Kärndrivna rymdfarkoster: Varför drömmar om atomraketer är tillbaka

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Att skjuta upp raketer i rymden med atombomber är en galen idé som tack och lov förkastades för många decennier sedan. Men som Richard Corfield upptäcker att potentialen i att använda energin från kärnkraftsdrivna motorer för att driva rymdresor är tillbaka på NASA:s agenda

En skildring av den kärnkraftsdrivna DRACO-raketen på väg ut i rymden — **Går kärnkraft** Amerikas DRACO-raket kommer att använda värmen från en fissionsreaktor för att driva den ut i rymden. (Med tillstånd: Lockheed Martin)

1914 publicerade HG Wells World Set Free, en roman baserad på föreställningen att radium en dag kan driva rymdskepp. Wells, som var bekant med arbetet av fysiker som Ernest Rutherford, visste att radium kunde producera värme och förutsåg att det skulle användas för att vända en turbin. Boken kan ha varit ett skönlitterärt verk, men World Set Free korrekt förutsett potentialen hos vad man kan kalla "atomära rymdskepp".

Idén att använda kärnenergi för rymdresor tog fäste på 1950-talet när allmänheten – efter att ha sett fasorna i Hiroshima och Nagasaki – gradvis blev övertygade om kärnkraftens användbarhet för fredliga syften. Tack vare program som America's Atomer för fred, började folk se att kärnkraft kunde användas för energi och transporter. Men den kanske mest radikala tillämpningen låg i rymdfärden.

Bland de starkaste förespråkarna för kärnkraftsdrivna rymdresor var den framstående matematiska fysikern Freeman Dyson. 1958 tog han ett års sabbatsår från Institute of Advanced Study i Princeton för att arbeta på General Atomics i San Diego med ett projekt med kodnamnet Orion. Tanken på Ted Taylor – en fysiker som hade arbetat på Manhattan atombombprojektet i Las Alamos – projektet Orion syftade till att bygga ett rymdskepp på 4000 ton som skulle använda 2600 kärnvapenbomber för att driva det ut i rymden.

Att släppa atombomber från baksidan av en rymdfarkost låter galet av miljöskäl, men Dyson beräknade att "bara" 0.1–1 amerikaner skulle få cancer av denna metod. Projektet backades till och med av raketexpert Wernher von Braun, och en serie icke-nukleära testflygningar genomfördes. Tack och lov, den Fördrag om partiellt testförbud från 1963 satte stopp för Project Orion, och Dyson själv drog senare tillbaka sitt stöd för atomära rymdfarkoster efter att för sent ha insett deras miljöfaror.

Trots att Project Orion tog slut, försvann lockelsen med kärnkraftsframdrivning aldrig riktigt (se rutan "Nuclear space travel: a short history") och njuter nu av något av ett återupplivande. Istället för att använda atombomber är tanken dock att överföra energin från en kärnklyvningsreaktor till ett drivmedel, som skulle värmas upp till ungefär 2500 K och sprutas ut via ett munstycke i en process som kallas "nukleär termisk framdrivning" (NTP) . Alternativt kan fissionsenergin jonisera en gas som skulle avfyras från baksidan av rymdfarkosten - det som kallas "nukleär elektrisk framdrivning" (NEP).

Så, är kärnkraftsdrivna rymdresor ett realistiskt perspektiv och, i så fall, vilken teknik kommer att vinna?

Nukleära rymdresor: en kort historia

En illustration av två fysiker som föreställer sig att använda kärnkraft för att driva raketer — **Galna drömmar** Fysikerna Ted Taylor och Freeman Dyson föreställde sig att använda kärnvapenbomber för att avfyra en rymdfarkost i omloppsbana. (Med tillstånd: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)

Idén om kärnkraftsdriven rymdfärd går tillbaka till 1950-talet när fysikern Freeman Dyson föreslog att man skulle använda atombomber för att driva raketer ut i rymden. Den uppfattningen övergavs tack och lov snabbt, men på 1960- och 1970-talen drev NASA och US Atomic Energy Commission Kärnmotor för raketfordonapplikation (NERVA), som syftade till att använda värmen från en fissionsreaktion för att driva en raket ut i rymden. Även om ett kärnkraftsuppdrag aldrig lanserades, ledde NERVA till flera framsteg inom reaktordesign, tillverkning, turbomaskineri och elektronik.

Senare, på 1980-talet, inrättade USA 200 miljoner dollar Termisk framdrivning av kärnkraft i rymden (SNTP) program, som försökte utveckla kärnkraftsdrivna raketer som skulle vara dubbelt så kraftfulla som traditionella kemiska raketmotorer. SNTP var en del av USA:s strategiska försvarsinitiativ, som president Ronald Reagan hade inrättat för att skydda Amerika från inkommande kärnvapenmissiler. SNTP övergavs i början av 1990-talet eftersom bränsleelementen tenderade att spricka under påfrestning och provningen av framdrivningssystemet ansågs vara för dyrt. Nu tittar dock NASA ännu en gång på nukleära rymdresor (se huvudtexten).

Nukleär boost

De flesta konventionella raketer drivs av vanliga, kemiska bränslen. De Saturn V -raket som tog astronauter till månen i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet använde till exempel flytande bränslen, medan raketförstärkarna som misslyckades så spektakulärt under uppskjutningen av rymdfärjan Challenger 1986 innehöll fast bränsle.

Nyligen, Space X:s Falcon-raketerhar till exempel använt en blandning av fotogen och syre. Problemet är att alla sådana drivmedel har en relativt liten "energitäthet" (energi lagrad per volymenhet) och en låg "specifik impuls" (effektiviteten med vilken de kan generera dragkraft). Detta innebär att raketens totala dragkraft – den specifika impulsen multiplicerad med avgasernas massflödeshastighet och jordens gravitation – är låg.

Kemiska drivmedel kan därför bara ta dig så långt, med månen som den traditionella gränsen. För att nå avlägsna planeter och andra "deep-space" destinationer, utnyttjar rymdskepp vanligtvis gravitationskraften från flera olika planeter. Sådana resor är dock omständliga och tar lång tid. NASA:s Juno-uppdrag behövdes till exempel fem år för att komma till Jupiter, medan Voyager-farkosten tog mer än 30 år att nå kanten av solsystemet. Sådana uppdrag är också begränsade av smala och sällsynta startfönster.

En nukleär rymdfarkost skulle istället använda fissionsenergi för att värma upp ett bränsle (figur 1) – med största sannolikhet kryogeniskt lagrat flytande väte, som har låg molekylmassa och hög förbränningsvärme. "Kärnkraftsframdrivning, antingen elektrisk eller termisk, skulle kunna utvinna mer energi från en given bränslemassa än vad som är möjligt via förbränningsbaserad framdrivning", säger Dale Thomas, en tidigare biträdande direktör vid NASA:s Marshall Space Flight Center, nu vid University of Alabama i Huntsville.

1 Inuti en kärnkraftsdriven rymdfarkost

Ett schematiskt diagram som visar komponenterna i en kärnvapenraket — (Med tillstånd: NASA)

I en raket som använder nukleär termisk framdrivning värms en arbetsvätska, vanligtvis flytande väte, till hög temperatur i en kärnreaktor och expanderar sedan genom ett munstycke för att skapa dragkraft. Genom att ge en högre effektiv avgashastighet skulle en sådan raket fördubbla eller tredubbla nyttolastkapaciteten jämfört med kemiska drivmedel som lagrar energi internt.

Thomas säger att dagens mest effektiva kemiska framdrivningssystem kan uppnå en specifik impuls på cirka 465 sekunder. NTP, däremot, kan ha en specifik impuls på nästan 900 sekunder på grund av den högre effekttätheten hos kärnreaktioner. I kombination med ett mycket högre dragkraft-till-vikt-förhållande kan NTP få en raket till Mars på bara 500 dagar, snarare än 900.

"Förhållandet mellan dragkraft och vikt är avgörande eftersom det bestämmer rymdfarkostens förmåga att accelerera, vilket är särskilt viktigt under viktiga uppdragsfaser, som att fly från jordens gravitation eller manövrera i rymden", säger Mauro Augelli, chef för uppskjutningssystem vid UK Space Agency. "Den specifika impulsen, å andra sidan, är ett mått på hur effektivt en raket använder sitt drivmedel."

Kärnkraftsframdrivning, antingen elektrisk eller termisk, skulle kunna utvinna mer energi från en given bränslemassa än vad som är möjligt via förbränningsbaserad framdrivning

Dale Thomas, University of Alabama i Huntsville

I grund och botten, för en given mängd drivmedel, kan en kärnkraftsdriven rymdfarkost färdas snabbare och upprätthålla sin dragkraft under längre perioder än en kemisk raket. Det skulle därför vara bra för besättningsuppdrag till Mars – inte bara skulle astronauterna ha en snabbare resa, utan som ett resultat av det skulle de utsättas för mindre kosmisk strålning. "Dessutom minskar kortare uppdragsperioder de logistiska och livsuppehållande utmaningarna, vilket gör utforskning av rymden mer genomförbart och säkrare", tillägger Augelli.

Men kärnkraft handlar inte bara om att förkorta restiderna. NASA har också en dedikerat program Vid dess Glenn Research Center i Cleveland, Ohio, för att använda kärnklyvning – snarare än solenergi eller kemiska bränslen – för att driva rymdfarkoster när de har nått sin destination. "Kärnenergi erbjuder unika fördelar för drift i extrema miljöer och regioner i rymden där sol- och kemiska system är antingen otillräckliga eller omöjliga som kraftkällor för längre drift", säger programchefen Lindsay Kaldon.

Tillbaka i aktion

År 2020 satte den amerikanska regeringen nukleära rymdfarkoster tillbaka på agendan genom ger nästan 100 miljoner dollar till tre företag – General Atomics, Lockheed Martin och Blue Origin. De kommer att använda pengarna för att arbeta med Demonstrationsraket för agila cislunaroperationer (DRACO) programmet, som finansieras via DARPA forskningsbyrå vid det amerikanska försvarsdepartementet. I den första fasen, kommer företagen att sträva efter att visa att NTP kan användas för att flyga en raket ovanför låg omloppsbana om jorden, med DARPA som siktar på dragkraft-till-vikt-förhållanden i paritet med befintliga kemiska raketsystem.

**Energi på begäran** Ett klyvningsytkraftsystem som detta skulle kunna ge säker, effektiv och pålitlig elektrisk kraft på månen och Mars. (Med tillstånd: NASA)

Tabitha Dodson, DARPA-programledare för DRACO, tror att den framgångsrika uppskjutningen och flygningen av en kärnreaktor genom DRACO-programmet skulle revolutionera rymdflygningen. "Till skillnad från dagens kemiska system, som har nått en gräns för hur långt de kan utvecklas, är kärnteknik teoretiserade för att utvecklas till system som fusion och vidare", säger hon. "Rymdfarkoster som utvecklats för att manövreras och drivs av kärnreaktorer kommer att göra det möjligt för mänskligheten att gå längre, med en högre chans att överleva och framgång för alla uppdragstyper."

I DRACO-programmet kommer General Atomics att designa NTP-reaktorn och upprätta en ritning för ett framdrivningsdelsystem, medan Blue Origin och Lockheed Martin kommer att planera själva rymdfarkosten. Klyvningsreaktorn skulle använda en speciell höganalys låganrikat uran (HALEU), som kan tillverkas med bränsle som återvinns från befintliga kärnreaktorer. Innehåller endast 20 % anrikat uran och är olämpligt att förvandlas till kärnvapen.

Reaktorn skulle inte slås på (dvs. bli kritisk) förrän farkosten hade nått en "kärnkraftssäker" omloppsbana. I den osannolika händelsen av en nödsituation skulle all kontaminering med andra ord ofarligt skingras ut i rymden. Lockheed Martin har redan gått ihop med BWX Technologies i Lynchburg, Virginia, för att utveckla reaktorn och producera HALEU-bränslet. BWX säger att en DRACO-raket kan skjutas upp så snart som 2027.

Luftandas raketmotorer: framtiden för rymdfärd

Någon annanstans, forskare vid Idaho National Laboratory i USA hjälper NASA att utveckla och testa de material som behövs för en kärnvapenraket vid dess Transient reaktortest (BEHANDLA) anläggning nära Idaho Falls. De genomförde redan en övningskörning förra året för att validera datormodellerna och testa en ny sensor och experimentkapsel. Långsiktigt är syftet att identifiera vilka material, kompositstrukturer och uranföreningar som fungerar bäst under de extremt varma förhållandena i en NTP-reaktor.

Värmen från reaktorn skulle värma vätebränsle, vilket ger den största förändringen i hastighet – vad raketforskare kallar Δv – för en given massa. Nackdelen med väte är att den har låg densitet och raketen skulle behöva stora tankar. Andra drivmedel, såsom ammoniak, har ett lägre Δv per kilo drivmedel, men är mycket tätare. Borta i Huntsville har Thomas visat att ammoniak skulle vara det perfekta bränslet för att få astronomer till Mars från NASA:s Lunar Gateway – en rymdstation som skulle kretsa runt månen.

Har publicerat en recension av NTP-teknik för American Institute of Aeronautics and Astronautics 2020, har Thomas kommit fram till att vanliga NTP-system, som erbjuder mycket kraft för korta brännskador på cirka 50 minuter, kommer att vara idealiska för förbiflygningar och mötesuppdrag. Men det finns också "bi-modala" system, som kombinerar NTP med NEP (se rutan "Utmaningarna med kärnkraftsdrivning"). Den förra ger snabba skurar med hög dragkraft medan den senare ger låg dragkraft under längre perioder – perfekt för långa uppdrag tur och retur.

Kate Haggerty Kelly, chef för rymd- och teknik vid BWX Technologies, säger att den totala kärnvärmeframdrivningen kan vara två till fem gånger effektivare än kemiska framdrivningssystem samtidigt som den erbjuder hög dragkraft. "[Däremot kan kärnkraftsdrivsystem ge högre effektivitet men lägre dragkraft, och energin som genereras genom kärnklyvning kan omvandlas till elektricitet för att ge kraft till delsystem på rymdfarkosten."

Utmaningarna med nukleär elektrisk framdrivning

**Stadigt när vi går** Lindsay Kaldon, projektledare för klyvning av ytkraft vid NASA, tror att den stadiga kraften från kärnkraftverk kommer att möjliggöra tillförlitliga resor ut i rymden. (Med tillstånd: NASA)

Nukleär termisk framdrivning (NTP) innebär att man använder energin från en kärnreaktion för att värma upp bränsle som avfyras från baksidan av en raket, som luften från en leksaksballong. Men med nukleär elektrisk framdrivning (NEP) används fissionsenergin istället för att jonisera en gas. "Drivmedlet som drivs ut av ett NEP-system kan vara en inert gas, som xenon eller krypton, men jod, litium eller väte kan vara alternativ beroende på typen av elektrisk propell", säger Lindsay Kaldon, projektledare för klyvningsytkraft vid NASA:s Glenn Research Center.

När drivmedlet joniseras kan gasen styras och accelereras med hjälp av elektromagnetiska anordningar för att ge en rymdfarkost dess rörelse framåt. Kaldon medger att mängden dragkraft är mycket mindre än du skulle få från en NTP-raket. "Tänk på NEP som en segelbåt med en lätt bris jämfört med en motorbåt", säger hon. "Men detta är verkligen allt vi behöver för en stadig, pålitlig resa ut i rymden."

Utmaningen för Kaldon och hennes kollegor på Glenn är att se till att reaktorn producerar tillräckligt med elektricitet för att jonisera drivmedlet och att propellerna fungerar smidigt. Ett alternativ är att använda en "Stirlingmotor", som använder cyklisk kompression och expansion av gas mellan en varm och kall ände av motorn för att producera elektricitet. Det andra alternativet är a "Hall effekt thruster", som skapar en spänning genom att kombinera en elektrisk ledare med ett magnetfält vinkelrätt mot ledaren.

Så kommer NTP eller NEP att vara bättre för rymdoperationer? Enligt Thomas kommer det att bero på typen av uppdrag. "För uppdrag av en viss klass – såsom vetenskapliga rymdfarkoster över en viss massa – eller besättningsuppdrag, eller för vissa destinationer, kommer NTP att vara det bästa valet, medan NEP kommer att vara bäst för andra uppdrag. Precis som en bilresa beror det på avståndet, hur mycket bagage du bär, ditt schema kräver och så vidare."

Nukleär framtid

NASA överväger redan flera kärnkraftsdrivna rymduppdrag. Enligt en rapport som släpptes i juni 2021Dessa kan inkludera farkoster som kommer att kretsa kring olika månar av Uranus och Jupiter, och andra som kommer att kretsa och landa på Neptunus måne Triton. Rapporten föreställer också en kärnkraftsdriven raket som kommer in i en polär omloppsbana runt solen och möjligen till och med ett uppdrag in i det interstellära rymden.

I slutändan kommer nukleär framdrivning av någon typ – antingen ensam eller i kombination med en annan typ av framdrivning – att vara en viktig del av mänsklighetens framtida rymdsatsningar. Med NASA, den brittiska rymdorganisationen och Europeiska rymdorganisationen som alla tittar på kärnkraftsdrivna rymdfärder, är min insats att de första besättningsuppdragen till Mars på 2030-talet kommer att använda någon form av denna teknik. Drömmen om Freeman Dyson kan, jag är säker på, snart se dagens ljus.