Tuumajõul töötav kosmoselaev: miks unistused aatomirakettidest taas käivad – füüsikamaailm

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Aatomipommidega rakettide kosmosesse saatmine on hull idee, mis õnneks aastakümneid tagasi kõrvale heideti. Aga Richard Corfield avastab, et tuumamootoritest saadava energia kasutamise potentsiaal kosmosereiside juhtimiseks on taas NASA päevakorras

Tuumajõul töötava DRACO raketi kujutis kosmosesse suundumas — **Läheb tuumaenergiasse** Ameerika rakett DRACO kasutab selle kosmosesse viimiseks tuumalõhustumisreaktori soojust. (Viisakalt: Lockheed Martin)

1914. aastal avaldas HG Wells Maailm sai vabaks, romaan, mis põhineb arusaamal, et raadium võib ühel päeval toita kosmoselaevu. Wells, kes oli tuttav füüsikute, näiteks Ernest Rutherfordi tööga, teadis, et raadium võib toota soojust, ja nägi ette, et seda kasutatakse turbiini pööramiseks. Raamat võis olla ilukirjandus, aga Maailm sai vabaks nägi õigesti ette potentsiaali, mida võiks nimetada "aatomikosmoselaevadeks".

Idee kasutada tuumaenergiat kosmosereisidel sai alguse 1950. aastatel, kui avalikkus – olles tunnistajaks Hiroshima ja Nagasaki õudustele – sai järk-järgult veendumuse tuumaenergia kasulikkusest rahumeelsetel eesmärkidel. Tänu sellistele programmidele nagu Ameerika Aatomid rahu eest, hakkasid inimesed nägema, et tuumaenergiat saab kasutada energia ja transpordi jaoks. Kuid võib-olla oli kõige radikaalsem rakendus kosmoselendudes.

Tuumajõul töötavate kosmosereiside tugevaimate pooldajate hulgas oli väljapaistev matemaatikafüüsik Freeman Dyson. 1958. aastal sai ta aastaseks puhkuseks Princetoni kõrgkoolide instituudis, et töötada San Diegos asuvas General Atomicsis projekti koodnimega Orion kallal. Las Alamoses Manhattani aatomipommi projekti kallal töötanud füüsiku Ted Taylori vaimusünnitus. Projekt Orion eesmärk oli ehitada 4000-tonnine kosmoselaev, mis kasutaks selle kosmosesse viimiseks 2600 tuumapommi.

Aatomipommide viskamine kosmoselaeva tagaosast kõlab keskkondlikel põhjustel hullumeelselt, kuid Dyson arvutas, et selle meetodiga haigestub vähki "ainult" 0.1–1 ameeriklast. Projekti toetas isegi raketiekspert Wernher von Braun, ja viidi läbi rida mittetuumakatselende. Õnneks, 1963. aasta osalise katsekeelu leping tegi Orioni projektile lõpu ja Dyson ise loobus hiljem oma toetusest aatomikosmoselaevadele, olles hilinenult tunnistanud nende keskkonnaohte.

Vaatamata Orioni projekti lõppemisele, ei kadunud tuumajõu ahvatlus kunagi (vt kasti "Tuumareisid kosmosereisid: lühike ajalugu") ja naudib nüüd taaselustamist. Aatomipommide kasutamise asemel on aga mõte tuumalõhustumisreaktorist saadav energia üle kanda raketikütusele, mis kuumutatakse ligikaudu 2500 K-ni ja väljutatakse düüsi kaudu protsessis, mida nimetatakse "tuumasoojusjõuks" (NTP). . Teise võimalusena võib lõhustumise energia ioniseerida gaasi, mis lastakse välja kosmoseaparaadi tagaosast – nn tuumaelektrijõuna (NEP).

Niisiis, kas tuumajõul töötavad kosmosereisid on realistlikud ja kui jah, siis milline tehnoloogia võidab?

Tuuma kosmosereisid: lühike ajalugu

Illustratsioon kahest füüsikust, kes kujutavad ette tuumaenergia kasutamist rakettide liikuma panemiseks — **Hullud unenäod** Füüsikud Ted Taylor ja Freeman Dyson kujutasid ette tuumapommide kasutamist kosmoselaeva orbiidile tulistamiseks. (Visalusega: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

Tuumajõul töötavate kosmoselendude idee pärineb 1950. aastatest, kui füüsik Freeman Dyson tegi ettepaneku kasutada rakettide kosmosesse viimiseks aatomipomme. Sellest arusaamast loobuti õnneks ja kiiresti, kuid 1960. ja 1970. aastatel juhtisid NASA ja USA aatomienergia komisjon Tuumamootor rakettsõidukite kasutamiseks (NERVA) programmi, mille eesmärk oli kasutada lõhustumisreaktsioonist saadavat soojust raketi kosmosesse viimiseks. Ehkki tuumamissiooni kunagi ei käivitatud, tõi NERVA kaasa mitmeid edusamme reaktori projekteerimise, valmistamise, turbomasinate ja elektroonika vallas.

Hiljem, 1980. aastatel, asutas USA 200 miljoni dollari suuruse Kosmose tuumaenergia termiline tõukejõud (SNTP) programmi, mille eesmärk oli arendada tuumajõul töötavaid rakette, mis oleksid kaks korda võimsamad kui traditsioonilised keemiarakettmootorid. SNTP oli osa USA strateegilisest kaitsealgatusest, mille president Ronald Reagan oli loonud, et kaitsta Ameerikat saabuvate tuumarakettide eest. SNTP-st loobuti 1990. aastate alguses, kuna kütuseelemendid kippusid pinge all purunema ja tõukejõusüsteemi testimist peeti liiga kulukaks. Nüüd aga vaatab NASA taas tuumareiside poole (vt põhiteksti).

Tuumavõimendus

Enamik tavalisi rakette töötavad tavalise keemilise kütusega. The Saturn V rakett 1960. aastate lõpus ja 1970. aastate alguses astronaudid Kuule viinud kasutasid näiteks vedelkütust, samas kui raketivõimendid, mis kosmosesüstiku startimisel nii suurejooneliselt üles kukkusid. Väljakutsuja 1986. aastal sisaldas tahket kütust.

Viimasel ajal, Space X Falconi raketidnäiteks on kasutanud petrooleumi ja hapniku segu. Probleem on selles, et kõigil sellistel raketikütustel on suhteliselt väike "energiatihedus" (mahuühiku kohta salvestatud energia) ja madal "spetsiifiline impulss" (tõhusus, millega nad suudavad tekitada tõukejõudu). See tähendab, et raketi üldine tõukejõud – eriimpulss korrutatuna heitgaasi massivoolukiiruse ja Maa gravitatsiooniga – on madal.

Keemilised raketikütused võivad seega viia teid ainult nii kaugele, kuna Kuu on traditsiooniline piir. Kaugetele planeetidele ja muudele süvakosmose sihtkohtadele jõudmiseks kasutavad kosmoseaparaadid tavaliselt mitme erineva planeedi gravitatsioonijõudu. Sellised reisid on aga tiirulised ja võtavad kaua aega. Vaja oli näiteks NASA Juno missiooni viis aastat Jupiterile jõudmiseks, samas kui Voyageri laeval kulus sinna jõudmiseks rohkem kui 30 aastat päikesesüsteemi äär. Selliseid missioone piiravad ka kitsad ja harvad käivitusaknad.

Tuumakosmoselaev kasutaks selle asemel kütuse soojendamiseks lõhustumisenergiat (joonis 1) – tõenäoliselt krüogeenselt salvestatud vedelat vesinikku, millel on madal molekulmass ja kõrge põlemissoojus. "Tuumatõukejõud, nii elektriline kui ka termiline, võib eraldada antud kütusemassist rohkem energiat, kui on võimalik põlemisel põhineva tõukejõu abil," ütleb Dale Thomas, endine NASA Marshalli kosmoselennukeskuse asedirektor, nüüd Huntsville'i Alabama ülikoolis.

1 Tuumajõul töötava kosmoselaeva sees

Skemaatiline diagramm, mis näitab tuumasoojusraketi komponente — (Viisakalt: NASA)

Tuumatermilist tõukejõudu kasutavas raketis kuumutatakse töövedelik, tavaliselt vedel vesinik, tuumareaktoris kõrgele temperatuurile ja paisub seejärel läbi düüsi, et tekitada tõukejõudu. Suuremat efektiivset väljalaskekiirust pakkudes suurendaks selline rakett kahe- või kolmekordse kandevõimet võrreldes keemiliste raketikütustega, mis salvestavad energiat sisemiselt.

Thomas ütleb, et tänapäeva kõige tõhusamad keemilised tõukejõusüsteemid suudavad saavutada a spetsiifiline impulss umbes 465 sekundit. Seevastu NTP-l võib tuumareaktsioonide suurema võimsustiheduse tõttu olla peaaegu 900-sekundiline spetsiifiline impulss. Koos palju suurema tõukejõu ja kaalu suhtega võib NTP saada raketi Marsile vaid 500 päevaga, mitte 900 päevaga.

"Tõukejõu ja kaalu suhe on otsustava tähtsusega, kuna see määrab kosmoselaeva kiirendusvõime, mis on eriti oluline missiooni põhifaasides, nagu Maa gravitatsiooni eest põgenemine või süvakosmoses manööverdamine," ütleb ta. Mauro Augelli, Ühendkuningriigi kosmoseagentuuri stardisüsteemide juht. "Spetsiifiline impulss seevastu näitab, kui tõhusalt rakett oma raketikütust kasutab."

Tuumatõukejõuga, nii elektri- kui ka soojusenergiaga, saaks antud kütusemassist eraldada rohkem energiat, kui on võimalik põlemisel põhineva tõukejõu abil

Dale Thomas, Huntsville'i Alabama ülikool

Põhimõtteliselt võiks tuumajõul töötav kosmoselaev teatud koguse raketikütuse korral liikuda kiiremini ja säilitada oma tõukejõudu kauem kui keemiarakett. Seetõttu sobiks see suurepäraselt meeskonnaga Marsile tehtavateks missioonideks – astronautidel poleks mitte ainult kiirem teekond, vaid selle tulemusel puutuksid nad kokku vähema kosmilise kiirgusega. "Lisaks vähendab lühem missiooni kestus logistilisi ja elu toetavaid väljakutseid, muutes süvakosmose uurimise teostatavamaks ja ohutumaks," lisab Augelli.

Kuid tuumaenergia ei tähenda ainult reisiaegade lühendamist. NASA-l on ka a pühendatud programm selle Glenni uurimiskeskus Ohio osariigis Clevelandis kasutada kosmoselaevade toiteks tuumaenergia lõhustumist – mitte päikeseenergiat või keemilisi kütuseid –, kui need on sihtkohta jõudnud. "Tuumaenergia pakub ainulaadseid eeliseid töötamiseks äärmuslikes keskkondades ja kosmosepiirkondades, kus päikese- ja keemiasüsteemid on kas ebapiisavad või võimatud pikaajaliseks tööks toiteallikana," ütleb programmijuht. Lindsay Kaldon.

Tagasi tegevusse

2020. aastal võttis USA valitsus tuumakosmoselaevad kindlalt päevakorda tagasi annab peaaegu 100 miljonit dollarit kolmele ettevõttele – General Atomics, Lockheed Martin ja Blue Origin. Nad kasutavad raha selle kallal töötamiseks Näidisrakett Agile Cislunari operatsioonide jaoks (DRACO) programmi, mida rahastatakse DARPA USA kaitseministeeriumi uurimisagentuur. Esimeses faasis, püüavad ettevõtted näidata, et NTP-d saab kasutada raketi lendamiseks madalal maakera orbiidil, kusjuures DARPA eesmärk on saavutada olemasolevate keemiliste raketisüsteemidega võrdne tõukejõu ja kaalu suhe.

Lõhustumispinna jõusüsteem — **Energia nõudmisel** Selline lõhustuva pinnaenergia süsteem võib pakkuda Kuul ja Marsil ohutut, tõhusat ja usaldusväärset elektrienergiat. (Viisakalt: NASA)

Tabitha Dodson, DRACO DARPA programmijuht, arvab, et tuumakosmosereaktori edukas käivitamine ja lend DRACO programmi abil muudaks kosmoselennud pöörde. "Erinevalt tänapäevastest keemilistest süsteemidest, mis on jõudnud piirini, kui kaugele nad võivad areneda, arenevad tuumatehnoloogiad teoreetiliselt sellisteks süsteemideks nagu termotuumasünteesi ja kaugemalgi," ütleb ta. "Kosmoseaparaadid, mis on arenenud manööverdamiseks ja tuumareaktorite toiteallikaks, võimaldavad inimkonnal minna kaugemale ning mis tahes tüüpi missioonide puhul on suurem võimalus ellu jääda ja edu saavutada."

DRACO programmi raames kavandab General Atomics NTP reaktorit ja koostab tõukejõu alamsüsteemi kavandi, Blue Origin ja Lockheed Martin aga kavandavad kosmoselaeva ise. Lõhustumisreaktor kasutaks spetsiaalset kõrge analüüsiga madala rikastatud uraan (HALEU), mille valmistamiseks saab kasutada olemasolevatest tuumareaktoritest ringlussevõetud kütust. Sisaldab vaid 20% rikastatud uraani, ei sobi see tuumarelvadeks muutmiseks.

Reaktorit ei lülitatud sisse (st kriitiliseks) enne, kui veesõiduk on jõudnud "tuumaohutu" orbiidile. Ebatõenäolise hädaolukorra korral hajub igasugune saaste teisisõnu kahjutult kosmosesse. Lockheed Martin on juba oma jõud ühendanud BWX Technologies Virginia osariigis Lynchburgis reaktori arendamiseks ja HALEU kütuse tootmiseks. BWX ütleb, et DRACO rakett võib startida niipea kui 2027.

Õhku hingavad rakettmootorid: kosmoselendude tulevik

Mujal Idaho riikliku labori teadlased USA-s aitavad NASA-l välja töötada ja katsetada tuumaraketi jaoks vajalikke materjale Mööduva reaktori test (TREAT) rajatis Idaho Fallsi lähedal. Nad viisid juba eelmisel aastal läbi praktika, et valideerida arvutimudeleid ning testida uut andurit ja katsekapslit. Pikemas perspektiivis on eesmärk välja selgitada, millised materjalid, komposiitstruktuurid ja uraaniühendid töötavad NTP-reaktori äärmiselt kuumades tingimustes kõige paremini.

Reaktorist tulev soojus soojendaks vesinikkütust, mis tagab suurima kiiruse muutuse – mida raketiteadlased nimetavad Δv – antud massi jaoks. Vesiniku miinus on see, et sellel on madal tihedus ja rakett vajaks suuri paake. Teistel raketikütustel, näiteks ammoniaagil, on Δ madalamv ühe kilogrammi raketikütuse kohta, kuid on palju tihedamad. Thomas on Huntsville'is näidanud, et ammoniaak oleks ideaalne kütus NASA astronoomide Marsile toimetamiseks. Kuu värav – kosmosejaam, mis tiirleks ümber Kuu.

Olles avaldanud ülevaade NTP tehnoloogiast Ameerika lennunduse ja astronautika instituudi jaoks aastal 2020 jõudis Thomas järeldusele, et tavalised NTP-süsteemid, mis pakuvad lühikeste, umbes 50-minutiste põletuste korral palju tõukejõudu, sobivad ideaalselt möödalendudeks ja kohtumismissioonideks. Kuid on ka "bimodaalseid" süsteeme, mis ühendavad NTP ja NEP (vt kasti "Tuumaelektrilise tõukejõu väljakutsed"). Esimene annab kiireid suure tõukejõu puhanguid, teine aga madala tõukejõu pikemaks perioodiks – ideaalne pikkadeks edasi-tagasi missioonideks.

Kate Haggerty Kelly, BWX Technologiesi kosmose- ja inseneriosakonna direktor, ütleb, et üldine tuumasoojusajam võib olla kaks kuni viis korda tõhusam kui keemilised tõukejõusüsteemid, pakkudes samas ka suurt tõukejõudu. "[Seevastu] võivad tuumaelektrilised tõukejõusüsteemid pakkuda suuremat efektiivsust, kuid väiksemat tõukejõudu ning tuuma lõhustumisel toodetud energiat saab muundada elektriks, et varustada kosmoseaparaadi alamsüsteeme."

Tuumaelektrilise tõukejõu väljakutsed

**Jätkuvalt** NASA lõhustumise pinnaenergia projektijuht Lindsay Kaldon arvab, et tuumaelektri jõuallika püsiv võimsus võimaldab usaldusväärseid reise süvakosmosesse. (Viisakalt: NASA)

Tuumatermoloogiline tõukejõud (NTP) hõlmab tuumareaktsiooni energia kasutamist raketi tagaosast välja lastud kütuse soojendamiseks, nagu mänguasja õhupallist õhku. Kuid tuumaelektrilise tõukejõu (NEP) puhul kasutatakse lõhustumise energiat hoopis gaasi ioniseerimiseks. "NEP-süsteemist väljutatav raketikütus võib olla inertgaas, näiteks ksenoon või krüptoon, kuid jood, liitium või vesinik võivad olla valikuvõimalused olenevalt elektrilise tõukejõu tüübist," ütleb projektijuht Lindsay Kaldon. lõhustumispinna võimsus NASA Glenni uurimiskeskuses.

Kuna raketikütus on ioniseeritud, saab gaasi juhtida ja kiirendada elektromagnetiliste seadmete abil, et anda kosmoselaevale edasiliikumine. Kaldon tunnistab, et tõukejõud on palju väiksem, kui NTP-raketist saaks. "Mõelge NEP-ile kui purjekale, millel on kiirpaadiga võrreldes kerge tuul," ütleb ta. "Kuid see on tõesti kõik, mida vajame püsivaks ja usaldusväärseks reisiks süvakosmosesse."

Kaldoni ja tema kolleegide väljakutseks Glennis on tagada, et reaktor toodab piisavalt elektrit raketikütuse ioniseerimiseks ja et tõukurid töötaksid tõrgeteta. Üks võimalus on kasutada a "Stirlingi mootor", mis kasutab elektri tootmiseks gaasi tsüklilist kokkusurumist ja paisumist mootori kuuma ja külma otsa vahel. Teine võimalus on a "Saali efektiga tõukur", mis tekitab pinge, ühendades elektrijuhi magnetväljaga risti, mis on juhiga risti.

Kas NTP või NEP on süvakosmoseoperatsioonide jaoks paremad? Thomase sõnul oleneb see missiooni tüübist. „Teatud klassi missioonide jaoks – näiteks teaduslikud kosmoselaevad, mis ületavad teatud massi – või meeskonnaga missioonid või teatud sihtkohtade jaoks on parim valik NTP, samas kui teiste missioonide jaoks on parim valik NEP. Nagu autoreis, sõltub see vahemaast, kaasasolevast pagasist, ajakavast ja muust.

Tuuma tulevik

NASA kaalub juba mitut tuumajõul töötavat kosmosemissiooni. Vastavalt 2021. aasta juunis avaldatud aruanne, nende hulka võivad kuuluda veesõidukid, mis tiirlevad ümber Uraani ja Jupiteri erinevate kuude, ning teised, mis tiirlevad ja maanduvad Neptuuni kuul Tritonil. Raport näeb ette ka tuumajõul töötava raketi jõudmist polaarorbiidile ümber Päikese ja võib-olla isegi missiooni tähtedevahelisse ruumi.

Lõppkokkuvõttes on teatud tüüpi tuumajõud – kas üksi või koos teist tüüpi tõukejõuga – inimkonna tulevaste kosmosealaste jõupingutuste oluline osa. Kuna NASA, Ühendkuningriigi Kosmoseagentuur ja Euroopa Kosmoseagentuur kõik vaatlevad tuumajõul töötavat kosmoselendu, on minu panus, et esimesed meeskonnaga missioonid Marsile kasutavad 2030. aastateks seda tehnoloogiat. Olen kindel, et Freeman Dysoni unistus võib peagi ilmavalgust näha.