Tuumaenergia kosmoses. Aatomikiirenduse impulsid

Idee kasutada tuumaenergiat kosmoselaevade liikumapanemiseks ja selle kasutamiseks tulevastes maavälistes baasides või asulates ei ole uus. Viimasel ajal on need tulnud uue lainega ja kuna neist saab suurriikide rivaalitsemise valdkond, muutub nende rakendamine tõenäolisemaks.

NASA ja USA energeetikaministeerium alustasid otsinguid edasimüüjate seas Kuu ja Marsi tuumaelektrijaamade projektid. See peaks toetama pikaajalisi uuringuid ja võib-olla isegi lahendusprojekte. NASA eesmärk on saada see stardivalmis 2026. aastaks. Jaam peab olema täielikult valmistatud ja Maa peal kokku pandud ning seejärel ohutuse tagamiseks testitud.

Anthony Calomino, ütles NASA tuumatehnoloogia direktor kosmosetehnoloogia administratsioonis Plaan on välja töötada XNUMX-kilovatine tuumalõhustumissüsteem, mis lõpuks käivitatakse ja paigutatakse Kuule. (üks). See peab olema integreeritud Kuu maanduriga ja võimendi viib selle kohale kuu orbiit. Laadur seejärel tuua süsteem pinnale.

Eeldatakse, et objektile jõudes on see koheselt töövalmis, ilma et oleks vaja täiendavat kokkupanekut või ehitamist. Operatsioon demonstreerib võimalusi ja on lahenduse ja selle tuletiste kasutamise lähtepunkt.

"Kui tehnoloogia on demonstratsiooni käigus kinnitatud, saab tulevasi süsteeme suurendada või kasutada mitut seadet koos pikaajalisteks missioonideks Kuule ja võib-olla ka Marsile," selgitas Calomino CNBC-s. "Neli seadet, millest igaüks toodab 10 kilovatti elektrit, annavad piisavalt võimsust eelposti püstitamine Kuule või Marsile.

Võimalus toota planeetide pinnal suures koguses elektrit, kasutades maapealset lõhustumissüsteemi, võimaldab ulatuslikke uuringuid, inimeste eelposte ja ressursside kasutamist kohapeal, võimaldades samal ajal kommertsialiseerimise võimalust.

Kuidas see toimima hakkab tuumajaam? Veidi rikastatud vorm tuumakütus tahab võimu tuuma tuum. Väike tuumareaktor see toodab soojust, mis kantakse üle energia muundamise süsteemi. Energia muundamise süsteem koosneb mootoritest, mis on mõeldud töötama pigem reaktori soojuse kui põleva kütusega. Need mootorid kasutavad soojust, muudavad selle elektriks, mis konditsioneeritakse ja jaotatakse Kuu ja Marsi pinnal asuvatele kasutajaseadmetele. Soojuse hajutamise meetod on oluline seadmete õige töötemperatuuri säilitamiseks.

Tuumaenergia peetakse praegu ainsaks mõistlikuks alternatiiviks päikeseenergia, tuule- ja hüdroenergiat ei ole kergesti kättesaadavad. Näiteks Marsil on päikese tugevus aastaaegade lõikes väga erinev ja perioodilised tolmutormid võivad kesta kuid.

Kuu peal külm kuu öö kestab 14 päeva, päikesevalgus on pooluste lähedal väga erinev ja püsivalt varjutatud kraatritest puudub. Sellistes keerulistes tingimustes on päikesevalgusest energia saamine keeruline ja kütusevarud on piiratud. Pinna lõhustumise energia pakub lihtsat, usaldusväärset ja tõhusat lahendust.

Erinevalt maapealsed reaktoridkütust ei kavatseta eemaldada ega asendada. 10-aastase missiooni lõpuks on olemas ka plaan rajatise ohutuks dekomisjoneerimiseks. "Kasutusaja lõpus lülitatakse süsteem välja ja kiirgustase langeb järk-järgult tasemele, mis on inimestele ligipääsetav ja töötamiseks ohutu," selgitas Calomino. "Jäätmesüsteemid saab viia kaugemasse hoiukohta, kus need ei ohusta meeskonda ega keskkonda."

Väike, kerge, kuid tõhus reaktor, millel on suur nõudlus

Kosmoseuuringute arenedes läheb meil sellega juba päris hästi tuumaenergia tootmissüsteemid väikeses mahus. Sellised süsteemid on pikka aega toidavad mehitamata kosmoselaevu, mis liiguvad Päikesesüsteemi kaugele.

2019. aastal lendas tuumajõul töötav New Horizonsi kosmoseaparaat läbi kõige kaugema objekti, mida kunagi lähedalt nähtud, Ultima Thule, mis asub kaugel Pluutost Kuiperi vööna tuntud piirkonnas. Ta poleks saanud hakkama ilma tuumaenergiata. Päikeseenergia pole väljaspool Marsi orbiiti piisava tugevusega saadaval. Keemilised allikad ei kesta kaua, sest nende energiatihedus on liiga madal ja mass liiga suur.

Kasutatakse pikamaa missioonidel radiotermilised generaatorid (RTG) kasutab plutooniumi isotoopi 238Pu, mis on ideaalne looduslikust radioaktiivsest lagunemisest püsiva soojuse tekitamiseks, eraldades alfaosakesi, mis seejärel muudetakse elektriks. Selle 88-aastane poolestusaeg tähendab, et see teenib pikaajalist missiooni. RTG-d ei suuda aga pakkuda pikkadeks missioonideks vajalikku suurt erivõimsust, massiivsemaid laevu, rääkimata maavälistest baasidest.

Lahenduseks näiteks uurimuslikuks kohalolekuks ja võib-olla ka asulaks Marsil või Kuule võiks olla väikesed reaktoriprojektid, mida NASA on juba mitu aastat katsetanud. Neid seadmeid tuntakse kui Kilopoweri lõhustumisenergia projekt (2) on ette nähtud 1–10 kW elektrienergia varustamiseks ja neid saab konfigureerida koordineeritud moodulitena tõukejõusüsteemidele või tulnukate kosmosekehade uurimise, kaevandamise või kolooniate toetamiseks.

Nagu teate, on mass kosmoses oluline. reaktori võimsus see ei tohiks ületada keskmise sõiduki massi. Nagu teame näiteks ühest hiljutisest saatest SpaceX Falcon rasked raketidauto kosmosesse saatmine ei ole praegu tehniline probleem. Seega saab kergeid reaktoreid hõlpsasti Maa ümber ja kaugemalgi orbiidile asetada.

2. XNUMX kilovatine KIlopower reaktori prototüüp.

Reaktoriga rakett tekitab lootusi ja hirme

Endine NASA administraator Jim Bridenstine rõhutas ta mitu korda tuumasoojusmootorite eelised, lisades, et suurem võimsus orbiidil võib potentsiaalselt võimaldada orbiidil olevatel laevadel edukalt kõrvale hiilida, kui neid rünnatakse satelliiditõrjerelvadega.

Reaktorid orbiidil need võiksid toita ka võimsaid sõjalisi lasereid, mis pakub samuti USA võimudele suurt huvi. Enne tuumaraketimootori esimest lendu peab NASA aga muutma oma seadusi tuumamaterjalide kosmosesse viimise kohta. Kui see on tõsi, siis NASA plaani järgi peaks tuumamootori esimene lend toimuma 2024. aastal.

Siiski näib USA oma tuumaprojektidega hoogu laskvat, eriti pärast seda, kui Venemaa teatas kümne aasta pikkusest programmist tuumajõul töötava tsiviilkosmoselaeva ehitamiseks. Nad olid kunagi kosmosetehnoloogia vaieldamatu liider.

60ndatel oli USA-l projekt impulss-impulss-tuumaraketi Orion jaoks, mis pidi olema nii võimas, et võimaldaks tervete linnade viimine kosmosesseja isegi sooritada mehitatud lend Alpha Centaurisse. Kõik need vanad Ameerika fantaasiasarjad on riiulil olnud 70ndatest saadik.

Siiski on aeg vana kontseptsioon tolm pühkida. tuumamootor kosmosespeamiselt seetõttu, et konkurendid, antud juhul peamiselt Venemaa, on viimasel ajal selle tehnoloogia vastu suurt huvi üles näidanud. Tuumasoojusrakett võib lühendada lennuaega Marsile poole võrra, võib-olla isegi saja päevani, mis tähendab, et astronaudid tarbivad vähem ressursse ja vähem kiirguskoormust meeskonnale. Lisaks, nagu näib, ei teki sellist sõltuvust "akendest", see tähendab Marsi korduvast lähenemisest Maale iga paari aasta tagant.

Siiski on oht, mis hõlmab tõsiasja, et pardareaktor oleks täiendav kiirgusallikas olukorras, kus kosmosel on juba niigi tohutult seda laadi oht. See pole veel kõik. Tuumasoojusmootor võimaliku plahvatuse ja saastumise kartuses ei saa seda Maa atmosfääri käivitada. Seetõttu on startimiseks ette nähtud tavalised raketid. Seetõttu ei jäta me vahele kõige kulukamat etappi, mis on seotud massi Maalt orbiidile saatmisega.

NASA uurimisprojekt nimega RIIKID (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) on üks näide NASA jõupingutustest jõuda tagasi tuumajõule. 2017. aastal, enne kui hakati rääkima tehnoloogia juurde naasmisest, sõlmis NASA BWX Technologiesiga kolmeaastase 19 miljoni dollari suuruse lepingu ehituseks vajalike kütusekomponentide ja reaktorite arendamiseks. tuumamootor. Üks NASA uusimaid kosmose tuumajõuseadme kontseptsioone on Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), mis peaks kasutama uut kergreaktori moderaatorit ja täiustatud termoelektrilisi generaatoreid (ATEG-id), et oluliselt vähendada südamiku üldist massi.

Selleks on vaja alandada töötemperatuuri ja vähendada südamiku üldist võimsustaset. Vähendatud mass vajaks aga väiksemat tõukejõudu, mille tulemuseks oleks väike, odav tuumajõul töötav elektriline kosmoselaev.

3. Swarm-Probe Enabling ATEG Reactori projekti raames välja töötatud sondi visualiseerimine.

Anatoli PerminovSellest teatas Venemaa Föderaalse Kosmoseagentuuri juht. arendab süvakosmose reisimiseks tuumajõul töötavat kosmoselaeva, pakkudes oma originaalset lähenemist. Eelprojekt valmis 2013. aastaks ning arenduseks on planeeritud järgmised 9 aastat. See süsteem peaks olema kombinatsioon tuumaenergia tootmisest ioonjõusüsteemiga. Reaktorist 1500°C kuum gaas peaks pöörama turbiini, mis keerab generaatori, mis toodab ioonmootorile elektrit.

Perminovi sõnul sõit suudab toetada mehitatud missiooni Marsileja astronaudid võiksid tänu tuumaenergiale viibida Punasel planeedil 30 päeva. Kokku võtaks tuumamootori ja pideva kiirendusega lend Marsile kaheksa kuu asemel kuus nädalat, eeldades, et tõukejõud on keemiamootori omast 300 korda suurem.

Vene programmis pole aga kõik nii sujuv. 2019. aasta augustis plahvatas Venemaal Sarovis Valge mere kaldal reaktor, mis oli osa Läänemerel asuvast rakettmootorist. vedelkütus. Pole teada, kas see katastroof on seotud ülalkirjeldatud Venemaa tuumajõuseadmete uurimisprogrammiga.

Kahtlemata on see aga rivaalitsemise element USA ja Venemaa ning võib-olla ka Hiina vahel. tuumaenergia kasutamine kosmoses annab uurimistööle tugeva kiirendava tõuke.