חללית מונעת גרעינית: מדוע החלומות על רקטות אטומיות חוזרים לפעול - עולם הפיזיקה

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

שיגור רקטות לחלל עם פצצות אטום הוא רעיון מטורף שלמרבה המזל הושלך לפני עשורים רבים. אבל כמו ריצ'רד קורפילד מגלה, הפוטנציאל של שימוש באנרגיה של מנועים גרעיניים להנעת מסעות בחלל חזר לסדר היום של נאס"א

תיאור של הרקטה המונעת על ידי DRACO בדרך לחלל — **הולך לגרעין** טיל ה-DRACO של אמריקה תשתמש בחום מכור ביקוע כדי להניע אותו לחלל. (באדיבות: לוקהיד מרטין)

בשנת 1914 פרסם HG Wells העולם שוחרר, רומן המבוסס על התפיסה שרדיום עשוי יום אחד להפעיל ספינות חלל. וולס, שהכיר את עבודתם של פיזיקאים כמו ארנסט רתרפורד, ידע שרדיום יכול להפיק חום וראה שהוא משמש לסיבוב טורבינה. הספר אולי היה יצירה בדיונית, אבל העולם שוחרר חזה נכון את הפוטנציאל של מה שאפשר לכנות "ספינות חלל אטומיות".

הרעיון של שימוש באנרגיה גרעינית למסע בחלל תפס אחיזה בשנות ה-1950 של המאה ה-XNUMX כשהציבור - לאחר שראה את הזוועות של הירושימה ונגסאקי - השתכנע בהדרגה בתועלת של כוח גרעיני למטרות שלום. הודות לתוכניות כמו America's אטומים לשלום, אנשים התחילו לראות שאפשר להשתמש בכוח גרעיני לאנרגיה ותחבורה. אבל אולי היישום הרדיקלי ביותר היה בטיסות החלל.

בין התומכים החזקים במסעות חלל המונעים על ידי גרעיני היה הפיזיקאי המתמטי הבולט פרימן דייסון. ב-1958 הוא לקח שנת שבתון מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון כדי לעבוד ב-General Atomics בסן דייגו על פרויקט בשם הקוד אוריון. פרי מוחו של טד טיילור - פיזיקאי שעבד על פרויקט פצצת האטום במנהטן בלאס אלאמוס - פרויקט אוריון מטרתו לבנות חללית במשקל 4000 טון שתשתמש ב-2600 פצצות גרעיניות כדי להניע אותה לחלל.

הטלת פצצות אטום מחלקה האחורי של חללית נשמעת מטורפת על רקע סביבתי, אבל דייסון חישב ש"רק" 0.1-1 אמריקאים יחלו בסרטן משיטה זו. הפרויקט אף נתמך על ידי מומחה רקטות ורנר פון בראון, ובוצעה סדרה של טיסות ניסוי שאינן גרעיניות. למרבה המזל, ה הסכם איסור ניסויים חלקי משנת 1963 שם קץ לפרויקט אוריון, ודייסון עצמו הסיר מאוחר יותר את תמיכתו בחלליות אטומיות לאחר שזיהה באיחור את הסכנות הסביבתיות שלהן.

למרות סיומו של פרויקט אוריון, הפיתוי של ההנעה הגרעינית מעולם לא באמת נעלם (ראה מסגרת "מסעות בחלל גרעיניים: היסטוריה קצרה") וכעת הוא נהנה מתחייה מחודשת. עם זאת, במקום להשתמש בפצצות אטום, הרעיון הוא להעביר את האנרגיה מכור ביקוע גרעיני לדלק הנעה, אשר יחומם לכ-2500 K ויופלט דרך זרבובית בתהליך הנקרא "הנעה תרמית גרעינית" (NTP) . לחלופין, אנרגיית הביקוע יכולה ליינן גז שיישור מחוץ לחלק האחורי של החללית - מה שמכונה "הנעה חשמלית גרעינית" (NEP).

אז, האם מסע חלל המונע על ידי גרעיני הוא סיכוי ריאלי, ואם כן, איזו טכנולוגיה תנצח?

מסע בחלל גרעיני: היסטוריה קצרה

איור של שני פיזיקאים המדמיינים שימוש בכוח גרעיני להנעת רקטות — **חלומות משוגעים** הפיזיקאים טד טיילור ופרימן דייסון דמיינו להשתמש בפצצות גרעיניות כדי לירות חללית למסלול. (באדיבות: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

הרעיון של טיסה לחלל המונעת על ידי גרעיני מתחיל בשנות ה-1950, כאשר הפיזיקאי פרימן דייסון הציע להשתמש בפצצות אטום כדי להניע רקטות לחלל. הרעיון הזה נזנח למרבה המזל ובמהירות, אבל בשנות ה-1960 וה-1970, נאס"א והוועדה האמריקנית לאנרגיה אטומית ניהלו את מנוע גרעיני עבור יישום כלי רכב רקטות תוכנית (NERVA), שמטרתה להשתמש בחום מתגובת ביקוע כדי להניע רקטה לחלל. למרות שמשימה גרעינית מעולם לא הושקה, NERVA אכן הובילה למספר התקדמות בתכנון הכור, ייצור, מכונות טורבו ואלקטרוניקה.

מאוחר יותר, בשנות ה-1980, ארה"ב הקימה את 200 מיליון הדולר הנעה תרמית גרעינית בחלל תוכנית (SNTP), אשר ביקשה לפתח רקטות המונעות בכוח גרעיני שיהיו עוצמתיות פי שניים ממנועי רקטות כימיות מסורתיות. SNTP היה חלק מיוזמת ההגנה האסטרטגית של ארה"ב, שהקים הנשיא רונלד רייגן כדי להגן על אמריקה מפני טילים גרעיניים נכנסים. SNTP ננטש בתחילת שנות ה-1990, מכיוון שאלמנטי הדלק נטו להישבר תחת לחץ ובדיקת מערכת ההנעה נחשבה יקרה מדי. אולם כעת, נאס"א בוחנת שוב את מסע החלל הגרעיני (ראה טקסט ראשי).

חיזוק גרעיני

רוב הרקטות הקונבנציונליות מופעלות על ידי דלקים כימיים רגילים. ה טיל שבתאי V שלקח אסטרונאוטים לירח בסוף שנות ה-1960 ותחילת שנות ה-1970, למשל, השתמשו בדלקים נוזליים, בעוד שמאיצי הרקטות שנכשלו בצורה כה מרהיבה במהלך שיגור מעבורת החלל לנג בשנת 1986 הכיל דלק מוצק.

יותר לאחרונה, רקטות פלקון של Space X, למשל, השתמשו בתערובת של נפט וחמצן. הצרה היא שלכל חומרי ההנעה הללו יש "צפיפות אנרגיה" קטנה יחסית (אנרגיה מאוחסנת ליחידת נפח) ו"דחף ספציפי" נמוך (היעילות שבה הם יכולים ליצור דחף). המשמעות היא שהדחף הכולל של הרקטה - הדחף הספציפי מוכפל בקצב זרימת המסה של גז הפליטה וכוח המשיכה של כדור הארץ - נמוך.

חומרי הנעה כימיים יכולים אפוא להביא אותך עד כה, כשהירח הוא הגבול המסורתי. כדי להגיע לכוכבי לכת רחוקים וליעדי "חלל עמוק" אחרים, חלליות בדרך כלל מנצלות את כוח המשיכה של כוכבי לכת מרובים שונים. מסעות כאלה הם, עם זאת, סיבוביים ונמשכים זמן רב. משימת ג'ונו של נאס"א, למשל, הייתה נחוצה חמש שנים להגיע ליופיטר, בעוד שלכליית וויאג'ר לקח יותר מ-30 שנה להגיע ל קצה מערכת השמש. משימות כאלה מוגבלות גם על ידי חלונות שיגור צרים ולא תכופים.

חללית גרעינית תשתמש במקום זאת באנרגיית ביקוע כדי לחמם דלק (איור 1) - ככל הנראה מימן נוזלי המאוחסן קריוגני, בעל מסה מולקולרית נמוכה וחום בעירה גבוה. "הנעה גרעינית, חשמלית או תרמית, יכולה להפיק יותר אנרגיה ממסה נתונה של דלק ממה שאפשר באמצעות הנעה מבוססת בעירה", אומר דייל תומאס, מנהל שותף לשעבר במרכז טיסות החלל מרשל של נאס"א, כיום באוניברסיטת אלבמה בהאנטסוויל.

1 בתוך חללית המונעת על ידי גרעיני

תרשים סכמטי המראה את מרכיבי רקטה תרמית גרעינית — (באדיבות: נאס"א)

ברקטה המשתמשת בהנעה תרמית גרעינית, נוזל עבודה, בדרך כלל מימן נוזלי, מחומם לטמפרטורה גבוהה בכור גרעיני ולאחר מכן מתרחב דרך זרבובית ליצירת דחף. מתן מהירות פליטה אפקטיבית גבוהה יותר, רקטה כזו תכפיל או תשלש את קיבולת המטען בהשוואה לחומרי הנעה כימיים האוגרים אנרגיה פנימית.

תומס אומר שמערכות ההנעה הכימיות היעילות ביותר כיום יכולות להשיג א דחף ספציפי של כ-465 שניות. ל-NTP, לעומת זאת, יכול להיות דחף ספציפי של כמעט 900 שניות בשל צפיפות ההספק הגבוהה יותר של תגובות גרעיניות. בשילוב עם יחס דחף למשקל הרבה יותר גבוה, NTP יכול להביא רקטה למאדים תוך 500 ימים בלבד, במקום 900.

"יחס הדחף למשקל הוא קריטי מכיוון שהוא קובע את יכולתה של החללית להאיץ, וזה קריטי במיוחד בשלבי משימה מרכזיים, כמו בריחה מכוח המשיכה של כדור הארץ או תמרון בחלל העמוק", אומר מאורו אוגלי, ראש מערכות שיגור בסוכנות החלל הבריטית. "הדחף הספציפי, לעומת זאת, הוא מדד למידת היעילות של רקטה משתמשת בחומר ההנעה שלה."

הנעה גרעינית, חשמלית או תרמית, יכולה להפיק יותר אנרגיה ממסה נתונה של דלק ממה שאפשר באמצעות הנעה מבוססת בעירה

דייל תומס, אוניברסיטת אלבמה בהאנטסוויל

בעיקרו של דבר, עבור כמות נתונה של חומר הנעה, חללית המונעת על ידי גרעיני יכולה לנוע מהר יותר ולשמור על הדחף שלה לתקופות ארוכות יותר מאשר רקטה כימית. לכן זה יהיה נהדר עבור משימות צוות למאדים - לא רק שלאסטרונאוטים יהיה מסע מהיר יותר, אלא שכתוצאה מכך, הם ייחשפו פחות לקרינה קוסמית. "יתרה מכך, משכי משימה קצרים יותר מפחיתים את האתגרים הלוגיסטיים ותומכי החיים, מה שהופך את חקר החלל העמוק ליותר אפשרי ובטוח יותר", מוסיף אוגלי.

אבל כוח גרעיני אינו רק קיצור זמני הנסיעה. לנאס"א יש גם א תוכנית ייעודית בה מרכז המחקר גלן בקליבלנד, אוהיו, כדי להשתמש בביקוע גרעיני - ולא באנרגיה סולארית או בדלקים כימיים - כדי להניע חלליות לאחר שהגיעו ליעדן. "אנרגיה גרעינית מציעה יתרונות ייחודיים לפעולה בסביבות ובאזורים קיצוניים בחלל שבהם מערכות סולאריות וכימיות אינן מתאימות או בלתי אפשריות כמקורות כוח לפעולה ממושכת", אומר מנהל התוכנית לינדזי קלדון.

חזרה לפעולה

בשנת 2020 ממשלת ארה"ב החזירה את החללית הגרעינית לסדר היום על ידי הענקת כמעט 100 מיליון דולר לשלוש חברות - General Atomics, לוקהיד מרטין ו-Blue Origin. הם ישתמשו בכסף כדי לעבוד על רקטת הדגמה עבור פעולות אג'ילר תוכנית (DRACO), הממומנת באמצעות DARPA סוכנות המחקר של משרד ההגנה האמריקאי. בשלב הראשון, החברות ישאפו להראות שניתן להשתמש ב-NTP כדי להטיס רקטה מעל מסלול נמוך של כדור הארץ, כאשר DARPA שואפת ליחסי דחף למשקל בדומה למערכות רקטות כימיות קיימות.

**אנרגיה לפי דרישה** מערכת חשמל משטח ביקוע כמו זו יכולה לספק כוח חשמלי בטוח, יעיל ואמין על הירח ועל מאדים. (באדיבות: נאס"א)

טביתה דודסון, מנהל תוכנית DARPA עבור DRACO, חושב שהשיגור והטיסה המוצלחים של כור חלל גרעיני על ידי תוכנית DRACO יחוללו מהפכה בטיסה לחלל. "בניגוד למערכות הכימיות של היום, שהגיעו לגבול עד כמה הן יכולות להתפתח, טכנולוגיות גרעיניות משוערות להתפתח למערכות כמו היתוך ומעבר לכך", היא אומרת. "חלליות שהתפתחו כדי להיות מתומרנות ומופעלות על ידי כורים גרעיניים יאפשרו לאנושות להגיע רחוק יותר, עם סיכוי גבוה יותר לשרוד והצלחה לכל סוג משימה."

בתוכנית DRACO, General Atomics תתכנן את כור ה-NTP ותכין תוכנית לתת-מערכת הנעה, בעוד Blue Origin ולוקהיד מרטין יתכננו את החללית עצמה. כור הביקוע ישתמש במיוחד אורניום מועשר נמוך בבדיקות גבוהות (HALEU), שניתן לייצר באמצעות דלק ממוחזר מכורים גרעיניים קיימים. המכיל רק 20% אורניום מועשר, אינו מתאים להפיכתו לנשק גרעיני.

הכור לא יופעל (כלומר יהיה קריטי) עד שהכלי יגיע למסלול "בטוח בגרעין". במקרה הבלתי סביר של מקרה חירום, כל זיהום, במילים אחרות, יתפזר ללא מזיק לחלל. לוקהיד מרטין כבר איחדה כוחות טכנולוגיות BWX מלינצ'בורג, וירג'יניה, לפיתוח הכור ולייצר את הדלק HALEU. BWX אומר שרקטת DRACO יכולה לשגר כבר ב-2027.

מנועי טילים נושמים אוויר: עתיד הטיסה לחלל

בְּמָקוֹם אַחֵר, חוקרים במעבדה הלאומית של איידהו בארה"ב עוזרים לנאס"א לפתח ולבדוק את החומרים הדרושים לטיל גרעיני בדיקת כור חולף מתקן (TREAT) ליד מפלי איידהו. הם כבר ביצעו תרגול בשנה שעברה כדי לאמת את דגמי המחשב ולבדוק חיישן וקפסולת ניסוי חדשים. לטווח ארוך, המטרה היא לזהות אילו חומרים, מבנים מרוכבים ותרכובות אורניום פועלים בצורה הטובה ביותר בתנאים החמים ביותר של כור NTP.

החום מהכור יחמם דלק מימן, המספק את השינוי הגדול ביותר במהירות - מה שמדעני טילים מכנים Δv - עבור מסה נתונה. החיסרון של המימן הוא שיש לו צפיפות נמוכה והטיל יצטרך מיכלים גדולים. לחומרי הנעה אחרים, כמו אמוניה, יש Δ נמוך יותרv לק"ג חומר הנעה, אבל הם הרבה יותר צפופים. בהאנטסוויל, תומס הראה שאמוניה תהיה הדלק האידיאלי להביא אסטרונומים למאדים מהדלק של נאס"א. שער הירח - תחנת חלל שתקיף את הירח.

לאחר פרסום סקירה של טכנולוגיית NTP עבור המכון האמריקני לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה בשנת 2020, תומס הגיע למסקנה שמערכות NTP רגילות, המציעות דחף רב לכוויות קצרות של כ-50 דקות, יהיו אידיאליות למשימות טיסה ומשימות מפגש. אבל יש גם מערכות "בי-מודאליות", המשלבות NTP עם NEP (ראו מסגרת "האתגרים של הנעה חשמלית גרעינית"). הראשון נותן פרצים מהירים של דחף גבוה בעוד האחרון מניב דחף נמוך לתקופות ארוכות יותר - מושלם למשימות ארוכות הלוך ושוב.

קייט הגרטי קלי, מנהל חלל והנדסה ב-BWX Technologies, אומר כי הנעה תרמית גרעינית הכוללת יכולה להיות יעילה פי שניים עד חמישה ממערכות הנעה כימיות תוך שהיא מציעה גם דחף גבוה. "[לעומת זאת], מערכות הנעה חשמליות גרעיניות יכולות לספק יעילות גבוהה יותר אך דחף נמוך יותר, וניתן להמיר את האנרגיה שנוצרת באמצעות ביקוע גרעיני לחשמל כדי לספק כוח לתתי-מערכות בחללית".

האתגרים של הנעה חשמלית גרעינית

**יציב תוך כדי** לינדזי קלדון, מנהלת פרויקט של כוח שטח ביקוע בנאס"א, חושבת שהכוח הקבוע מהנעה חשמלית גרעינית יאפשר נסיעות אמינות לחלל העמוק. (באדיבות: נאס"א)

הנעה תרמית גרעינית (NTP) כרוכה בשימוש באנרגיה מתגובה גרעינית לחימום דלק שנורה מהגב של רקטה, כמו אוויר מבלון צעצוע. אבל עם הנעה חשמלית גרעינית (NEP), אנרגיית הביקוע משמשת במקום זאת ליינון גז. "הדחף הנפלט על ידי מערכת NEP יכול להיות גז אינרטי, כגון קסנון או קריפטון, אבל יוד, ליתיום או מימן יכולים להיות אפשרויות בהתאם לסוג המדחף החשמלי", אומרת לינדזי קלדון, מנהלת פרויקט של כוח פני הביקוע במרכז המחקר גלן של נאס"א.

כאשר חומר ההנעה מיונן, ניתן להנחות ולהאיץ את הגז באמצעות מכשירים אלקטרומגנטיים כדי להעניק לחללית את תנועתה קדימה. קלדון מודה שכמות הדחף היא הרבה פחות ממה שהיית מקבל מרקטת NTP. "תחשוב על NEP כעל סירת מפרש עם משב רוח קל בהשוואה לסירת מנוע מהירה", היא אומרת. "עם זאת, זה באמת כל מה שאנחנו צריכים לטיול יציב ואמין לחלל העמוק."

האתגר של קלדון ועמיתיה בגלן הוא להבטיח שהכור מייצר מספיק חשמל כדי ליינן את חומר ההנעה ושהדחפים פועלים בצורה חלקה. אפשרות אחת היא להשתמש ב-a "מנוע סטירלינג", המשתמשת בדחיסה מחזורית והתפשטות של גז בין הקצה החם והקר של המנוע כדי לייצר חשמל. האפשרות השנייה היא א "מדחף אפקט הול", היוצר מתח על ידי שילוב של מוליך חשמלי עם שדה מגנטי בניצב למוליך.

אז האם NTP או NEP יהיו טובים יותר עבור פעולות בחלל עמוק? לדברי תומס, זה יהיה תלוי בסוג המשימה. "עבור משימות של מעמד מסוים - כמו חללית מדעית מעל מסה מסוימת - או משימות צוותים, או עבור יעדים מסוימים, NTP תהיה הבחירה הטובה ביותר, בעוד שלמשימות אחרות NEP יהיה הטוב ביותר. כמו נסיעה במכונית, זה תלוי במרחק, כמה מטען אתה נושא, לוח הזמנים שלך דורש וכדומה".

עתיד גרעיני

נאס"א כבר שוקלת מספר משימות חלל המונעות על ידי גרעין. לפי דו"ח שפורסם ביוני 2021, אלה יכולים לכלול כלי שיט שיקיפו ירחים שונים של אורנוס וצדק, ואחרות שיקיפו וינחתו על ירח נפטון טריטון. הדו"ח גם צופה רקטה המונעת על ידי גרעיני הנכנסת למסלול קוטבי סביב השמש ואולי אפילו משימה לחלל הבין-כוכבי.

בסופו של דבר, הנעה גרעינית מסוג כלשהו תהיה - לבד או בשילוב עם סוג אחר של הנעה - חלק חשוב ממאמצי החלל העתידיים של האנושות. כאשר נאס"א, סוכנות החלל הבריטית וסוכנות החלל האירופית מסתכלות כולן על טיסות חלל המונעות על ידי גרעיני, ההימור שלי הוא שהמשימות הראשונות של הצוות למאדים ישתמשו בטכנולוגיה זו עד שנות ה-2030. חלומו של פרימן דייסון יכול, אני בטוח, בקרוב לראות אור.