy te złożone systemy reaktorów, aby zobaczyć, jak takie czynniki, jak zmiany temperatury, mogą wpłynąć na reaktor i bezpieczeństwo rakiety. Jednak symulowanie tych efektów może wymagać dużej ilości kosztownej mocy obliczeniowej.
Pracowaliśmy nad opracować nowe narzędzia obliczeniowe model działania tych reaktorów, gdy są aktywne uruchomienie i eksploatacja bez użycia tak dużej mocy obliczeniowej.
Ja i moi koledzy mamy nadzieję, że pewnego dnia te badania pomogą w opracowaniu modeli, które mogłyby autonomicznie sterować rakietą.
Napisane przez Dana Kotlyara, profesora nadzwyczajnego inżynierii jądrowej i radiologicznej, Georgia Institute of Technology.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
