ยานอวกาศพลังงานนิวเคลียร์: ทำไมความฝันถึงจรวดปรมาณูถึงกลับมาอีกครั้ง - โลกฟิสิกส์

ยานอวกาศพลังงานนิวเคลียร์: ทำไมความฝันถึงจรวดปรมาณูถึงกลับมาอีกครั้ง - โลกฟิสิกส์

โหนดต้นทาง: 3092084

การปล่อยจรวดสู่อวกาศด้วยระเบิดปรมาณูเป็นความคิดบ้าๆ ที่ถูกทิ้งไปเมื่อหลายสิบปีก่อนอย่างน่ายินดี แต่เป็น. ริชาร์ด คอร์ฟิลด์ ค้นพบว่าศักยภาพของการใช้พลังงานจากเครื่องยนต์นิวเคลียร์เพื่อขับเคลื่อนการเดินทางในอวกาศกลับมาอยู่ในวาระการประชุมของ NASA

<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="ไปนิวเคลียร์ จรวด DRACO ของอเมริกาจะใช้ความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันเพื่อขับเคลื่อนมันสู่อวกาศ (เอื้อเฟื้อโดย: ล็อกฮีด มาร์ติน)”>
ภาพจรวดพลังนิวเคลียร์ DRACO มุ่งหน้าสู่อวกาศ
ไปนิวเคลียร์ จรวด DRACO ของอเมริกาจะใช้ความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันเพื่อขับเคลื่อนมันสู่อวกาศ (ขอบคุณภาพ: ล็อกฮีด มาร์ติน)

ในปีพ.ศ. 1914 HG Wells ได้ตีพิมพ์ โลกตั้งเป็นอิสระนวนิยายที่มีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ว่าวันหนึ่งเรเดียมอาจขับเคลื่อนยานอวกาศได้ เวลส์ ซึ่งคุ้นเคยกับงานของนักฟิสิกส์ เช่น เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด รู้ว่าเรเดียมสามารถผลิตความร้อนได้ และจินตนาการว่ามันจะถูกนำมาใช้เพื่อหมุนกังหัน หนังสืออาจจะเป็นนิยายแต่ โลกตั้งเป็นอิสระ มองเห็นศักยภาพของสิ่งที่เรียกว่า "ยานอวกาศปรมาณู" ได้อย่างถูกต้อง

แนวคิดในการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อการเดินทางในอวกาศเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 เมื่อประชาชนทั่วไปซึ่งได้เห็นความน่าสะพรึงกลัวของฮิโรชิมาและนางาซากิ ค่อยๆ เชื่อมั่นในการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อจุดประสงค์เชิงสันติ ขอบคุณโปรแกรมต่างๆเช่นอเมริกา อะตอมเพื่อสันติผู้คนเริ่มเห็นว่าพลังงานนิวเคลียร์สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานและการขนส่งได้ แต่บางทีการใช้งานที่รุนแรงที่สุดในการบินอวกาศ

หนึ่งในผู้สนับสนุนการเดินทางในอวกาศด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งที่สุดคือนักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ผู้มีชื่อเสียง Freeman Dyson. ในปี 1958 เขาได้พักงานหนึ่งปีจากสถาบันการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตัน เพื่อไปทำงานที่ General Atomics ในซานดิเอโก ในโครงการชื่อรหัส Orion ผลิตผลงานของ Ted Taylor นักฟิสิกส์ที่เคยทำงานในโครงการระเบิดปรมาณูแมนฮัตตันที่ Las Alamos โครงการกลุ่มดาวนายพราน มีเป้าหมายเพื่อสร้างยานอวกาศขนาด 4000 ตัน ซึ่งจะใช้ระเบิดนิวเคลียร์ 2600 ลูกในการขับเคลื่อนยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศ

การทิ้งระเบิดปรมาณูลงด้านหลังยานอวกาศฟังดูบ้าบอเมื่อคำนึงถึงสิ่งแวดล้อม แต่ Dyson คำนวณว่าชาวอเมริกัน “เพียง 0.1–1 คนเท่านั้น” ที่จะติดมะเร็งด้วยวิธีนี้ โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจากผู้เชี่ยวชาญด้านจรวดด้วยซ้ำ Braun Wernher ฟอนและทำการบินทดสอบที่ไม่ใช่นิวเคลียร์หลายชุด โชคดีที่ สนธิสัญญาห้ามทดสอบบางส่วน พ.ศ. 1963 ยุติโครงการ Orion และในเวลาต่อมา Dyson เองก็ถอนการสนับสนุนยานอวกาศปรมาณูหลังจากตระหนักถึงอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมอย่างล่าช้า

แม้ว่าโครงการ Orion จะสิ้นสุดลง แต่แรงดึงดูดของการขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ก็ไม่เคยหายไปเลย (ดูกรอบ “การเดินทางในอวกาศนิวเคลียร์: ประวัติโดยย่อ”) และตอนนี้กำลังเพลิดเพลินกับการฟื้นตัวอีกครั้ง อย่างไรก็ตาม แทนที่จะใช้ระเบิดปรมาณู แนวคิดก็คือการถ่ายโอนพลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันไปยังเชื้อเพลิงจรวด ซึ่งจะถูกให้ความร้อนประมาณ 2500 เคลวิน และดีดออกผ่านหัวฉีดในกระบวนการที่เรียกว่า "แรงขับเคลื่อนความร้อนนิวเคลียร์" (NTP) . อีกทางหนึ่ง พลังงานฟิชชันอาจทำให้ก๊าซกลายเป็นไอออนซึ่งจะถูกยิงออกจากด้านหลังของยานอวกาศ ซึ่งเรียกว่า "แรงขับด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์" (NEP)

การเดินทางในอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์เป็นโอกาสที่เป็นจริงหรือไม่ และหากเป็นเช่นนั้น เทคโนโลยีใดจะชนะ

การเดินทางในอวกาศนิวเคลียร์: ประวัติศาสตร์โดยย่อ

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_dyson.jpg" data-caption="ฝันบ้าๆ นักฟิสิกส์ Ted Taylor และ Freeman Dyson จินตนาการถึงการใช้ระเบิดนิวเคลียร์เพื่อยิงยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจร (เอื้อเฟื้อโดย: MIT/Laurent Taudin; www.unsitesurinternet.fr)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02- feat-Corfield_rockets_dyson.jpg”>ภาพประกอบของนักฟิสิกส์ 2 คนจินตนาการถึงการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อขับเคลื่อนจรวด

แนวคิดเกี่ยวกับการบินอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์นั้นย้อนกลับไปในทศวรรษ 1950 เมื่อนักฟิสิกส์ฟรีแมน ไดสัน เสนอให้ใช้ระเบิดปรมาณูเพื่อขับเคลื่อนจรวดขึ้นสู่อวกาศ แนวคิดดังกล่าวถูกละทิ้งอย่างรวดเร็วและโชคดี แต่ในทศวรรษ 1960 และ 1970 NASA และคณะกรรมาธิการพลังงานปรมาณูของสหรัฐอเมริกาได้ดำเนินการ เครื่องยนต์นิวเคลียร์สำหรับการใช้งานยานพาหนะจรวด โครงการ NERVA ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ความร้อนจากปฏิกิริยาฟิชชันเพื่อขับเคลื่อนจรวดขึ้นสู่อวกาศ แม้ว่าจะไม่เคยมีการเปิดตัวภารกิจนิวเคลียร์ แต่ NERVA ก็นำไปสู่ความก้าวหน้าหลายประการในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ การผลิต เครื่องจักรเทอร์โบ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ต่อมาในช่วงทศวรรษ 1980 สหรัฐฯ ได้ตั้งงบประมาณไว้ 200 ล้านเหรียญสหรัฐ การขับเคลื่อนความร้อนนิวเคลียร์อวกาศ โปรแกรม (SNTP) ซึ่งพยายามพัฒนาจรวดที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ซึ่งจะมีพลังมากกว่าเครื่องยนต์จรวดเคมีแบบดั้งเดิมถึงสองเท่า SNTP เป็นส่วนหนึ่งของโครงการริเริ่มการป้องกันเชิงยุทธศาสตร์ของสหรัฐฯ ซึ่งประธานาธิบดีโรนัลด์ เรแกนได้จัดตั้งขึ้นเพื่อปกป้องอเมริกาจากขีปนาวุธนิวเคลียร์ที่เข้ามา SNTP ถูกยกเลิกไปในช่วงต้นทศวรรษ 1990 เนื่องจากองค์ประกอบของเชื้อเพลิงมีแนวโน้มที่จะแตกหักภายใต้ความเครียด และการทดสอบระบบขับเคลื่อนก็ถือว่าแพงเกินไป อย่างไรก็ตาม ในตอนนี้ NASA กำลังมองหาการเดินทางในอวกาศด้วยนิวเคลียร์อีกครั้ง (ดูข้อความหลัก)

การเพิ่มพลังนิวเคลียร์

จรวดธรรมดาส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงเคมีธรรมดา ที่ จรวด Saturn V ที่พานักบินอวกาศไปยังดวงจันทร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 และต้นทศวรรษ 1970 เช่น ใช้เชื้อเพลิงเหลว ในขณะที่จรวดเสริมที่ล้มเหลวอย่างน่าทึ่งระหว่างการปล่อยกระสวยอวกาศ ผู้ท้าชิง ในปี พ.ศ. 1986 มีเชื้อเพลิงแข็ง

เมื่อเร็ว ๆ นี้ จรวดฟอลคอนของ Space Xเช่นมีการใช้น้ำมันก๊าดผสมออกซิเจน ปัญหาคือ เชื้อเพลิงขับเคลื่อนดังกล่าวทั้งหมดมี "ความหนาแน่นของพลังงาน" ค่อนข้างน้อย (พลังงานที่เก็บไว้ต่อหน่วยปริมาตร) และมี "แรงกระตุ้นจำเพาะ" ต่ำ (ประสิทธิภาพที่พวกมันสามารถสร้างแรงขับได้) ซึ่งหมายความว่าแรงขับโดยรวมของจรวด (แรงกระตุ้นจำเพาะคูณด้วยอัตราการไหลของมวลของก๊าซไอเสียและแรงโน้มถ่วงของโลก) อยู่ในระดับต่ำ

สารขับเคลื่อนด้วยสารเคมีจึงสามารถพาคุณไปได้ไกลเท่านั้น โดยที่ดวงจันทร์ถือเป็นขีดจำกัดแบบดั้งเดิม ในการเข้าถึงดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลและจุดหมายปลายทาง "ห้วงอวกาศ" อื่นๆ ยานอวกาศมักจะใช้ประโยชน์จากแรงดึงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์หลายดวง อย่างไรก็ตาม การเดินทางดังกล่าวมีวงจรและใช้เวลานาน ตัวอย่างเช่น ภารกิจจูโนของ NASA จำเป็น ห้าปี เพื่อไปถึงดาวพฤหัสบดี ในขณะที่ยานโวเอเจอร์ใช้เวลามากกว่า 30 ปีจึงจะไปถึงดาวพฤหัสบดีได้ ขอบของระบบสุริยะ. ภารกิจดังกล่าวยังถูกจำกัดด้วยกรอบการปล่อยยานที่แคบและไม่บ่อยนัก

ยานอวกาศนิวเคลียร์จะใช้พลังงานฟิชชันเพื่อให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงแทน (รูปที่ 1) ซึ่งเป็นไปได้มากว่าไฮโดรเจนเหลวจะถูกกักเก็บด้วยการแช่แข็งซึ่งมีมวลโมเลกุลต่ำและมีความร้อนในการเผาไหม้สูง “การขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าหรือความร้อน สามารถดึงพลังงานจากมวลเชื้อเพลิงที่กำหนดได้มากกว่าที่เป็นไปได้จากการขับเคลื่อนด้วยการเผาไหม้” กล่าว เดลโทมัสอดีตรองผู้อำนวยการศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของ NASA ปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยอลาบามาในฮันต์สวิลล์

1 ภายในยานอวกาศพลังงานนิวเคลียร์

แผนผังแสดงส่วนประกอบของจรวดความร้อนนิวเคลียร์

ในจรวดที่ใช้แรงขับความร้อนนิวเคลียร์ ของไหลใช้งาน ซึ่งมักจะเป็นไฮโดรเจนเหลว จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จากนั้นจะขยายตัวผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างแรงผลักดัน เมื่อให้ความเร็วไอเสียที่มีประสิทธิผลสูงกว่า จรวดดังกล่าวจะเพิ่มความจุของน้ำหนักบรรทุกเป็นสองเท่าหรือสามเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับจรวดเคมีที่เก็บพลังงานไว้ภายใน

โทมัสกล่าวว่าระบบขับเคลื่อนด้วยสารเคมีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบันสามารถบรรลุผลสำเร็จได้ แรงกระตุ้นเฉพาะ ประมาณ 465 วินาที ในทางตรงกันข้าม NTP สามารถมีแรงกระตุ้นจำเพาะได้เกือบ 900 วินาที เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่าของปฏิกิริยานิวเคลียร์ เมื่อรวมกับอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่สูงกว่ามาก NTP ก็สามารถส่งจรวดไปยังดาวอังคารได้ภายในเวลาเพียง 500 วัน แทนที่จะเป็น 900 วัน

“อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากจะเป็นตัวกำหนดความสามารถของยานอวกาศในการเร่งความเร็ว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในระหว่างขั้นตอนภารกิจสำคัญๆ เช่น การหนีจากแรงโน้มถ่วงของโลก หรือการหลบหลีกในห้วงอวกาศ” กล่าว เมาโร ออเจลลีหัวหน้าฝ่ายระบบส่งยานอวกาศขององค์การอวกาศแห่งสหราชอาณาจักร ในทางกลับกัน แรงกระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงคือการวัดประสิทธิภาพของจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อน”

การขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าหรือความร้อน สามารถดึงพลังงานจากมวลเชื้อเพลิงที่กำหนดได้มากกว่าที่เป็นไปได้จากการขับเคลื่อนด้วยการเผาไหม้

Dale Thomas มหาวิทยาลัยอลาบามาใน Huntsville

โดยพื้นฐานแล้ว สำหรับจรวดขับเคลื่อนจำนวนหนึ่ง ยานอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์สามารถเดินทางได้เร็วกว่าและรักษาแรงขับดันได้นานกว่าจรวดเคมี ดังนั้น จึงเป็นเรื่องดีสำหรับภารกิจที่มีลูกเรือไปยังดาวอังคาร ไม่เพียงแต่นักบินอวกาศจะได้เดินทางเร็วขึ้นเท่านั้น แต่ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงได้รับรังสีคอสมิกน้อยลง “ยิ่งกว่านั้น ระยะเวลาภารกิจที่สั้นลงจะช่วยลดความท้าทายด้านลอจิสติกส์และการช่วยชีวิต ทำให้การสำรวจอวกาศลึกเป็นไปได้และปลอดภัยยิ่งขึ้น” Augelli กล่าวเสริม

แต่พลังงานนิวเคลียร์ไม่ได้เป็นเพียงการลดระยะเวลาการเดินทางเท่านั้น นาซ่าก็มี โปรแกรมเฉพาะ ที่ดี ศูนย์วิจัย Glenn ในเมืองคลีฟแลนด์ รัฐโอไฮโอ เพื่อใช้นิวเคลียร์ฟิชชัน แทนพลังงานแสงอาทิตย์หรือเชื้อเพลิงเคมี เพื่อเป็นพลังงานให้กับยานอวกาศเมื่อไปถึงจุดหมายปลายทางแล้ว “พลังงานนิวเคลียร์ให้ประโยชน์ที่เป็นเอกลักษณ์สำหรับการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและภูมิภาคในพื้นที่ที่ระบบพลังงานแสงอาทิตย์และเคมีไม่เพียงพอหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการดำเนินงานที่ยาวนานขึ้น” ผู้จัดการโครงการกล่าว ลินด์ซีย์ คาลดอน.

กลับมาใช้งานจริง

ในปี 2020 รัฐบาลสหรัฐฯ ได้นำยานอวกาศนิวเคลียร์กลับมาอยู่ในวาระการประชุมอีกครั้งโดย มอบรางวัลเกือบ 100 ล้านเหรียญ ให้กับสามบริษัท ได้แก่ General Atomics, Lockheed Martin และ Blue Origin พวกเขาจะใช้เงินในการทำงานในการ จรวดสาธิตสำหรับปฏิบัติการ Agile Cislunar (DRACO) ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนผ่านทาง DARPA หน่วยงานวิจัยของกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ ในระยะแรกบริษัทต่างๆ มีเป้าหมายที่จะแสดงให้เห็นว่า NTP สามารถใช้บินจรวดเหนือวงโคจรโลกต่ำได้ โดย DARPA มุ่งเป้าไปที่อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่เทียบเท่ากับระบบจรวดเคมีที่มีอยู่

<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="พลังงานตามความต้องการ 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”>ระบบพลังงานผิวฟิชชัน

ทาบิธา ดอดสันผู้จัดการโปรแกรม DARPA ของ DRACO คิดว่าการเปิดตัวและการบินของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ประสบความสำเร็จโดยโปรแกรม DRACO จะปฏิวัติการบินในอวกาศ “ไม่เหมือนกับระบบเคมีในปัจจุบันที่พัฒนาไปถึงขีดจำกัดแล้ว เทคโนโลยีนิวเคลียร์ถูกตั้งทฤษฎีให้พัฒนาเป็นระบบต่างๆ เช่น ฟิวชันและอื่นๆ” เธอกล่าว “ยานอวกาศที่พัฒนาให้ควบคุมและขับเคลื่อนโดยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะช่วยให้มนุษยชาติไปได้ไกลยิ่งขึ้น โดยมีโอกาสรอดชีวิตและประสบความสำเร็จมากขึ้นสำหรับภารกิจทุกประเภท”

ในโครงการ DRACO บริษัท General Atomics จะออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ NTP และร่างพิมพ์เขียวสำหรับระบบย่อยการขับเคลื่อน ในขณะที่ Blue Origin และ Lockheed Martin จะวางแผนยานอวกาศด้วยตัวเอง เครื่องปฏิกรณ์ฟิชชันจะใช้เครื่องปฏิกรณ์พิเศษ ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำทดสอบสูง (HALEU) ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เชื้อเพลิงรีไซเคิลจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีอยู่ มียูเรเนียมเสริมสมรรถนะเพียง 20% จึงไม่เหมาะที่จะนำไปใช้เป็นอาวุธนิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์จะไม่ถูกเปิด (เช่น เข้าขั้นวิกฤติ) จนกว่ายานจะถึงวงโคจรที่ "ปลอดภัยจากนิวเคลียร์" ในกรณีที่เกิดเหตุฉุกเฉินซึ่งไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ การปนเปื้อนใดๆ ก็ตามจะกระจายไปในอวกาศอย่างไม่เป็นอันตราย บริษัท Lockheed Martin ได้ผนึกกำลังกับ เทคโนโลยี BWX แห่งเมืองลินช์เบิร์ก รัฐเวอร์จิเนีย เพื่อพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์และผลิตเชื้อเพลิง HALEU BWX บอกว่าจรวด DRACO สามารถยิงได้ ทันทีที่2027.

ที่อื่น ๆ นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติไอดาโฮ ในสหรัฐอเมริกากำลังช่วย NASA พัฒนาและทดสอบวัสดุที่จำเป็นสำหรับจรวดนิวเคลียร์ การทดสอบเครื่องปฏิกรณ์ชั่วคราว (TREAT) สิ่งอำนวยความสะดวกใกล้น้ำตกไอดาโฮ พวกเขาได้ดำเนินการฝึกซ้อมเมื่อปีที่แล้วเพื่อตรวจสอบโมเดลคอมพิวเตอร์และทดสอบเซ็นเซอร์และแคปซูลทดลองตัวใหม่ จุดมุ่งหมายในระยะยาวคือการระบุว่าวัสดุ โครงสร้างคอมโพสิต และสารประกอบยูเรเนียมชนิดใดทำงานได้ดีที่สุดในสภาวะที่ร้อนจัดของเครื่องปฏิกรณ์ NTP

ความร้อนจากเครื่องปฏิกรณ์จะทำให้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนร้อนขึ้น ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์จรวดเรียกว่า Δv – สำหรับมวลที่กำหนด ข้อเสียของไฮโดรเจนคือมีความหนาแน่นต่ำ และจรวดต้องใช้ถังขนาดใหญ่ สารขับดันอื่นๆ เช่น แอมโมเนีย จะมีค่า Δ ต่ำกว่าv ต่อกิโลกรัมของจรวด แต่มีความหนาแน่นมากกว่ามาก ที่ฮันต์สวิลล์ โทมัสได้แสดงให้เห็นว่าแอมโมเนียจะเป็นเชื้อเพลิงในอุดมคติในการส่งนักดาราศาสตร์จาก NASA ไปยังดาวอังคาร ประตูทางจันทรคติ – สถานีอวกาศที่จะโคจรรอบดวงจันทร์

มีการเผยแพร่ ทบทวนเทคโนโลยี NTP สำหรับสถาบันการบินและอวกาศแห่งอเมริกาในปี 2020 โทมัสได้สรุปว่าระบบ NTP ปกติซึ่งมีแรงขับจำนวนมากสำหรับการเผาไหม้ระยะสั้นประมาณ 50 นาที จะเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบินผ่านและภารกิจนัดพบ แต่ยังมีระบบ "สองกิริยา" ซึ่งรวม NTP กับ NEP (ดูกล่อง "ความท้าทายของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์") แบบแรกให้แรงขับสูงอย่างรวดเร็วในขณะที่แบบหลังให้แรงขับต่ำเป็นระยะเวลานาน เหมาะสำหรับภารกิจไปกลับที่ยาวนาน

เคท แฮกเกอร์ตี้ เคลลี่ผู้อำนวยการฝ่ายอวกาศและวิศวกรรมของ BWX Technologies กล่าวว่าการขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์โดยรวมสามารถมีประสิทธิภาพมากกว่าระบบขับเคลื่อนด้วยสารเคมีถึงสองถึงห้าเท่า ขณะเดียวกันก็ให้แรงขับสูงด้วย “[ในทางตรงกันข้าม] ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นแต่มีแรงขับต่ำกว่า และพลังงานที่เกิดจากการแยกตัวของนิวเคลียร์สามารถเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบย่อยบนยานอวกาศได้”

ความท้าทายของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_Kaldon.jpg" data-caption="นักคิดก้าวหน้า Lindsay Kaldon ผู้จัดการโครงการพลังงานพื้นผิวฟิชชันของ NASA คิดว่าพลังงานคงที่จากการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์จะช่วยให้สามารถเดินทางสู่อวกาศได้อย่างน่าเชื่อถือ (เอื้อเฟื้อโดย: NASA)” title=”คลิกเพื่อเปิดภาพในป๊อปอัป” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/2024-02-Feat-Corfield_rockets_Kaldon.jpg”>ลินด์ซีย์ คาลดอน

การขับเคลื่อนความร้อนนิวเคลียร์ (NTP) เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เพื่อให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงที่ถูกยิงออกจากด้านหลังของจรวด เช่นเดียวกับอากาศจากบอลลูนของเล่น แต่ด้วยระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้านิวเคลียร์ (NEP) พลังงานฟิชชันจะถูกนำมาใช้เพื่อทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนแทน “จรวดที่ถูกขับออกโดยระบบ NEP อาจเป็นก๊าซเฉื่อย เช่น ซีนอนหรือคริปทอน แต่ไอโอดีน ลิเธียม หรือไฮโดรเจนสามารถเป็นทางเลือกได้ ขึ้นอยู่กับประเภทของคันเร่งไฟฟ้า” Lindsay Kaldon ผู้จัดการโครงการของ พลังงานพื้นผิวฟิชชัน ที่ศูนย์วิจัย Glenn ของ NASA

เมื่อจรวดถูกไอออนไนซ์ ก๊าซจะถูกนำทางและเร่งความเร็วได้โดยใช้อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อให้ยานอวกาศเคลื่อนที่ไปข้างหน้า คาลดอนยอมรับว่าปริมาณแรงขับน้อยกว่าที่คุณได้รับจากจรวด NTP มาก “ให้คิดว่า NEP เป็นเรือใบที่มีลมพัดเบาๆ เมื่อเทียบกับเรือเร็ว” เธอกล่าว “อย่างไรก็ตาม นี่คือทั้งหมดที่เราต้องการสำหรับการเดินทางสู่ห้วงอวกาศอย่างมั่นคงและเชื่อถือได้”

ความท้าทายสำหรับคาลดอนและเพื่อนร่วมงานของเธอที่เกล็นน์คือต้องแน่ใจว่าเครื่องปฏิกรณ์กำลังผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะทำให้ตัวขับเคลื่อนแตกตัวเป็นไอออนและตัวขับดันทำงานได้อย่างราบรื่น ทางเลือกหนึ่งคือการใช้ “เครื่องยนต์สเตอร์ลิง”ซึ่งใช้การบีบอัดแบบวนและการขยายตัวของก๊าซระหว่างปลายร้อนและเย็นของเครื่องยนต์เพื่อผลิตไฟฟ้า อีกทางเลือกหนึ่งคือก “ทรัสเตอร์ฮอลเอฟเฟกต์”ซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าโดยการรวมตัวนำไฟฟ้าเข้ากับสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับตัวนำ

NTP หรือ NEP จะดีกว่าสำหรับการปฏิบัติการในห้วงอวกาศหรือไม่ ตามคำกล่าวของ Thomas มันจะขึ้นอยู่กับประเภทของภารกิจ “สำหรับภารกิจในระดับหนึ่ง เช่น ยานอวกาศวิทยาศาสตร์เหนือมวลที่กำหนด หรือภารกิจที่มีลูกเรือ หรือสำหรับจุดหมายปลายทางบางแห่ง NTP จะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ในขณะที่ภารกิจอื่นๆ NEP จะดีที่สุด เช่นเดียวกับการเดินทางด้วยรถยนต์ ขึ้นอยู่กับระยะทาง ปริมาณสัมภาระที่คุณบรรทุก ตารางเวลาของคุณ และอื่นๆ”

อนาคตนิวเคลียร์

NASA กำลังพิจารณาภารกิจอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์หลายภารกิจอยู่แล้ว ตาม รายงานที่เผยแพร่ในเดือนมิถุนายน 2021ซึ่งอาจรวมถึงยานที่จะโคจรรอบดวงจันทร์ต่างๆ ของดาวยูเรนัสและดาวพฤหัสบดี และยานอื่นๆ ที่จะโคจรและลงจอดบนดวงจันทร์ไทรทันของดาวเนปจูน รายงานยังจินตนาการถึงจรวดที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์เข้าสู่วงโคจรขั้วโลกรอบดวงอาทิตย์ และอาจถึงขั้นปฏิบัติภารกิจในอวกาศระหว่างดวงดาวด้วยซ้ำ

ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้าย การขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์บางประเภทจะเป็นส่วนสำคัญของความพยายามในอวกาศในอนาคตของมนุษยชาติ ไม่ว่าจะโดยลำพังหรือรวมกับการขับเคลื่อนประเภทอื่น NASA, UK Space Agency และ European Space Agency ต่างมองหาการบินอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ เดิมพันของฉันก็คือว่า ภายในทศวรรษ 2030 ภารกิจที่มีลูกเรือชุดแรกไปยังดาวอังคารจะใช้เทคโนโลยีนี้รูปแบบหนึ่ง ฉันมั่นใจว่าความฝันของ Freeman Dyson จะได้เห็นแสงสว่างแห่งวันในไม่ช้า

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์