Atomdrevet romfartøy: Hvorfor drømmer om atomraketter er tilbake

Publisert av Platon

Følgere: 0

Å skyte opp raketter ut i verdensrommet med atombomber er en sprø idé som heldigvis ble forkastet for mange tiår siden. Men som Richard Corfield oppdager, er potensialet ved å bruke energien fra atomdrevne motorer til å drive romfart tilbake på NASAs agenda

En skildring av den atomdrevne raketten DRACO på vei ut i verdensrommet — **Blir kjernefysisk** Amerikas DRACO-rakett vil bruke varmen fra en fisjonsreaktor til å drive den ut i verdensrommet. (Med tillatelse: Lockheed Martin)

I 1914 publiserte HG Wells World Set Free, en roman basert på forestillingen om at radium en dag kan drive romskip. Wells, som var kjent med arbeidet til fysikere som Ernest Rutherford, visste at radium kunne produsere varme og så for seg at det ble brukt til å snu en turbin. Boken kan ha vært et skjønnlitterært verk, men World Set Free forutså riktig potensialet til det man kan kalle "atomiske romskip".

Ideen om å bruke atomenergi til romfart tok tak på 1950-tallet da publikum – etter å ha vært vitne til grusomhetene til Hiroshima og Nagasaki – gradvis ble overbevist om nytten av atomkraft for fredelige formål. Takket være programmer som America's Atomer for fred, begynte folk å se at atomkraft kunne brukes til energi og transport. Men kanskje den mest radikale applikasjonen lå i romfart.

Blant de sterkeste talsmennene for atomdrevne romfart var den eminente matematiske fysikeren Freeman Dyson. I 1958 tok han et års sabbatsår fra Institute of Advanced Study i Princeton for å jobbe ved General Atomics i San Diego på et prosjekt med kodenavnet Orion. Ideen til Ted Taylor – en fysiker som hadde jobbet på Manhattan atombombeprosjektet i Las Alamos – prosjekt Orion hadde som mål å bygge et 4000 tonns romskip som ville bruke 2600 atombomber for å drive det ut i verdensrommet.

Å slippe atombomber ut av baksiden av et romfartøy høres sprøtt ut av miljøhensyn, men Dyson regnet ut at «bare» 0.1–1 amerikanere ville få kreft av denne metoden. Prosjektet ble til og med støttet av rakettekspert Wernher von Braun, og en serie ikke-kjernefysiske testflyvninger ble utført. Heldigvis, den Avtale om delvis testforbud fra 1963 satte en stopper for Project Orion, og Dyson selv trakk senere sin støtte til atomromfartøyer etter for sent å ha erkjent deres miljøfarer.

Til tross for at Project Orion tok slutt, forsvant aldri lokket med kjernefysisk fremdrift (se boksen "Nuclear space travel: a short history") og nyter nå noe av en gjenoppblomstring. I stedet for å bruke atombomber, er ideen imidlertid å overføre energien fra en kjernefysisk fisjonsreaktor til et drivstoff, som vil bli varmet opp til omtrent 2500 K og kastet ut via en dyse i en prosess som kalles "nukleær termisk fremdrift" (NTP) . Alternativt kan fisjonsenergien ionisere en gass som ville bli avfyrt fra baksiden av romfartøyet - det som er kjent som "nukleær elektrisk fremdrift" (NEP).

Så, er atomdrevne romfart et realistisk prospekt, og i så fall hvilken teknologi vil vinne frem?

Kjernefysisk romfart: en kort historie

En illustrasjon av to fysikere som forestiller seg å bruke atomkraft for å drive raketter — **Sprø drømmer** Fysikerne Ted Taylor og Freeman Dyson forestilte seg å bruke atombomber for å skyte et romfartøy i bane. (Med tillatelse: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

Ideen om atomdrevet romfart går tilbake til 1950-tallet da fysikeren Freeman Dyson foreslo å bruke atombomber for å drive raketter ut i verdensrommet. Den oppfatningen ble heldigvis og raskt forlatt, men på 1960- og 1970-tallet drev NASA og den amerikanske atomenergikommisjonen Kjernefysisk motor for rakettkjøretøyapplikasjon (NERVA)-programmet, som hadde som mål å bruke varmen fra en fisjonsreaksjon til å drive en rakett ut i verdensrommet. Selv om et kjernefysisk oppdrag aldri ble lansert, førte NERVA til flere fremskritt innen reaktordesign, fabrikasjon, turbomaskineri og elektronikk.

Senere, på 1980-tallet, satte USA opp 200 millioner dollar Space Nuclear Termisk fremdrift (SNTP) program, som forsøkte å utvikle atomdrevne raketter som ville være dobbelt så kraftige som tradisjonelle kjemiske rakettmotorer. SNTP var en del av USAs strategiske forsvarsinitiativ, som president Ronald Reagan hadde satt opp for å beskytte Amerika mot innkommende atomraketter. SNTP ble forlatt på begynnelsen av 1990-tallet da drivstoffelementene hadde en tendens til å sprekke under stress og testingen av fremdriftssystemet ble ansett for dyrt. Nå ser imidlertid NASA nok en gang på kjernefysiske romfart (se hovedtekst).

Kjernefysisk boost

De fleste konvensjonelle raketter drives av vanlig, kjemisk drivstoff. De Saturn V rakett som tok astronauter til månen på slutten av 1960- og begynnelsen av 1970-tallet brukte for eksempel flytende drivstoff, mens rakettforsterkerne som sviktet så spektakulært under oppskytningen av romfergen Challenger i 1986 inneholdt fast brensel.

Mer nylig, Space X sine Falcon-raketterhar for eksempel brukt en blanding av parafin og oksygen. Problemet er at alle slike drivmidler har en relativt liten "energitetthet" (energi lagret per volumenhet) og en lav "spesifikk impuls" (effektiviteten som de kan generere skyvekraft med). Dette betyr at rakettens totale skyvekraft – den spesifikke impulsen multiplisert med massestrømningshastigheten til eksosgassen og jordens tyngdekraft – er lav.

Kjemiske drivmidler kan derfor bare komme deg så langt, med Månen som den tradisjonelle grensen. For å nå fjerne planeter og andre "deep-space"-destinasjoner, utnytter romfartøy vanligvis gravitasjonskraften til flere forskjellige planeter. Slike reiser er imidlertid omstendelige og tar lang tid. NASAs Juno-oppdrag trengte for eksempel fem år å komme til Jupiter, mens Voyager-fartøyet tok mer enn 30 år å nå kanten av solsystemet. Slike oppdrag er også begrenset av smale og sjeldne oppstartsvinduer.

Et kjernefysisk romfartøy ville i stedet bruke fisjonsenergi for å varme opp et drivstoff (figur 1) – mest sannsynlig kryogenisk lagret flytende hydrogen, som har lav molekylmasse og høy forbrenningsvarme. "Kjernefysisk fremdrift, enten elektrisk eller termisk, kan trekke ut mer energi fra en gitt masse drivstoff enn det som er mulig via forbrenningsbasert fremdrift," sier Dale Thomas, en tidligere assisterende direktør ved NASAs Marshall Space Flight Center, nå ved University of Alabama i Huntsville.

1 Inne i et atomdrevet romfartøy

Et skjematisk diagram som viser komponentene i en kjernefysisk termisk rakett — (Med tillatelse: NASA)

I en rakett som bruker kjernefysisk termisk fremdrift, varmes en arbeidsvæske, vanligvis flytende hydrogen, opp til høy temperatur i en atomreaktor og utvides deretter gjennom en dyse for å skape skyvekraft. Ved å gi en høyere effektiv eksoshastighet, vil en slik rakett doble eller tredoble nyttelastkapasiteten sammenlignet med kjemiske drivmidler som lagrer energi internt.

Thomas sier at dagens mest effektive kjemiske fremdriftssystemer kan oppnå en spesifikk impuls på ca 465 sekunder. NTP, derimot, kan ha en spesifikk impuls på nesten 900 sekunder på grunn av den høyere krafttettheten til kjernefysiske reaksjoner. Kombinert med et mye høyere skyvekraft-til-vekt-forhold, kan NTP få en rakett til Mars på bare 500 dager, i stedet for 900.

"Forholdet mellom skyvekraft og vekt er avgjørende fordi det bestemmer romfartøyets evne til å akselerere, noe som er spesielt kritisk under viktige oppdragsfaser, som å unnslippe jordens tyngdekraft eller manøvrering i det store rommet," sier Mauro Augelli, leder for oppskytningssystemer ved UK Space Agency. "Den spesifikke impulsen, på den annen side, er et mål på hvor effektivt en rakett bruker drivmidlet sitt."

Kjernefysisk fremdrift, enten elektrisk eller termisk, kan trekke ut mer energi fra en gitt masse drivstoff enn det som er mulig via forbrenningsbasert fremdrift

Dale Thomas, University of Alabama i Huntsville

I hovedsak, for en gitt mengde drivstoff, kan et atomdrevet romfartøy reise raskere og opprettholde kraften i lengre perioder enn en kjemisk rakett. Det ville derfor være flott for mannskapsoppdrag til Mars - ikke bare ville astronautene ha en raskere reise, men som et resultat av det ville de bli utsatt for mindre kosmisk stråling. "Dessuten reduserer kortere oppdragsvarighet de logistiske og livsstøttende utfordringene, noe som gjør utforskning av dypt rom mer gjennomførbart og tryggere," legger Augelli til.

Men kjernekraft handler ikke bare om å kutte reisetidene. NASA har også en dedikert program på sitt Glenn forskningssenter i Cleveland, Ohio, for å bruke kjernefysisk fisjon – i stedet for solenergi eller kjemisk brensel – for å drive romfartøy når de har nådd målet. "Kjernekraft gir unike fordeler for å operere i ekstreme miljøer og regioner i verdensrommet der solenergi og kjemiske systemer enten er utilstrekkelige eller umulige som kraftkilder for utvidet drift," sier programleder Lindsay Kaldon.

Tilbake i aksjon

I 2020 satte den amerikanske regjeringen kjernefysiske romfartøyer tilbake på dagsordenen ved tildele nesten 100 millioner dollar til tre firmaer – General Atomics, Lockheed Martin og Blue Origin. De vil bruke pengene til å jobbe med Demonstrasjonsrakett for smidige Cislunar-operasjoner (DRACO) programmet, som er finansiert via DARPA forskningsbyrå ved det amerikanske forsvarsdepartementet. I første fase, vil selskapene ha som mål å vise at NTP kan brukes til å fly en rakett over lav bane rundt jorden, med DARPA som sikte på skyvekraft-til-vekt-forhold på nivå med eksisterende kjemiske rakettsystemer.

**Energi etter behov** Et fisjonsoverflatekraftsystem som dette kan gi sikker, effektiv og pålitelig elektrisk kraft på Månen og Mars. (Med tillatelse: NASA)

Tabitha Dodson, DARPA-programleder for DRACO, mener at den vellykkede oppskytingen og flygningen av en kjernefysisk romreaktor av DRACO-programmet ville revolusjonere romfart. "I motsetning til dagens kjemiske systemer, som har nådd en grense for hvor langt de kan utvikle seg, er kjernefysiske teknologier teoretisert til å utvikle seg til systemer som fusjon og utover," sier hun. "Romfartøy utviklet for å bli manøvrert og drevet av atomreaktorer vil gjøre det mulig for menneskeheten å gå lenger, med en høyere sjanse for overlevelse og suksess for enhver oppdragstype."

I DRACO-programmet vil General Atomics designe NTP-reaktoren og utarbeide en plan for et fremdriftsdelsystem, mens Blue Origin og Lockheed Martin planlegger selve romfartøyet. Fisjonsreaktoren ville bruke en spesiell lavt anriket uran med høy analyse (HALEU), som kan lages ved bruk av drivstoff resirkulert fra eksisterende atomreaktorer. Inneholder bare 20 % anriket uran, og er uegnet for å bli omgjort til atomvåpen.

Reaktoren ville ikke bli slått på (dvs. bli kritisk) før fartøyet hadde nådd en "atomsikker" bane. I det usannsynlige tilfellet av en nødsituasjon, vil enhver forurensning med andre ord bli ufarlig spredt ut i verdensrommet. Lockheed Martin har allerede slått seg sammen med BWX Technologies fra Lynchburg, Virginia, for å utvikle reaktoren og produsere HALEU-drivstoffet. BWX sier at en DRACO-rakett kan skytes opp så snart som 2027.

Luftpustende rakettmotorer: fremtiden for romfart

andre steder, forskere ved Idaho National Laboratory i USA hjelper NASA med å utvikle og teste materialene som trengs for en kjernefysisk rakett Transient reaktortest (TREAT) anlegget nær Idaho Falls. De gjennomførte allerede en øvelse i fjor for å validere datamodellene og teste en ny sensor og eksperimentkapsel. På lang sikt er målet å identifisere hvilke materialer, komposittstrukturer og uranforbindelser som fungerer best under de ekstremt varme forholdene i en NTP-reaktor.

Varmen fra reaktoren ville varme opp hydrogenbrensel, som gir den største endringen i hastighet – det rakettforskere kaller Δv – for en gitt masse. Ulempen med hydrogen er at den har lav tetthet og raketten vil trenge store tanker. Andre drivmidler, som ammoniakk, har en lavere Δv per kilo drivmiddel, men er mye tettere. Over på Huntsville har Thomas vist at ammoniakk ville være det ideelle drivstoffet for å få astronomer til Mars fra NASAs Lunar Gateway – en romstasjon som skulle gå i bane rundt månen.

Etter å ha publisert en gjennomgang av NTP-teknologi for American Institute of Aeronautics and Astronautics i 2020, har Thomas konkludert med at vanlige NTP-systemer, som tilbyr mye skyvekraft for korte brannskader på omtrent 50 minutter, vil være ideelle for forbiflyvninger og møteoppdrag. Men det finnes også "bi-modale" systemer, som kombinerer NTP med NEP (se boks "Utfordringene ved kjernefysisk elektrisk fremdrift"). Førstnevnte gir raske utbrudd med høy skyvekraft, mens sistnevnte gir lav skyvekraft i lengre perioder – perfekt for lange rundtursoppdrag.

Kate Haggerty Kelly, direktør for romfart og ingeniørfag ved BWX Technologies, sier at generell kjernefysisk termisk fremdrift kan være to til fem ganger mer effektiv enn kjemiske fremdriftssystemer samtidig som den tilbyr høy skyvekraft. "[I kontrast] kan kjernefysiske elektriske fremdriftssystemer gi høyere effektivitet, men lavere skyvekraft, og energien som genereres gjennom kjernefysisk fisjon kan konverteres til elektrisitet for å gi kraft til undersystemer på romfartøyet."

Utfordringene med kjernefysisk elektrisk fremdrift

**Stødig mens vi går** Lindsay Kaldon, prosjektleder for fisjonsoverflatekraft i NASA, tror at den jevne kraften fra kjernefysisk elektrisk fremdrift vil muliggjøre pålitelige turer ut i verdensrommet. (Med tillatelse: NASA)

Kjernefysisk termisk fremdrift (NTP) innebærer å bruke energien fra en kjernefysisk reaksjon for å varme opp brensel som er avfyrt fra baksiden av en rakett, som luften fra en lekeballong. Men med kjernefysisk elektrisk fremdrift (NEP) blir fisjonsenergien i stedet brukt til å ionisere en gass. "Drivmidlet som drives ut av et NEP-system kan være en inert gass, som xenon eller krypton, men jod, litium eller hydrogen kan være alternativer avhengig av typen elektrisk thruster," sier Lindsay Kaldon, prosjektleder for fisjon overflatekraft ved NASAs Glenn Research Center.

Etter hvert som drivmidlet ioniseres, kan gassen styres og akselereres ved hjelp av elektromagnetiske enheter for å gi et romfartøy sin foroverbevegelse. Kaldon innrømmer at mengden skyvekraft er langt mindre enn du ville fått fra en NTP-rakett. "Tenk på NEP som en seilbåt med en liten bris sammenlignet med en hurtigbåt," sier hun. "Men dette er egentlig alt vi trenger for en jevn, pålitelig tur ut i verdensrommet."

Utfordringen for Kaldon og hennes kolleger i Glenn er å sikre at reaktoren produserer nok strøm til å ionisere drivstoffet og at thrusterne fungerer problemfritt. Et alternativ er å bruke en "Stirling motor", som bruker syklisk kompresjon og ekspansjon av gass mellom en varm og kald ende av motoren for å produsere elektrisitet. Det andre alternativet er a "Hall effekt thruster", som skaper en spenning ved å kombinere en elektrisk leder med et magnetfelt vinkelrett på lederen.

Så vil NTP eller NEP være bedre for deep-space-operasjoner? Ifølge Thomas vil det avhenge av type oppdrag. «For oppdrag av en viss klasse – for eksempel vitenskapelige romfartøyer over en viss masse – eller mannskapsoppdrag, eller for visse destinasjoner, vil NTP være det beste valget, mens for andre oppdrag vil NEP være best. Som en bilreise avhenger det av avstanden, hvor mye bagasje du har med deg, timeplanen din og så videre.»

Atomfysisk fremtid

NASA vurderer allerede flere atomdrevne romoppdrag. I følge en rapport utgitt i juni 2021, disse kan inkludere fartøyer som vil gå i bane rundt forskjellige måner av Uranus og Jupiter, og andre som vil gå i bane rundt og lande på Neptuns måne Triton. Rapporten ser også for seg en atomdrevet rakett som går inn i en polar bane rundt solen og muligens til og med et oppdrag inn i det interstellare rommet.

Til syvende og sist vil kjernefysisk fremdrift av en eller annen type – enten alene eller kombinert med en annen type fremdrift – være en viktig del av menneskehetens fremtidige romarbeid. Med NASA, den britiske romfartsorganisasjonen og den europeiske romfartsorganisasjonen som alle ser på atomdrevet romfart, er min innsats at de første mannskapsoppdragene til Mars innen 2030-tallet vil bruke en eller annen form for denne teknologien. Drømmen om Freeman Dyson kan, er jeg sikker på, snart se dagens lys.