Jaderná energie ve vesmíru. Impulzy atomového zrychlení

Myšlenky využití jaderné energie k pohonu kosmických lodí a její využití v budoucích mimozemských základnách nebo osadách nejsou nové. V poslední době přicházejí v nové vlně, a jak se stávají polem velmocenského soupeření, jejich realizace se stává pravděpodobnější.

NASA a americké ministerstvo energetiky zahájily hledání mezi dealerskými společnostmi projekty jaderných elektráren na Měsíci a Marsu. To by mělo podpořit dlouhodobé výzkumné a možná i sídlištní projekty. Cílem NASA je mít ji připravenou ke startu do roku 2026. Závod musí být kompletně vyroben a smontován na Zemi a následně testován na bezpečnost.

Anthony CalominoŘekl to ředitel jaderné technologie NASA ve Space Technology Administration V plánu je vyvinout XNUMXkilowattový jaderný štěpný systém, který bude nakonec vypuštěn a umístěn na Měsíc. (jeden). Musí být integrován s lunárním přistávacím modulem a booster to vezme oběžné dráze měsíce. Nakladač poté vyneste systém na povrch.

Předpokládá se, že po příjezdu na místo bude ihned připraven k provozu, bez nutnosti dodatečné montáže či stavby. Operace je ukázkou možností a bude výchozím bodem pro použití řešení a derivátů v.

"Jakmile byla technologie ověřena během demonstrace, budoucí systémy mohou být škálovány nebo může být použito více zařízení společně pro dlouhodobé mise na Měsíc a možná i na Mars," vysvětlil Calomino na CNBC. „Čtyři jednotky, z nichž každá vyrábí 10 kilowattů elektřiny, poskytnou dostatek energie zřízení základny na Měsíci nebo Marsu.

Schopnost generovat velké množství elektřiny na povrchu planet pomocí pozemního štěpného systému umožní rozsáhlý výzkum, lidské základny a využití zdrojů in situ a zároveň umožní komercializaci.“

Jak to bude fungovat jaderná elektrárna? Mírně obohacená forma jaderné palivo síla vůle jaderné jádro... Malý nukleární reaktor bude generovat teplo, které se přenese do systému přeměny energie. Systém přeměny energie se bude skládat z motorů navržených pro provoz na teplo reaktoru spíše než na hořlavé palivo. Tyto motory využívají teplo, přeměňují ho na elektřinu, která je upravována a distribuována do uživatelského zařízení na povrchu Měsíce a Marsu. Způsob odvodu tepla je důležitý pro udržení správné provozní teploty zařízení.

Jaderná energie je nyní považována za jedinou rozumnou alternativu, kde solární energie, větrná a vodní energie nejsou snadno dostupné. Například na Marsu se síla slunce velmi liší podle ročních období a periodické prachové bouře mohou trvat měsíce.

Na Měsíci studený lunární noc trvá 14 dní, přičemž sluneční světlo se velmi mění v blízkosti pólů a chybí v trvale zastíněných kráterech. V takto obtížných podmínkách je získávání energie ze slunečního záření obtížné a zásoby paliva jsou omezené. Povrchová štěpná energie nabízí snadné, spolehlivé a efektivní řešení.

Na rozdíl od pozemní reaktorynení záměrem odstranit nebo vyměnit palivo. Na konci desetileté mise existuje také plán bezpečného vyřazení zařízení z provozu. „Na konci své životnosti bude systém vypnut a úroveň radiace bude postupně klesat na úroveň, která je bezpečná pro lidský přístup a provoz,“ vysvětlil Calomino. "Odpadní systémy lze přesunout na vzdálené úložiště, kde nebudou ohrožovat posádku ani životní prostředí."

Malý, lehký, ale účinný reaktor, po kterém je vysoká poptávka

Jak se vesmírný průzkum rozvíjí, už se nám to docela daří systémy na výrobu jaderné energie v malém měřítku. Takové systémy již dlouho pohánějí bezpilotní kosmické lodě, které cestují do vzdálených končin Sluneční soustavy.

V roce 2019 proletěla sonda New Horizons s jaderným pohonem nejvzdálenějším objektem, jaký byl kdy pozorován na blízko, Ultima Thule, daleko za Plutem v oblasti známé jako Kuiperův pás. Bez jaderné energie by to nedokázal. Sluneční energie není mimo oběžnou dráhu Marsu dostupná v dostatečné síle. Chemické zdroje nevydrží dlouho, protože jejich hustota energie je příliš nízká a jejich hmotnost je příliš velká.

Používá se při misích na dlouhé vzdálenosti radiotermální generátory (RTG) využívá izotop plutonia 238Pu, který je ideální pro generování trvalého tepla z přirozeného radioaktivního rozpadu emitováním alfa částic, které se následně přeměňují na elektřinu. Jeho poločas rozpadu 88 let znamená, že bude sloužit dlouhodobému poslání. RTG však nedokážou poskytnout vysoký specifický výkon potřebný pro dlouhé mise, masivnější lodě, nemluvě o mimozemských základnách.

Řešením například pro průzkumnou přítomnost a možná i osídlení Marsu nebo Měsíce by mohly být návrhy malých reaktorů, které NASA testuje již několik let. Tato zařízení jsou známá jako Projekt štěpné energie Kilopower (2), jsou navrženy pro dodávku elektrické energie od 1 do 10 kW a mohou být konfigurovány jako koordinované moduly pro pohon pohonných systémů nebo pro podporu výzkumu, těžby nebo kolonií na cizích vesmírných tělesech.

Jak víte, na hmotnosti ve vesmíru záleží. výkon reaktoru neměla by přesáhnout hmotnost průměrného vozidla. Jak víme například z nedávného pořadu Rakety SpaceX Falcon Heavyvypuštění auta do vesmíru v současnosti nepředstavuje technický problém. Lehké reaktory tak lze snadno umístit na oběžnou dráhu kolem Země i mimo ni.

2. Prototyp reaktoru XNUMX kilowatt KIlopower.

Raketa s reaktorem vzbuzuje naděje i obavy

Bývalý administrátor NASA Jim Bridenstine mnohokrát zdůraznil výhody jaderných tepelných motorůa dodal, že větší výkon na oběžné dráze by mohl potenciálně umožnit orbitálním plavidlům úspěšně se vyhnout v případě útoku protisatelitními zbraněmi.

Reaktory na oběžné dráze mohly by také pohánět výkonné vojenské lasery, o což mají americké úřady také velký zájem. Než však jaderný raketový motor uskuteční svůj první let, musí NASA změnit své zákony o získávání jaderných materiálů do vesmíru. Pokud je to pravda, pak by se podle plánu NASA měl v roce 2024 uskutečnit první let jaderného motoru.

Zdá se však, že USA nastartují své jaderné projekty, zvláště poté, co Rusko oznámilo desetiletý program výstavby civilní kosmické lodi s jaderným pohonem. Kdysi byli nesporným lídrem v oblasti vesmírných technologií.

V 60. letech měly Spojené státy projekt na pulzně pulzní jadernou střelu Orion, která měla být tak výkonná, aby umožňovala přesunout celá města do vesmírua dokonce provést pilotovaný let do Alfa Centauri. Všechny ty staré fantasy americké série jsou na poličce už od 70. let.

Je však čas oprášit starý koncept. jaderný motor ve vesmírupředevším proto, že konkurenti, v tomto případě především Rusko, projevují v poslední době o tuto technologii velký zájem. Jaderná termální raketa by mohla zkrátit dobu letu na Mars na polovinu, možná dokonce na XNUMX dní, což znamená, že astronauti spotřebují méně zdrojů a méně radiační zátěže posádky. Navíc, jak se zdá, nedojde k takové závislosti na „oknech“, tedy opakovaném přiblížení Marsu k Zemi každých pár let.

Existuje však riziko, které zahrnuje skutečnost, že palubní reaktor by byl dodatečným zdrojem radiace v situaci, kdy už vesmír s sebou nese obrovskou hrozbu tohoto charakteru. To není vše. Jaderný tepelný motor nemůže být vypuštěn v zemské atmosféře ze strachu z možného výbuchu a kontaminace. Ke startu jsou proto poskytovány normální rakety. Nevynecháme proto nejnákladnější etapu spojenou s vynesením hmoty na oběžnou dráhu ze Země.

Výzkumný projekt NASA tzv TREES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) je jedním z příkladů snah NASA o návrat k jadernému pohonu. V roce 2017, než se začalo mluvit o návratu k této technologii, NASA udělila společnosti BWX Technologies tříletý kontrakt v hodnotě 19 milionů dolarů na vývoj palivových komponent a reaktorů potřebných pro stavbu. jaderný motor. Jedním z nejnovějších konceptů vesmírného jaderného pohonu NASA je Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), u kterého se očekává, že bude využívat nový lehký moderátor reaktoru a pokročilé termoelektrické generátory (ATEG) k výraznému snížení celkové hmoty jádra.

To bude vyžadovat snížení provozní teploty a snížení celkové úrovně výkonu jádra. Snížená hmotnost však bude vyžadovat menší výkon pohonu, což povede k malé, levné elektrické kosmické lodi s jaderným pohonem.

3. Vizualizace sondy vyvinuté v rámci projektu Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatolij PerminovOznámil to šéf Federální kosmické agentury Ruska. vyvine kosmickou loď s jaderným pohonem pro cesty do hlubokého vesmíru, nabízející svůj vlastní, originální přístup. Předběžný návrh byl dokončen do roku 2013 a na dalších 9 let je plánován vývoj. Tento systém by měl být kombinací výroby jaderné energie se systémem iontového pohonu. Horký plyn o teplotě 1500 °C z reaktoru by měl roztočit turbínu, která roztáčí generátor, který vyrábí elektřinu pro iontový motor.

Podle Perminova, pohon bude schopen podporovat pilotovanou misi na Marsa astronauti mohli díky jaderné energii zůstat na rudé planetě 30 dní. Celkově by let na Mars s jaderným motorem a konstantním zrychlováním trval šest týdnů místo osmi měsíců, za předpokladu tahu 300krát většího než u chemického motoru.

V ruském programu však není vše tak hladké. V srpnu 2019 vybuchl v ruském Sarově na břehu Bílého moře reaktor, který byl součástí raketového motoru v Baltském moři. kapalné palivo. Není známo, zda tato katastrofa souvisí s výše popsaným ruským výzkumným programem jaderného pohonu.

Nepochybně však prvek rivality mezi Spojenými státy a Ruskem a možná i Čínou na místě využití jaderné energie ve vesmíru dává výzkumu silný akcelerační impuls.