Energia nuclear a l'espai. Impulsos d'acceleració atòmica

La idea d'utilitzar l'energia nuclear per impulsar naus espacials i utilitzar-la en futures bases o assentaments extraterrestres no és nova. Recentment, han arribat a una nova onada i, a mesura que es converteixen en un camp de gran rivalitat de poders, la seva implementació és més probable.

La NASA i el Departament d'Energia dels Estats Units van iniciar una recerca entre les empreses distribuïdores projectes de centrals nuclears a la Lluna i Mart. Això hauria de donar suport a la investigació a llarg termini i potser fins i tot a projectes d'assentament. L'objectiu de la NASA és tenir-lo llest per al llançament el 2026. La planta s'ha de fabricar i muntar completament a la Terra i després provar-ne la seguretat.

Antoni Calomino, el director de tecnologia nuclear de la NASA a l'Administració de Tecnologia Espacial, va dir això El pla és desenvolupar un sistema de fissió nuclear de XNUMX quilowatts que finalment serà llançat i col·locat a la Lluna. (un). S'ha d'integrar amb l'aterratge lunar i el reforç l'hi portarà òrbita de la lluna. Carregador després traieu el sistema a la superfície.

S'espera que en arribar al lloc estigui immediatament a punt per funcionar, sense necessitat de muntatge o construcció addicional. L'operació és una demostració de les possibilitats i serà el punt de partida per utilitzar la solució i les seves derivades.

"Una vegada que la tecnologia s'ha validat durant una demostració, els sistemes futurs es poden ampliar o es poden utilitzar diversos dispositius junts per a missions a llarg termini a la Lluna i possiblement a Mart", va explicar Calomino a CNBC. "Quatre unitats, cadascuna de les quals produeix 10 quilowatts d'electricitat, proporcionaran prou energia establir un lloc avançat a la Lluna o a Mart.

La capacitat de generar grans quantitats d'electricitat a la superfície dels planetes mitjançant un sistema de fissió terrestre permetrà la investigació a gran escala, els llocs avançats humans i l'ús de recursos in situ, alhora que permetrà la possibilitat de comercialització".

Com funcionarà central nuclear? Forma lleugerament enriquida combustible nuclear el poder nucli nuclear... Petit Reactor nuclear generarà calor, que es transferirà al sistema de conversió d'energia. El sistema de conversió de potència consistirà en motors dissenyats per funcionar amb calor del reactor en lloc de combustible combustible. Aquests motors utilitzen calor, la converteixen en electricitat, que es condiciona i es distribueix als equips dels usuaris a la superfície de la Lluna i Mart. El mètode de dissipació de calor és important per mantenir la temperatura de funcionament adequada dels dispositius.

Energia nuclear ara es considera com l'única alternativa raonable on energia solar, eòlica i hidroelèctrica no estan fàcilment disponibles. A Mart, per exemple, la força del sol varia molt amb les estacions, i les tempestes de pols periòdiques poden durar mesos.

A la lluna fred lunar la nit dura 14 dies, amb la llum solar molt variable a prop dels pols i absent dels cràters permanentment ombrejats. En condicions tan difícils, obtenir energia de la llum solar és difícil i els subministraments de combustible són limitats. L'energia de fissió superficial ofereix una solució fàcil, fiable i eficient.

A diferència reactors terrestresno hi ha intenció de treure o substituir el combustible. Al final de la missió de 10 anys, també hi ha un pla per al desmantellament segur de la instal·lació. "Al final de la seva vida útil, el sistema s'apagarà i el nivell de radiació disminuirà gradualment fins a un nivell segur per a l'accés i el funcionament humà", va explicar Calomino. "Els sistemes de residus es poden traslladar a un lloc d'emmagatzematge remot on no posaran en perill la tripulació ni el medi ambient".

Reactor petit, lleuger, però eficient, de gran demanda

A mesura que es desenvolupa l'exploració espacial, ja ho estem fent força bé sistemes de generació d'energia nuclear a petita escala. Aquests sistemes han alimentat naus espacials no tripulades durant molt de temps que viatgen als confins més llunyans del sistema solar.

El 2019, la nau espacial New Horizons de propulsió nuclear va volar a través de l'objecte més llunyà que s'hagi vist mai a poca distància, Ultima Thule, molt més enllà de Plutó en una regió coneguda com el cinturó de Kuiper. No ho hauria pogut fer sense l'energia nuclear. L'energia solar no està disponible amb prou força fora de l'òrbita de Mart. Les fonts químiques duren poc perquè la seva densitat energètica és massa baixa i la seva massa és massa gran.

S'utilitza en missions de llarg abast generadors radiotèrmics (RTG) utilitza l'isòtop de plutoni 238Pu, que és ideal per generar calor permanent a partir de la desintegració radioactiva natural mitjançant l'emissió de partícules alfa, que després es converteixen en electricitat. La seva vida mitjana de 88 anys significa que complirà una missió a llarg termini. Tanmateix, els RTG no poden proporcionar l'alta potència específica necessària per a missions llargues, naus més massives, per no parlar de bases extraterrestres.

Una solució, per exemple, per a una presència exploratòria i possiblement un assentament a Mart o a la Lluna podrien ser els dissenys de petits reactors que la NASA ha estat provant des de fa uns quants anys. Aquests dispositius es coneixen com Projecte d'energia de fissió Kilopower (2), estan dissenyats per subministrar energia elèctrica d'1 a 10 kW i es poden configurar com a mòduls coordinats per alimentar sistemes de propulsió o per donar suport a la investigació, mineria o colònies en cossos espacials alienígenes.

Com sabeu, la massa importa a l'espai. potència del reactor no ha de superar el pes d'un vehicle mitjà. Com sabem, per exemple, per un espectacle recent Coets SpaceX Falcon Heavyllançar un cotxe a l'espai actualment no és un problema tècnic. Així, els reactors lleugers es poden col·locar fàcilment en òrbita al voltant de la Terra i més enllà.

2. Prototip de reactor de XNUMX kilowatts KIlopower.

El coet amb reactor genera esperances i pors

Antic administrador de la NASA Jim Bridenstine ha subratllat moltes vegades avantatges dels motors tèrmics nuclears, afegint que més potència en òrbita podria permetre que les embarcacions en òrbita puguin evadir amb èxit en cas d'atac d'armes antisatèl·lit.

Reactors en òrbita també podrien alimentar potents làsers militars, cosa que també és de gran interès per a les autoritats nord-americanes. Tanmateix, abans que un motor de coet nuclear faci el seu primer vol, la NASA ha de canviar les seves lleis sobre l'entrada de materials nuclears a l'espai. Si això és cert, aleshores, segons el pla de la NASA, el primer vol d'un motor nuclear hauria de tenir lloc el 2024.

Tanmateix, sembla que els EUA estan impulsant els seus projectes nuclears, sobretot després que Rússia anunciés un programa d'una dècada per construir una nau espacial civil amb propulsió nuclear. Van ser una vegada el líder indiscutible en tecnologia espacial.

A la dècada dels 60, els Estats Units tenien un projecte per al míssil nuclear d'Orion, que se suposava que era tan potent que podria permetre traslladant ciutats senceres a l'espaii fins i tot fer un vol tripulat a Alpha Centauri. Totes aquestes antigues sèries americanes fantàstiques estan a la prestatgeria des dels anys 70.

Tanmateix, és hora de treure la pols del vell concepte. motor nuclear a l'espaisobretot perquè els competidors, en aquest cas principalment Rússia, han mostrat recentment un gran interès per aquesta tecnologia. Un coet tèrmic nuclear podria reduir el temps de vol a Mart a la meitat, potser fins i tot a cent dies, la qual cosa significa que els astronautes consumeixen menys recursos i menys càrrega de radiació a la tripulació. A més, com sembla, no hi haurà aquesta dependència de les "finestres", és a dir, l'aproximació repetida de Mart a la Terra cada pocs anys.

Tanmateix, hi ha un risc, que inclou el fet que el reactor de bord seria una font addicional de radiació en una situació en què l'espai ja comporta una gran amenaça d'aquesta naturalesa. Això no és tot. Motor tèrmic nuclear no es pot llançar a l'atmosfera terrestre per por d'una possible explosió i contaminació. Per tant, es proporcionen coets normals per al llançament. Per tant, no ens saltem l'etapa més costosa associada amb el llançament de massa a l'òrbita des de la Terra.

Projecte d'investigació de la NASA anomenat ARBRES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) és un exemple dels esforços de la NASA per tornar a la propulsió nuclear. El 2017, abans que es parlés del retorn a la tecnologia, la NASA va atorgar a BWX Technologies un contracte de tres anys i 19 milions de dòlars per desenvolupar els components de combustible i els reactors necessaris per a la construcció. motor nuclear. Un dels nous conceptes de propulsió nuclear espacial de la NASA és el reactor Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), que s'espera que utilitzi un nou moderador de reactors lleugers i generadors termoelèctrics avançats (ATEG) per reduir significativament la massa total del nucli.

Això requerirà baixar la temperatura de funcionament i reduir el nivell de potència general del nucli. Tanmateix, la massa reduïda requerirà menys potència de propulsió, donant lloc a una nau espacial elèctrica petita i econòmica.

3. Visualització de la sonda desenvolupada dins del projecte Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoli PerminovAixí ho va anunciar el cap de l'Agència Espacial Federal de Rússia. desenvoluparà una nau espacial de propulsió nuclear per viatjar a l'espai profund, oferint un enfocament propi i original. El disseny preliminar es va completar el 2013 i es preveu el desenvolupament dels propers 9 anys. Aquest sistema hauria de ser una combinació de generació d'energia nuclear amb un sistema de propulsió iònica. El gas calent a 1500 °C del reactor hauria de fer girar una turbina que fa girar un generador que genera electricitat per al motor iònic.

Segons Perminov, la unitat serà capaç de donar suport a una missió tripulada a Marti els astronautes podrien romandre al Planeta Roig durant 30 dies gràcies a l'energia nuclear. En total, un vol a Mart amb un motor nuclear i acceleració constant trigaria sis setmanes en lloc de vuit mesos, suposant una empenta 300 vegades més gran que la d'un motor químic.

Tanmateix, no tot és tan fluid al programa rus. L'agost de 2019, un reactor va explotar a Sarov, Rússia, a la vora del mar Blanc, que formava part d'un motor de coet al mar Bàltic. combustible líquid. No se sap si aquest desastre està relacionat amb el programa d'investigació de propulsió nuclear rus descrit anteriorment.

Sens dubte, però, un element de rivalitat entre els Estats Units i Rússia, i possiblement la Xina sobre el terreny. ús de l'energia nuclear a l'espai dóna un fort impuls a la recerca.