핵 추진 우주선: 원자 로켓의 꿈이 다시 시작된 이유

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="핵으로 간다 미국의 DRACO 로켓은 핵분열로에서 나오는 열을 이용해 우주로 발사될 예정이다. (제공: 록히드 마틴)”>

1914년 HG Wells가 출판되었습니다. 세계는 무료로 설정, 라듐이 언젠가 우주선에 동력을 공급할 수 있다는 개념을 바탕으로 한 소설입니다. 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)와 같은 물리학자들의 연구에 정통한 웰스는 라듐이 열을 생산할 수 있다는 것을 알았고 이를 터빈을 돌리는 데 사용하는 것을 상상했습니다. 이 책은 소설일 수도 있지만, 세계는 무료로 설정 그는 "원자 우주선"이라고 부를 수 있는 것의 잠재력을 정확하게 예측했습니다.

원자력을 우주 여행에 활용하려는 아이디어는 히로시마와 나가사키의 참상을 목격한 대중이 점차 평화적 목적을 위한 원자력의 유용성을 점차 확신하게 된 1950년대에 시작되었습니다. 미국 등의 프로그램 덕분에 평화를위한 원자, 사람들은 원자력이 에너지와 운송에 사용될 수 있다는 것을 알기 시작했습니다. 그러나 아마도 가장 급진적인 적용은 우주 비행에 있을 것입니다.

핵 동력 우주 여행의 가장 강력한 지지자 중에는 저명한 수리 물리학자가 있었습니다. 프리먼 다이슨. 1958년에 그는 프린스턴 고등연구소에서 XNUMX년 동안 안식년을 보내 샌디에이고의 General Atomics에서 코드명 Orion이라는 프로젝트에 참여했습니다. 맨해튼 라스앨러모스 원자폭탄 프로젝트에 참여했던 물리학자 테드 테일러(Ted Taylor)의 아이디어 프로젝트 오리온 4000개의 핵폭탄을 사용하여 우주로 발사하는 2600톤급 우주선을 만드는 것이 목표였습니다.

우주선 뒤에서 원자폭탄을 떨어뜨리는 것은 환경적인 측면에서 미친 소리처럼 들리지만, 다이슨은 이 방법으로 암에 걸릴 미국인은 "오직" 0.1~1명에 불과하다고 계산했습니다. 이 프로젝트는 로켓 전문가의 지원을 받기도 했습니다. 베르너 폰 브라운, 일련의 비핵 시험 비행이 수행되었습니다. 고맙게도, 1963년 부분적 핵실험 금지 조약 오리온 프로젝트를 종식시켰고 다이슨 자신도 뒤늦게 환경적 위험을 인식한 후 원자 우주선에 대한 지원을 철회했습니다.

오리온 프로젝트가 종료되었음에도 불구하고 핵 추진의 유혹은 결코 사라지지 않았으며(“핵 우주 여행: 간략한 역사” 상자 참조) 현재 부활을 즐기고 있습니다. 그러나 원자폭탄을 사용하는 대신 핵분열 원자로의 에너지를 추진 연료로 전달하는 아이디어가 있습니다. 추진 연료는 약 2500K로 가열되어 "핵열추진"(NTP)이라는 과정을 통해 노즐을 통해 방출됩니다. . 또는 핵분열 에너지는 우주선 뒤쪽에서 발사되는 가스를 이온화할 수 있는데, 이를 "핵 전기 추진"(NEP)이라고 합니다.

그렇다면 원자력을 이용한 우주 여행이 현실적인 전망일까요? 그렇다면 어떤 기술이 승리할까요?

핵 부스트

대부분의 기존 로켓은 일반 화학 연료를 사용하여 구동됩니다. 그만큼 새턴 V 로켓 예를 들어, 1960년대 말과 1970년대 초에 우주 비행사를 달에 데려간 로켓 부스터는 액체 연료를 사용했지만, 우주 왕복선 발사 중에 극적으로 실패했던 로켓 부스터는 도전자 1986년에는 고체 연료가 포함되어 있었습니다.

최근 스페이스X의 팔콘 로켓예를 들어 등유와 산소를 혼합하여 사용했습니다. 문제는 이러한 모든 추진제가 상대적으로 작은 "에너지 밀도"(단위 부피당 저장되는 에너지)와 낮은 "비 충격량"(추력을 생성할 수 있는 효율성)을 갖는다는 것입니다. 이는 로켓의 전체 추력, 즉 배기가스의 질량 유량과 지구 중력을 곱한 비추진력이 낮다는 것을 의미합니다.

따라서 화학 추진제는 달이 전통적인 한계인 지금까지만 도달할 수 있습니다. 먼 행성과 기타 "깊은 우주" 목적지에 도달하기 위해 우주선은 일반적으로 여러 다른 행성의 중력을 이용합니다. 그러나 그러한 여행은 순회적이고 오랜 시간이 걸립니다. 예를 들어 NASA의 Juno 임무에는 다음이 필요했습니다. 오년 보이저호는 목성에 도달하는데 30년 이상이 걸렸다. 태양계의 가장자리. 이러한 임무는 또한 좁고 드물게 실행되는 창으로 인해 제한됩니다.

대신 핵 우주선은 핵분열 에너지를 사용하여 연료를 가열합니다(그림 1). 이는 분자 질량이 낮고 연소열이 높은 극저온으로 저장된 액체 수소일 가능성이 높습니다. "전기 또는 열 핵 추진은 연소 기반 추진을 통해 가능한 것보다 주어진 연료 질량에서 더 많은 에너지를 추출할 수 있습니다."라고 말합니다. 데일 토마스, 현재 헌츠빌에 있는 앨라배마 대학교에 있는 NASA 마샬 우주 비행 센터의 부소장이었습니다.

Thomas는 오늘날 가장 효율적인 화학 추진 시스템이 다음과 같은 목표를 달성할 수 있다고 말합니다. 특정 충동 약 465초. 이와 대조적으로 NTP는 핵반응의 출력 밀도가 더 높기 때문에 거의 900초의 특정 충격량을 가질 수 있습니다. 훨씬 더 높은 추력 대 중량 비율과 결합하여 NTP는 500일이 아닌 단 900일 만에 화성까지 로켓을 발사할 수 있습니다.

"추력 대 중량 비율은 우주선의 가속 능력을 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 이는 특히 지구의 중력을 탈출하거나 깊은 우주에서 조종하는 것과 같은 주요 임무 단계에서 중요합니다."라고 말합니다. 마우로 아우겔리, 영국 우주국 발사 시스템 책임자. 반면에 특정 충격량은 로켓이 추진제를 얼마나 효과적으로 사용하는지를 나타내는 척도입니다.

전기 또는 열 핵 추진은 연소 기반 추진을 통해 가능한 것보다 주어진 연료 질량에서 더 많은 에너지를 추출할 수 있습니다.

데일 토마스(Dale Thomas), 헌츠빌 소재 앨라배마 대학교

본질적으로, 주어진 양의 추진제에 대해 원자력 우주선은 화학 로켓보다 더 빠르게 이동하고 더 오랜 기간 동안 추력을 유지할 수 있습니다. 따라서 화성으로의 유인 임무에 매우 유용할 것입니다. 우주 비행사가 더 빠른 여행을 할 수 있을 뿐만 아니라 그 결과 우주 방사선에 덜 노출될 수 있기 때문입니다. "게다가 임무 기간이 짧아지면 물류 및 생명 유지 문제가 줄어들어 심우주 탐사가 더욱 실현 가능하고 안전해집니다."라고 Augelli는 덧붙입니다.

그러나 원자력은 단지 여행 시간을 단축하는 것만이 아닙니다. NASA에도 전용 프로그램 그것의 글렌 연구 센터 오하이오주 클리블랜드에서는 태양 에너지나 화학 연료 대신 핵분열을 사용하여 우주선이 목적지에 도달한 후 우주선에 전력을 공급합니다. "원자력은 극한 환경과 태양열 및 화학 시스템이 확장된 작동을 위한 전력원으로 부적절하거나 불가능한 우주 지역에서 작동할 때 고유한 이점을 제공합니다."라고 프로그램 관리자는 말합니다. 린지 칼돈.

행동으로 돌아 가기

2020년에 미국 정부는 다음과 같은 방법으로 핵 우주선을 다시 의제로 삼았습니다. 거의 100억 달러를 수여 General Atomics, Lockheed Martin, Blue Origin 등 3개 회사에 적용됩니다. 그들은 그 돈을 다음 작업에 사용할 것이다. 민첩한 Cislunar 작업을위한 데모 로켓 (DRACO) 프로그램은 다음을 통해 자금을 지원받습니다. DARPA 미국 국방부 산하 연구기관. 첫 번째 단계에서, 두 회사는 DARPA가 기존 화학 로켓 시스템과 동등한 추력 대 중량 비율을 목표로 하면서 NTP가 지구 저궤도 위로 로켓을 비행하는 데 사용될 수 있음을 보여주는 것을 목표로 할 것입니다.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="주문형 에너지 A fission surface power system like this one could provide safe, efficient and reliable electrical power on the Moon and Mars. (Courtesy: NASA)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg”>

타비사 도드슨, DRACO의 DARPA 프로그램 관리자는 DRACO 프로그램에 의한 원자로의 성공적인 발사 및 비행이 우주 비행에 혁명을 일으킬 것이라고 생각합니다. “진화할 수 있는 한계에 도달한 오늘날의 화학 시스템과 달리 핵 기술은 융합 및 그 이상의 시스템으로 진화할 것으로 이론화되어 있습니다.”라고 그녀는 말합니다. "원자로에 의해 조종되고 구동되도록 진화된 우주선은 인류가 더 멀리 갈 수 있게 해줄 것이며 모든 임무 유형에서 생존과 성공 가능성이 더 높아질 것입니다."

DRACO 프로그램에서 General Atomics는 NTP 원자로를 설계하고 추진 ​​하위 시스템의 청사진을 작성하며, Blue Origin과 Lockheed Martin은 우주선 자체를 계획합니다. 핵분열로는 특수한 장치를 사용합니다. 고분석 저농축 우라늄 (HALEU)는 기존 원자로에서 재활용된 연료를 사용하여 만들 수 있습니다. 농축 우라늄 함유량이 20%에 불과해 핵무기로 만들기에는 부적합하다.

우주선이 "핵 안전" 궤도에 도달할 때까지 원자로는 켜지지 않습니다(즉, 임계 상태가 됨). 비상 상황이 발생하는 경우 모든 오염은 즉, 무해하게 우주로 소멸됩니다. 록히드 마틴은 이미 다음과 힘을 합쳤습니다. BWX 기술 버지니아주 린치버그에서 원자로를 개발하고 HALEU 연료를 생산합니다. BWX는 DRACO 로켓이 발사될 수 있다고 말합니다. 빨리 2027.

공기 호흡 로켓 엔진: 우주 비행의 미래

다른 곳에서, 아이다호 국립 연구소의 연구원들 미국에서는 NASA가 핵 로켓에 필요한 재료를 개발하고 테스트하는 것을 돕고 있습니다. 과도 반응기 테스트 (TREAT) 아이다호 폭포 근처 시설. 그들은 이미 작년에 컴퓨터 모델을 검증하고 새로운 센서와 실험 캡슐을 테스트하기 위한 연습을 수행했습니다. 장기적으로 목표는 NTP 원자로의 극도로 뜨거운 조건에서 어떤 재료, 복합 구조 및 우라늄 화합물이 가장 잘 작동하는지 식별하는 것입니다.

원자로에서 나오는 열은 수소 연료를 가열할 것이며, 이는 가장 큰 속도 변화를 제공합니다. 로켓 과학자들은 이를 Δ라고 부릅니다.v – 주어진 질량에 대해. 수소의 단점은 밀도가 낮고 로켓에 큰 탱크가 필요하다는 것입니다. 암모니아와 같은 다른 추진제는 Δ가 더 낮습니다.v 추진제 1kg당 밀도는 훨씬 더 높습니다. 헌츠빌에서 토마스는 암모니아가 NASA에서 천문학자들을 화성으로 데려가는 데 이상적인 연료가 될 것임을 보여주었습니다. 달의 관문 – 달 궤도를 도는 우주 정거장.

출판한 NTP 기술 검토 2020년 미국 항공우주학회(American Institute of Aeronautics and Astronautics)를 위해 Thomas는 약 50분의 짧은 연소에 많은 추력을 제공하는 일반 NTP 시스템이 저공비행 및 랑데뷰 임무에 이상적이라고 결론지었습니다. 그러나 NTP와 NEP를 결합한 “이중 모드” 시스템도 있습니다(“원자력 전기 추진의 과제” 상자 참조). 전자는 빠르게 높은 추력을 제공하는 반면, 후자는 장기간 동안 낮은 추력을 제공하므로 장거리 왕복 임무에 적합합니다.

케이트 해거티 켈리BWX Technologies의 우주 및 엔지니어링 이사인 는 전반적인 핵열 추진이 화학 추진 시스템보다 2~5배 더 효율적이면서도 높은 추력을 제공할 수 있다고 말합니다. "[반대로] 핵 전기 추진 시스템은 더 높은 효율성을 제공할 수 있지만 추력은 더 낮습니다. 핵분열을 통해 생성된 에너지는 전기로 변환되어 우주선의 하위 시스템에 전력을 공급할 수 있습니다."

그렇다면 NTP나 NEP가 심우주 작업에 더 좋을까요? Thomas에 따르면 이는 임무 유형에 따라 달라집니다. “특정 질량 이상의 과학 우주선과 같은 특정 등급의 임무나 유인 임무 또는 특정 목적지의 경우 NTP가 최선의 선택이 될 것이며 다른 임무의 경우 NEP가 최선의 선택이 될 것입니다. 자동차 여행과 마찬가지로 거리, 가지고 다니는 수하물의 양, 일정 요구 사항 등에 따라 달라집니다.”

핵의 미래

NASA는 이미 몇 가지 핵 추진 우주 임무를 고려하고 있습니다. 에 따르면 2021년 XNUMX월에 발표된 보고서, 여기에는 천왕성과 목성의 다양한 달을 공전하는 우주선과 해왕성의 달 트리톤에 공전하고 착륙하는 우주선이 포함될 수 있습니다. 보고서는 또한 핵추진 로켓이 태양 주위의 극궤도에 진입하고 심지어 성간 우주로의 임무를 수행할 수도 있다고 상상하고 있다.

최종 분석에서 어떤 유형의 핵 추진은 단독으로든 다른 유형의 추진과 결합하든 인류의 미래 우주 노력에서 중요한 부분이 될 것입니다. NASA, 영국 우주국, 유럽 우주국 모두가 핵 추진 우주 비행을 검토하고 있는 가운데, 2030년대까지 최초의 화성 유인 임무에는 이 기술이 어떤 형태로든 사용될 것이라고 확신합니다. 프리먼 다이슨(Freeman Dyson)의 꿈이 머지않아 빛을 보게 될 것이라고 확신합니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/