Ydinkäyttöinen avaruusalus: Miksi unelmat atomiraketeista ovat palanneet

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Rakettien laukaiseminen avaruuteen atomipommeilla on hullu idea, joka onneksi hylättiin vuosikymmeniä sitten. Mutta kuten Richard Corfield havaitsee, että mahdollisuudet käyttää ydinkäyttöisten moottoreiden energiaa avaruusmatkojen ajamiseen on taas NASAn asialistalla

Kuvaus DRACO-ydinkäyttöisestä raketista matkalla avaruuteen — **Menee ydinvoimaan** Amerikkalainen DRACO-raketti käyttää fissioreaktorin lämpöä kuljettaakseen sen avaruuteen. (Kohtelias: Lockheed Martin)

Vuonna 1914 HG Wells julkaisi Maailma asettaa ilmaiseksi, romaani, joka perustuu ajatukseen, että radium voisi jonain päivänä tehostaa avaruusaluksia. Wells, joka tunsi fyysikkojen, kuten Ernest Rutherfordin, työn, tiesi, että radium voi tuottaa lämpöä ja aikoi käyttää sitä turbiinin kääntämiseen. Kirja saattoi olla fiktio, mutta Maailma asettaa ilmaiseksi ennakoi oikein "atomiavaruusaluksiksi" kutsuttujen potentiaalin.

Ajatus ydinenergian käyttämisestä avaruusmatkoiluun syntyi 1950-luvulla, kun yleisö – nähtyään Hiroshiman ja Nagasakin kauhut – vähitellen vakuuttui ydinvoiman hyödyllisyydestä rauhanomaisiin tarkoituksiin. Kiitos sellaisille ohjelmille kuin Amerikan Atoms for Peace, ihmiset alkoivat nähdä, että ydinvoimaa voitaisiin käyttää energiaan ja liikenteeseen. Mutta ehkä radikaalein sovellus löytyy avaruuslennoista.

Ydinvoimalla kulkevan avaruusmatkailun vahvimpien kannattajien joukossa oli maineikas matemaattinen fyysikko Freeman Dyson. Vuonna 1958 hän otti vuoden sapattivapaan Princetonin Institute of Advanced Studysta työskennelläkseen General Atomicsissa San Diegossa Orion-koodinimisessä projektissa. Ted Taylorin – fyysikon, joka oli työskennellyt Manhattanin atomipommiprojektissa Las Alamosissa – aivotuote – Orion-projekti Tavoitteena oli rakentaa 4000 tonnin avaruusalus, joka käyttäisi 2600 ydinpommia sen kuljettamiseen avaruuteen.

Atomipommien pudottaminen avaruusaluksen takaosasta kuulostaa hullulta ympäristösyistä, mutta Dyson laski, että "vain" 0.1–1 amerikkalaista sairastuisi syöpään tällä menetelmällä. Projektia tuki jopa rakettiasiantuntija Wernher von Braun, ja suoritettiin sarja muita kuin ydinkoelentoja. Onneksi, 1963 sopimus osittaisesta testikiellosta lopetti Orion-projektin, ja Dyson itse peruutti myöhemmin tukensa atomiavaruusaluksille tunnustettuaan myöhään niiden ympäristöhaitat.

Huolimatta Project Orionin päättymisestä, ydinvoiman houkutus ei todellakaan hävinnyt (katso laatikko "Ydinavaruusmatkailu: lyhyt historia") ja nyt se nauttii jonkinlaisesta elpymisestä. Atomipommien sijaan ajatuksena on kuitenkin siirtää energia ydinfissioreaktorista ponneainepolttoaineeseen, joka lämmitettäisiin noin 2500 K:n lämpötilaan ja suihkutettaisiin ulos suuttimen kautta prosessissa, jota kutsutaan "ydinlämpöpropulsioksi" (NTP). . Vaihtoehtoisesti fissioenergia voisi ionisoida kaasun, joka ammuttaisiin ulos avaruusaluksen takaosasta – niin sanottua "ydinvoimaa" (NEP).

Onko ydinvoimalla kulkeva avaruusmatka realistinen mahdollisuus, ja jos on, mikä teknologia voittaa?

Ydinavaruusmatkailu: lyhyt historia

Esimerkki kahdesta fyysikasta, jotka kuvittelevat käyttävänsä ydinvoimaa rakettien kuljettamiseen — **Hulluja unia** Fyysikot Ted Taylor ja Freeman Dyson kuvittelivat ydinpommeja ampuakseen avaruusaluksen kiertoradalle. (Luovuttava: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

Ajatus ydinvoimaloista avaruuslennoista juontaa juurensa 1950-luvulta, jolloin fyysikko Freeman Dyson ehdotti atomipommien käyttöä rakettien kuljettamiseen avaruuteen. Tämä käsitys hylättiin onneksi ja nopeasti, mutta 1960- ja 1970-luvuilla NASA ja Yhdysvaltain atomienergiakomissio johtivat Ydinmoottori rakettiajoneuvoihin (NERVA) -ohjelma, jonka tavoitteena oli käyttää fissioreaktion lämpöä raketin kuljettamiseen avaruuteen. Vaikka ydinoperaatiota ei koskaan aloitettu, NERVA johti useisiin edistysaskeliin reaktorien suunnittelussa, valmistuksessa, turbokoneistossa ja elektroniikassa.

Myöhemmin, 1980-luvulla, Yhdysvallat perusti 200 miljoonan dollarin Avaruusydinvoiman lämpövoima (SNTP) -ohjelma, jonka tavoitteena oli kehittää ydinkäyttöisiä raketteja, jotka olisivat kaksi kertaa tehokkaampia kuin perinteiset kemialliset rakettimoottorit. SNTP oli osa Yhdysvaltain strategista puolustusaloitetta, jonka presidentti Ronald Reagan oli perustanut suojelemaan Amerikkaa saapuvilta ydinohjuksilta. SNTP hylättiin 1990-luvun alussa, koska polttoaine-elementeillä oli taipumus murtua jännityksen vaikutuksesta ja propulsiojärjestelmän testausta pidettiin liian kalliina. Nyt NASA kuitenkin tarkastelee jälleen ydinavaruusmatkailua (katso pääteksti).

Ydinvoimatehoste

Useimmat tavanomaiset raketit toimivat tavallisilla kemiallisilla polttoaineilla. The Saturn V -raketti Esimerkiksi 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa astronautit Kuuhun veneet käyttivät nestemäisiä polttoaineita, kun taas rakettivahvistimet, jotka epäonnistuivat niin näyttävästi avaruussukkulan laukaisun aikana Haastaja vuonna 1986 sisälsi kiinteää polttoainetta.

Viime aikoina, Space X:n Falcon-raketitovat esimerkiksi käyttäneet kerosiinia ja happea. Ongelmana on, että kaikilla tällaisilla ponneaineilla on suhteellisen pieni "energiatiheys" (tilavuusyksikköä kohti varastoitu energia) ja alhainen "ominaisimpulssi" (teho, jolla ne voivat tuottaa työntövoimaa). Tämä tarkoittaa, että raketin kokonaistyöntövoima – ominaisimpulssi kerrottuna pakokaasun massavirtauksella ja Maan painovoimalla – on pieni.

Kemialliset ponneaineet pääsevät siis vain niin pitkälle, kun Kuu on perinteinen raja. Päästäkseen kaukaisille planeetoille ja muihin "syvän avaruuden" kohteisiin avaruusalukset yleensä hyödyntävät useiden eri planeettojen vetovoimaa. Tällaiset matkat ovat kuitenkin kiertokulkuisia ja kestävät kauan. Tarvittiin esimerkiksi NASAn Juno-tehtävä viisi vuotta päästä Jupiteriin, kun taas Voyager-aluksen saavuttaminen kesti yli 30 vuotta aurinkokunnan reunalla. Tällaisia tehtäviä rajoittavat myös kapeat ja harvoin käynnistyvät ikkunat.

Ydinavaruusalus käyttäisi sen sijaan fissioenergiaa polttoaineen lämmittämiseen (kuva 1) – todennäköisimmin kryogeenisesti varastoitua nestemäistä vetyä, jolla on pieni molekyylimassa ja korkea palamislämpö. "Ydinvoima, joko sähkö- tai lämpövoima, voisi ottaa enemmän energiaa tietystä polttoainemassasta kuin on mahdollista polttomoottorilla", sanoo Dale Thomas, entinen apulaisjohtaja NASAn Marshall Space Flight Centerissä, nyt Alabaman yliopistossa Huntsvillessä.

1 Ydinkäyttöisen avaruusaluksen sisällä

Kaavakuva, joka esittää ydinlämpöraketin komponentit — (Kova: NASA)

Ydinlämpövoimaa käyttävässä raketissa työneste, yleensä nestemäinen vety, kuumennetaan korkeaan lämpötilaan ydinreaktorissa ja laajenee sitten suuttimen läpi työntövoiman luomiseksi. Tarjoamalla suuremman tehokkaan pakokaasun nopeuden, tällainen raketti kaksinkertaistaa tai kolminkertaistaa hyötykuorman verrattuna kemiallisiin ponneaineisiin, jotka varastoivat energiaa sisäisesti.

Thomas sanoo, että nykypäivän tehokkaimmilla kemiallisilla propulsiojärjestelmillä voidaan saavuttaa a spesifinen impulssi noin 465 sekuntia. Sitä vastoin NTP:n ominaisimpulssi voi olla lähes 900 sekuntia ydinreaktioiden suuremman tehotiheyden vuoksi. Yhdessä paljon korkeamman työntövoima-painosuhteen kanssa NTP voisi saada raketin Marsiin vain 500 päivässä 900:n sijaan.

"Työvoiman ja painon suhde on ratkaisevan tärkeä, koska se määrää avaruusaluksen kiihtymiskyvyn, mikä on erityisen kriittistä tärkeimmissä tehtävän vaiheissa, kuten paeta Maan painovoimasta tai ohjataan syvässä avaruudessa", sanoo Mauro Augelli, Iso-Britannian avaruusjärjestön laukaisujärjestelmien johtaja. "Toisaalta spesifinen impulssi on mitta siitä, kuinka tehokkaasti raketti käyttää ponneainettaan."

Ydinvoima, joko sähkö- tai lämpövoima, voisi ottaa enemmän energiaa tietystä polttoainemassasta kuin on mahdollista polttoon perustuvalla propulsiovoimalla

Dale Thomas, Alabaman yliopisto Huntsvillessä

Pohjimmiltaan tietyllä ponneainemäärällä ydinvoimalla toimiva avaruusalus voisi kulkea nopeammin ja ylläpitää työntövoimaansa pidempään kuin kemiallinen raketti. Siksi se olisi hienoa miehistöille Marsiin - ei vain, että astronauteilla olisi nopeampi matka, vaan sen seurauksena he altistuisivat vähemmän kosmiselle säteilylle. "Lisäksi lyhyemmät tehtävät vähentävät logistisia ja elämää ylläpitäviä haasteita, mikä tekee syvän avaruuden tutkimisesta helpompaa ja turvallisempaa", Augelli lisää.

Mutta ydinvoima ei ole vain matka-aikojen lyhentämistä. NASA:lla on myös a oma ohjelma sen Glennin tutkimuskeskus Clevelandissa Ohiossa ydinfissiota – aurinkoenergian tai kemiallisten polttoaineiden sijaan – avaruusalusten voimanlähteenä, kun ne ovat saavuttaneet määränpäänsä. "Ydinenergia tarjoaa ainutlaatuisia etuja toimimiseen äärimmäisissä ympäristöissä ja avaruuden alueilla, joissa aurinko- ja kemialliset järjestelmät ovat joko riittämättömiä tai mahdottomia voimanlähteinä pitkäaikaiseen käyttöön", sanoo ohjelmapäällikkö. Lindsay Kaldon.

Takaisin toiminnassa

Vuonna 2020 Yhdysvaltain hallitus otti ydinavaruusalukset tiukasti takaisin asialistalle mennessä palkitsee lähes 100 miljoonaa dollaria kolmelle yritykselle – General Atomicsille, Lockheed Martinille ja Blue Originille. He käyttävät rahat työskentelyyn Demonstraatioraketti ketterille Cislunar-operaatioille (DRACO) -ohjelma, jota rahoitetaan DARPA Yhdysvaltain puolustusministeriön tutkimusvirasto. Ensimmäisessä vaiheessa, yritykset pyrkivät osoittamaan, että NTP:tä voidaan käyttää raketin lentämiseen matalan Maan kiertoradan yläpuolella, ja DARPA pyrkii työntövoiman ja painon suhteeseen, joka on sama kuin olemassa olevien kemiallisten rakettijärjestelmien kanssa.

Fissiopintavoimajärjestelmä — **Energiaa tarpeen mukaan** Tämän kaltainen fissiopintavoimajärjestelmä voisi tarjota turvallista, tehokasta ja luotettavaa sähkövoimaa Kuussa ja Marsissa. (Kohtelias: NASA)

Tabitha Dodson, DRACOn DARPA-ohjelmapäällikkö, uskoo, että ydinavaruusreaktorin onnistunut laukaisu ja lento DRACO-ohjelman avulla mullistaisi avaruuslennot. "Toisin kuin nykypäivän kemialliset järjestelmät, jotka ovat saavuttaneet rajan, kuinka pitkälle ne voivat kehittyä, ydinteknologioiden uskotaan kehittyvän järjestelmiksi, kuten fuusio ja sen jälkeen", hän sanoo. "Avaruusalukset, jotka on kehitetty ohjattaviksi ja toimimaan ydinreaktoreilla, antavat ihmiskunnalle mahdollisuuden mennä pidemmälle, ja niillä on suurempi mahdollisuus selviytyä ja menestyä missä tahansa tehtävässä."

DRACO-ohjelmassa General Atomics suunnittelee NTP-reaktorin ja laatii propulsioalijärjestelmän suunnitelman, kun taas Blue Origin ja Lockheed Martin suunnittelevat itse avaruusaluksen. Fissioreaktori käyttäisi erityistä korkean analyysin vähän rikastettu uraani (HALEU), joka voidaan valmistaa olemassa olevista ydinreaktoreista kierrätetystä polttoaineesta. Se sisältää vain 20 % rikastettua uraania, joten se ei sovellu ydinaseiksi.

Reaktoria ei käynnistetty (eli kriittisesti) ennen kuin alus oli saavuttanut "ydinturvallisen" kiertoradan. Epätodennäköisessä hätätilanteessa mikä tahansa saastuminen, toisin sanoen, leviäisi vaarattomasti avaruuteen. Lockheed Martin on jo yhdistänyt voimansa BWX Technologies Lynchburgissa, Virginiassa, kehittää reaktoria ja tuottaa HALEU-polttoainetta. BWX sanoo, että DRACO-raketti voisi laukaista heti 2027.

Ilmaa hengittävät rakettimoottorit: avaruuslentojen tulevaisuus

Muualla, tutkijat Idaho National Laboratorysta Yhdysvalloissa autetaan NASAa kehittämään ja testaamaan ydinraketissa tarvittavia materiaaleja Transienttireaktorin testi (TREAT) laitos lähellä Idaho Fallsia. He suorittivat jo viime vuonna harjoitusajon tietokonemallien validoimiseksi ja uuden anturin ja koekapselin testaamiseksi. Pitkällä tähtäimellä pyritään tunnistamaan, mitkä materiaalit, komposiittirakenteet ja uraaniyhdisteet toimivat parhaiten NTP-reaktorin erittäin kuumissa olosuhteissa.

Reaktorin lämpö lämmittäisi vetypolttoainetta, joka saa aikaan suurimman muutoksen nopeudessa – mitä rakettitutkijat kutsuvat Δ:ksiv - tietylle massalle. Vedyn huono puoli on, että sillä on alhainen tiheys ja raketti tarvitsisi suuria säiliöitä. Muilla ponneaineilla, kuten ammoniakilla, on pienempi Δv kiloa kohti, mutta ovat paljon tiheämpiä. Huntsvillessä Thomas on osoittanut, että ammoniakki olisi ihanteellinen polttoaine tähtitieteilijöiden ohjaamiseen Marsiin NASA:lta. Kuun portti – avaruusasema, joka kiertäisi Kuuta.

Julkaistuaan katsaus NTP-teknologiaan Thomas on päättänyt American Institute of Aeronautics and Astronauticsille vuonna 2020, että tavalliset NTP-järjestelmät, jotka tarjoavat paljon työntövoimaa lyhyisiin noin 50 minuutin palovammoihin, ovat ihanteellisia ohilennuksiin ja kohtaamistehtäviin. Mutta on myös "bimodaalisia" järjestelmiä, joissa yhdistyvät NTP ja NEP (katso laatikko "Ydinvoiman sähköisen propulsion haasteet"). Edellinen antaa nopeita suuren työntövoiman purskeita, kun taas jälkimmäinen tuottaa alhaisen työntövoiman pitkiä aikoja – täydellinen pitkiin edestakaisiin tehtäviin.

Kate Haggerty Kelly, BWX Technologiesin avaruus- ja tekniikan johtaja, sanoo, että ydinvoiman terminen propulsio voi olla kahdesta viiteen kertaa tehokkaampi kuin kemialliset propulsiojärjestelmät samalla kun se tarjoaa suuren työntövoiman. "[Päinvastoin] ydinsähkökäyttöiset propulsiojärjestelmät voivat tarjota suuremman hyötysuhteen, mutta pienemmän työntövoiman, ja ydinfissiolla syntyvä energia voidaan muuntaa sähköksi avaruusaluksen alajärjestelmille."

Ydinvoiman sähkövoiman haasteet

**Vakaa menossa** NASAn fissiopintavoiman projektipäällikkö Lindsay Kaldon uskoo, että ydinsähkövoiman tasainen teho mahdollistaa luotettavat matkat syvään avaruuteen. (Kohtelias: NASA)

Ydinlämpöpropulsiossa (NTP) käytetään ydinreaktion energiaa polttoaineen lämmittämiseen, joka laukeaa raketin takaosasta, kuten ilma leluilmapallosta. Mutta ydinvoimalla (NEP) fissioenergiaa käytetään sen sijaan kaasun ionisoimiseen. "NEP-järjestelmän poistama ponneaine voi olla inerttiä kaasua, kuten ksenonia tai kryptonia, mutta jodi, litium tai vety voivat olla vaihtoehtoja sähköpotkurin tyypistä riippuen", sanoo Lindsay Kaldon, projektipäällikkö. fissiopinnan teho NASAn Glenn Research Centerissä.

Kun ponneaine ionisoituu, kaasua voidaan ohjata ja kiihdyttää sähkömagneettisten laitteiden avulla, jotta avaruusalukselle saadaan eteenpäin suuntautuva liike. Kaldon myöntää, että työntövoima on paljon pienempi kuin NTP-raketilla. "Ajattele NEP:ää purjeveneenä, jossa on kevyt tuulta verrattuna pikaveneeseen", hän sanoo. "Tämä on kuitenkin kaikki mitä tarvitsemme tasaiseen, luotettavaan matkaan syvään avaruuteen."

Kaldonin ja hänen kollegoidensa Glennissä haasteena on varmistaa, että reaktori tuottaa tarpeeksi sähköä ponneaineen ionisoimiseksi ja että potkurit toimivat moitteettomasti. Yksi vaihtoehto on käyttää a "Stirling-moottori", joka käyttää kaasun syklistä puristamista ja laajenemista moottorin kuuman ja kylmän pään välillä sähkön tuottamiseen. Toinen vaihtoehto on a "Hall-efektipotkuri", joka luo jännitteen yhdistämällä sähköjohtimen magneettikenttään, joka on kohtisuorassa johtimeen nähden.

Onko NTP tai NEP parempi syväavaruusoperaatioihin? Thomasin mukaan se riippuu tehtävän tyypistä. ”Tietyn luokan tehtäviin – kuten tietyn massan ylittävät tieteelliset avaruusalukset – tai miehistötehtäviin tai tiettyihin kohteisiin NTP on paras valinta, kun taas muihin tehtäviin NEP on paras valinta. Kuten automatka, se riippuu etäisyydestä, kuljettamasi matkatavaroiden määrästä, aikatauluvaatimuksistasi ja niin edelleen.

Ydinvoiman tulevaisuus

NASA harkitsee jo useita ydinvoimalla käytettäviä avaruustehtäviä. Mukaan kesäkuussa 2021 julkaistu raportti, nämä voivat sisältää aluksia, jotka kiertävät Uranuksen ja Jupiterin eri kuita, ja muita, jotka kiertävät ja laskeutuvat Neptunuksen kuuhun Tritoniin. Raportti suunnittelee myös ydinvoimalla toimivan raketin saapuvan naparadalle Auringon ympäri ja mahdollisesti jopa tehtävän tähtienväliseen avaruuteen.

Loppujen lopuksi jonkin tyyppinen ydinvoima – joko yksinään tai yhdistettynä toisen tyyppiseen propulsioon – on tärkeä osa ihmiskunnan tulevia avaruusponnisteluja. Koska NASA, Yhdistyneen kuningaskunnan avaruusjärjestö ja Euroopan avaruusjärjestö tarkastelevat ydinvoimalla käytettäviä avaruuslentotoimia, vetoni on, että ensimmäisillä miehistöillä Marsiin 2030-luvulle mennessä käytetään jotakin tätä tekniikkaa. Freeman Dysonin unelma voisi, olen varma, pian nähdä päivänvalon.