Enerxía nuclear no espazo. Impulsos de aceleración atómica

A idea de usar enerxía nuclear para impulsar naves espaciais e usala en futuras bases ou asentamentos extraterrestres non é nova. Recentemente, entraron nunha nova onda e, a medida que se converten nun campo de gran rivalidade de poder, a súa implementación faise máis probable.

A NASA e o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos iniciaron unha busca entre as empresas distribuidoras proxectos de centrais nucleares na Lúa e en Marte. Isto debería apoiar a investigación a longo prazo e quizais mesmo os proxectos de asentamento. O obxectivo da NASA é telo listo para o lanzamento en 2026. A planta debe ser completamente fabricada e montada na Terra e despois probada a súa seguridade.

Antonio Calomino, o director de tecnoloxía nuclear da NASA na Administración de Tecnoloxía Espacial, dixo que O plan é desenvolver un sistema de fisión nuclear de XNUMX quilovatios que finalmente será lanzado e colocado na Lúa. (unha). Debe estar integrado co módulo de aterraxe lunar e o impulsor levarao órbita da lúa. Cargador despois saca o sistema á superficie.

Espérase que á súa chegada ao lugar estea inmediatamente listo para funcionar, sen necesidade de montaxe ou construción adicional. A operación é unha demostración das posibilidades e será o punto de partida para utilizar a solución e as súas derivadas.

"Unha vez que a tecnoloxía foi validada durante unha demostración, os sistemas futuros pódense ampliar ou usar varios dispositivos xuntos para misións a longo prazo á Lúa e posiblemente a Marte", explicou Calomino na CNBC. "Catro unidades, cada unha das cales produce 10 quilovatios de electricidade, proporcionarán enerxía suficiente para establecer un posto avanzado na Lúa ou en Marte.

A capacidade de xerar grandes cantidades de electricidade na superficie dos planetas mediante un sistema de fisión terrestre permitirá a investigación a gran escala, os postos de avanzada humana e o uso de recursos in situ, ao tempo que permitirá a posibilidade de comercialización.

Como funcionará central nuclear? Forma lixeiramente enriquecida combustible nuclear forza de vontade núcleo nuclear... Pequeno reactor nuclear xerará calor, que será transferido ao sistema de conversión de enerxía. O sistema de conversión de enerxía consistirá en motores deseñados para funcionar con calor do reactor en lugar de combustible combustible. Estes motores utilizan calor, convértena en electricidade, que se acondiciona e distribúe aos equipos dos usuarios na superficie da Lúa e Marte. O método de disipación da calor é importante para manter a temperatura de funcionamento adecuada dos dispositivos.

Enerxía nuclear agora considérase como a única alternativa razoable onde enerxía solar, eólica e hidroeléctrica non están facilmente dispoñibles. En Marte, por exemplo, a forza do sol varía moito coas estacións e as tormentas periódicas de po poden durar meses.

Na lúa lunar frío a noite dura 14 días, coa luz solar que varía moito preto dos polos e ausente dos cráteres permanentemente sombreados. En condicións tan difíciles, a obtención de enerxía da luz solar é difícil e as subministracións de combustible son limitadas. A enerxía de fisión superficial ofrece unha solución sinxela, fiable e eficiente.

Ao contrario reactores terrestresnon hai intención de quitar ou substituír o combustible. Ao final da misión de 10 anos, tamén hai un plan para a desmantelación segura da instalación. "Ao final da súa vida útil, o sistema apagarase e o nivel de radiación diminuirá gradualmente ata un nivel seguro para o acceso humano e a operación", explicou Calomino. "Os sistemas de residuos pódense trasladar a un lugar de almacenamento remoto onde non poñan en perigo a tripulación nin o medio ambiente".

Reactor pequeno, lixeiro, pero eficiente, moi demandado

A medida que se desenvolve a exploración espacial, xa o estamos facendo bastante ben sistemas de xeración de enerxía nuclear a pequena escala. Estes sistemas levaban moito tempo que alimentaban naves espaciais non tripuladas que viaxan ata os extremos do sistema solar.

En 2019, a nave espacial New Horizons de propulsión nuclear voou a través do obxecto máis distante xamais visto de preto, Ultima Thule, moito máis alá de Plutón nunha rexión coñecida como o cinto de Kuiper. Non podería facelo sen enerxía nuclear. A enerxía solar non está dispoñible con forza suficiente fóra da órbita de Marte. As fontes químicas non duran moito porque a súa densidade enerxética é demasiado baixa e a súa masa é demasiado grande.

Usado en misións de longo alcance xeradores radiotérmicos (RTG) utiliza o isótopo de plutonio 238Pu, que é ideal para xerar calor permanente a partir da desintegración radioactiva natural mediante a emisión de partículas alfa, que despois se converten en electricidade. A súa vida media de 88 anos significa que cumprirá unha misión a longo prazo. Non obstante, os RTG non poden proporcionar a alta potencia específica necesaria para misións longas, barcos máis masivos, sen esquecer as bases extraterrestres.

Unha solución, por exemplo, para unha presenza exploratoria e posiblemente un asentamento en Marte ou na Lúa poderían ser pequenos deseños de reactores que a NASA estivo probando durante varios anos. Estes dispositivos son coñecidos como Proxecto de enerxía de fisión Kilopower (2), están deseñados para subministrar enerxía eléctrica de 1 a 10 kW e poden configurarse como módulos coordinados para alimentar sistemas de propulsión ou para apoiar a investigación, a minería ou as colonias en corpos espaciais alieníxenas.

Como sabes, a masa importa no espazo. potencia do reactor non debe exceder o peso dun vehículo medio. Como sabemos, por exemplo, por un concerto recente Foguetes SpaceX Falcon Heavylanzar un coche ao espazo actualmente non é un problema técnico. Así, os reactores lixeiros pódense colocar facilmente en órbita arredor da Terra e máis aló.

2. Prototipo de reactor de XNUMX kilovatios KIlopower.

Foguete con reactor suscita esperanzas e temores

Antigo administrador da NASA Jim Bridenstine subliñou moitas veces vantaxes dos motores térmicos nucleares, engadindo que máis potencia en órbita podería permitir que as naves en órbita evadan con éxito se son atacadas por armas antisatélite.

Reactores en órbita tamén poderían alimentar poderosos láseres militares, o que tamén é de gran interese para as autoridades estadounidenses. Non obstante, antes de que un motor de foguete nuclear realice o seu primeiro voo, a NASA debe cambiar as súas leis sobre o transporte de materiais nucleares ao espazo. Se isto é certo, entón, segundo o plan da NASA, o primeiro voo dun motor nuclear debería ter lugar en 2024.

Non obstante, Estados Unidos parece estar impulsando os seus proxectos nucleares, especialmente despois de que Rusia anunciase un programa dunha década para construír unha nave espacial civil con propulsión nuclear. Foron antes o líder indiscutible en tecnoloxía espacial.

Nos anos 60, os Estados Unidos tiñan un proxecto para o mísil nuclear de pulso-pulso Orión, que se supón que era tan poderoso que podería permitir movendo cidades enteiras ao espazoe mesmo facer un voo tripulado ata Alpha Centauri. Todas esas vellas series estadounidenses de fantasía levan no andel dende os anos 70.

Non obstante, é hora de quitar o po do vello concepto. motor nuclear no espazoprincipalmente porque os competidores, neste caso principalmente Rusia, mostraron recentemente un gran interese por esta tecnoloxía. Un foguete térmico nuclear podería reducir o tempo de voo a Marte á metade, quizais ata cen días, o que significa que os astronautas consumen menos recursos e menos carga de radiación na tripulación. Ademais, como parece, non haberá tal dependencia das “fiestras”, é dicir, da aproximación reiterada de Marte á Terra cada poucos anos.

Non obstante, existe un risco, que inclúe o feito de que o reactor a bordo sería unha fonte adicional de radiación nunha situación na que o espazo xa leva unha ameaza enorme desta natureza. Iso non é todo. Motor térmico nuclear non se pode lanzar á atmosfera terrestre por temor a unha posible explosión e contaminación. Polo tanto, ofrécense foguetes normais para o lanzamento. Polo tanto, non saltamos a etapa máis custosa asociada ao lanzamento da masa á órbita desde a Terra.

Proxecto de investigación da NASA chamado ÁRBOLES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) é un exemplo dos esforzos da NASA por volver á propulsión nuclear. En 2017, antes de que se falase dun retorno á tecnoloxía, a NASA concedeu a BWX Technologies un contrato de tres anos e 19 millóns de dólares para desenvolver os compoñentes de combustible e reactores necesarios para a construción. motor nuclear. Un dos conceptos máis novos de propulsión nuclear espacial da NASA é o reactor Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), que se espera que utilice un novo moderador de reactor lixeiro e xeradores termoeléctricos avanzados (ATEG) para reducir significativamente a masa total do núcleo.

Isto requirirá baixar a temperatura de funcionamento e baixar o nivel de potencia global do núcleo. Non obstante, a masa reducida requirirá menos potencia de propulsión, o que resultará nunha nave espacial eléctrica pequena, barata e de propulsión nuclear.

3. Visualización da sonda desenvolvida no marco do proxecto Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoli PerminovAsí o anunciou o xefe da Axencia Espacial Federal de Rusia. desenvolverá unha nave espacial de propulsión nuclear para viaxes no espazo profundo, ofrecendo un enfoque propio e orixinal. O deseño preliminar completouse en 2013 e está previsto o desenvolvemento dos próximos 9 anos. Este sistema debería ser unha combinación de xeración de enerxía nuclear cun sistema de propulsión iónica. O gas quente a 1500 °C procedente do reactor debería facer funcionar unha turbina que faga funcionar un xerador que xera electricidade para o motor iónico.

Segundo Perminov, a unidade poderá soportar unha misión tripulada a Martee os astronautas poderían permanecer no Planeta Vermello durante 30 días grazas á enerxía nuclear. En total, un voo a Marte cun motor nuclear e aceleración constante levaría seis semanas en lugar de oito meses, asumindo un empuxe 300 veces maior que o dun motor químico.

Non obstante, non todo é tan suave no programa ruso. En agosto de 2019, un reactor explotou en Sarov, Rusia, nas costas do Mar Branco, que formaba parte dun motor de foguetes no mar Báltico. combustible líquido. Non se sabe se este desastre está relacionado co programa de investigación de propulsión nuclear ruso descrito anteriormente.

Sen dúbida, un elemento de rivalidade entre Estados Unidos e Rusia, e posiblemente China no terreo. uso da enerxía nuclear no espazo dá á investigación un forte impulso acelerado.