Energi nuklir di luar angkasa. Impuls percepatan atom

Gagasan menggunakan energi nuklir untuk mendorong pesawat ruang angkasa dan menggunakannya di pangkalan atau pemukiman luar angkasa di masa depan bukanlah hal baru. Baru-baru ini, mereka telah datang dalam gelombang baru, dan ketika mereka menjadi medan persaingan kekuatan besar, implementasinya menjadi lebih mungkin.

NASA dan Departemen Energi AS memulai pencarian di antara perusahaan dealer proyek pembangkit listrik tenaga nuklir di Bulan dan Mars. Ini harus mendukung penelitian jangka panjang dan bahkan mungkin proyek pemukiman. Tujuan NASA adalah menyiapkannya untuk diluncurkan pada tahun 2026. Pabrik harus benar-benar dibuat dan dirakit di Bumi dan kemudian diuji keamanannya.

Anthony Calomino, direktur teknologi nuklir NASA di Space Technology Administration, mengatakan bahwa Rencananya adalah untuk mengembangkan sistem fisi nuklir XNUMX kilowatt yang pada akhirnya akan diluncurkan dan ditempatkan di Bulan. (satu). Itu harus terintegrasi dengan pendarat bulan dan booster akan membawanya ke orbit bulan. Pemuat kemudian membawa sistem ke permukaan.

Diharapkan setibanya di lokasi akan segera siap dioperasikan, tanpa perlu perakitan atau konstruksi tambahan. Operasi adalah demonstrasi kemungkinan dan akan menjadi titik awal untuk menggunakan solusi dan turunannya.

“Setelah teknologi divalidasi selama demonstrasi, sistem masa depan dapat ditingkatkan atau beberapa perangkat dapat digunakan bersama untuk misi jangka panjang ke Bulan dan mungkin Mars,” jelas Calomino di CNBC. “Empat unit yang masing-masing menghasilkan 10 kilowatt listrik, akan memberikan daya yang cukup untuk mendirikan pos terdepan di Bulan atau Mars.

Kemampuan untuk menghasilkan listrik dalam jumlah besar di permukaan planet menggunakan sistem fisi berbasis darat akan memungkinkan penelitian skala besar, pos terdepan manusia, dan penggunaan sumber daya in situ, sambil memungkinkan kemungkinan komersialisasi.”

Bagaimana cara kerjanya? pembangkit listrik tenaga nuklir? Bentuk yang sedikit diperkaya bahan bakar nuklir tekad inti nuklir... Kecil reaktor nuklir itu akan menghasilkan panas, yang akan ditransfer ke sistem konversi energi. Sistem konversi energi akan terdiri dari mesin yang dirancang untuk bekerja pada panas reaktor daripada bahan bakar yang mudah terbakar. Mesin ini menggunakan panas, mengubahnya menjadi listrik, yang dikondisikan dan didistribusikan ke peralatan pengguna di permukaan Bulan dan Mars. Metode pembuangan panas penting untuk menjaga suhu pengoperasian perangkat yang tepat.

Daya nuklir sekarang dianggap sebagai satu-satunya alternatif yang masuk akal dimana energi matahari, angin dan tenaga air tidak tersedia. Di Mars, misalnya, kekuatan matahari sangat bervariasi dengan musim, dan badai debu berkala dapat berlangsung selama berbulan-bulan.

Di bulan bulan dingin malam berlangsung selama 14 hari, dengan sinar matahari sangat bervariasi di dekat kutub dan tidak ada di kawah yang dibayangi secara permanen. Dalam kondisi sulit seperti itu, sulit mendapatkan energi dari sinar matahari, dan persediaan bahan bakar terbatas. Energi fisi permukaan menawarkan solusi yang mudah, andal, dan efisien.

Berbeda reaktor tanahtidak ada niat untuk melepas atau mengganti bahan bakar. Di akhir misi 10 tahun, ada juga rencana untuk dekomisioning fasilitas yang aman. “Pada akhir masa pakainya, sistem akan dimatikan dan tingkat radiasi secara bertahap akan turun ke tingkat yang aman untuk akses dan pengoperasian manusia,” jelas Calomino. "Sistem limbah dapat dipindahkan ke lokasi penyimpanan yang jauh di mana mereka tidak akan membahayakan kru atau lingkungan."

Reaktor kecil, ringan, tetapi efisien, dalam permintaan tinggi

Saat eksplorasi ruang angkasa berkembang, kami sudah melakukannya dengan cukup baik sistem pembangkit tenaga nuklir dalam skala kecil. Sistem seperti itu telah lama menggerakkan pesawat ruang angkasa tak berawak yang melakukan perjalanan jauh ke tata surya.

Pada tahun 2019, pesawat ruang angkasa New Horizons bertenaga nuklir terbang melalui objek terjauh yang pernah dilihat dari jarak dekat, Ultima Thule, jauh melampaui Pluto di wilayah yang dikenal sebagai Sabuk Kuiper. Dia tidak bisa melakukannya tanpa tenaga nuklir. Energi matahari tidak tersedia dalam kekuatan yang cukup di luar orbit Mars. Sumber kimia tidak bertahan lama karena kepadatan energinya terlalu rendah dan massanya terlalu besar.

Digunakan pada misi jarak jauh generator radiotermal (RTG) menggunakan isotop plutonium 238Pu, yang ideal untuk menghasilkan panas permanen dari peluruhan radioaktif alami dengan memancarkan partikel alfa, yang kemudian diubah menjadi listrik. Waktu paruhnya yang 88 tahun berarti akan melayani misi jangka panjang. Namun, RTG tidak dapat menyediakan daya spesifik tinggi yang diperlukan untuk misi panjang, kapal yang lebih besar, belum lagi pangkalan luar angkasa.

Sebuah solusi, misalnya, untuk keberadaan eksplorasi dan kemungkinan pemukiman di Mars atau Bulan bisa menjadi desain reaktor kecil yang telah diuji NASA selama beberapa tahun. Perangkat ini dikenal sebagai Proyek energi fisi kilopower (2), dirancang untuk memasok daya listrik dari 1 hingga 10 kW dan dapat dikonfigurasi sebagai modul terkoordinasi untuk sistem propulsi daya atau untuk mendukung penelitian, penambangan, atau koloni pada badan antariksa asing.

Seperti yang Anda ketahui, massa penting di ruang angkasa. daya reaktor tidak boleh melebihi berat rata-rata kendaraan. Seperti yang kita ketahui, misalnya, dari acara baru-baru ini Roket SpaceX Falcon Heavymeluncurkan mobil ke luar angkasa saat ini bukan masalah teknis. Dengan demikian, reaktor ringan dapat dengan mudah ditempatkan ke orbit di sekitar Bumi dan sekitarnya.

2. Prototipe reaktor XNUMX kilowatt KIlopower.

Roket dengan reaktor menimbulkan harapan dan ketakutan

Mantan Administrator NASA Jim Bridenstine dia menekankan berkali-kali keuntungan dari mesin termal nuklir, menambahkan bahwa lebih banyak kekuatan di orbit berpotensi memungkinkan pesawat yang mengorbit berhasil menghindar jika terjadi serangan senjata anti-satelit.

Reaktor di orbit mereka juga dapat menggerakkan laser militer yang kuat, yang juga sangat menarik bagi otoritas AS. Namun, sebelum mesin roket nuklir melakukan penerbangan pertamanya, NASA harus mengubah undang-undangnya tentang memasukkan bahan nuklir ke luar angkasa. Jika ini benar, maka menurut rencana NASA, penerbangan pertama mesin nuklir harus dilakukan pada 2024.

Namun, AS tampaknya memulai proyek nuklirnya, terutama setelah Rusia mengumumkan program selama satu dekade untuk membangun pesawat ruang angkasa sipil bertenaga nuklir. Mereka pernah menjadi pemimpin yang tak terbantahkan dalam teknologi luar angkasa.

Pada tahun 60-an, Amerika Serikat memiliki proyek untuk rudal nuklir pulsa-pulsa Orion, yang seharusnya sangat kuat sehingga dapat memungkinkan memindahkan seluruh kota ke luar angkasadan bahkan melakukan penerbangan berawak ke Alpha Centauri. Semua seri fantasi Amerika lama telah ada di rak sejak tahun 70-an.

Namun, inilah saatnya untuk menghilangkan konsep lama. mesin nuklir di luar angkasaterutama karena pesaing, dalam hal ini terutama Rusia, baru-baru ini menunjukkan minat yang besar terhadap teknologi ini. Roket termal nuklir dapat memotong waktu penerbangan ke Mars menjadi dua, bahkan mungkin hingga seratus hari, yang berarti astronot mengkonsumsi lebih sedikit sumber daya dan lebih sedikit beban radiasi pada kru. Selain itu, tampaknya, tidak akan ada ketergantungan seperti itu pada "jendela", yaitu, pendekatan berulang Mars ke Bumi setiap beberapa tahun.

Namun, ada risiko, yang mencakup fakta bahwa reaktor onboard akan menjadi sumber radiasi tambahan dalam situasi di mana ruang sudah membawa ancaman besar seperti ini. Itu tidak semua. Mesin termal nuklir itu tidak dapat diluncurkan di atmosfer bumi karena takut akan kemungkinan ledakan dan kontaminasi. Oleh karena itu, roket normal disediakan untuk diluncurkan. Oleh karena itu, kami tidak melewatkan tahap paling mahal yang terkait dengan peluncuran massa ke orbit dari Bumi.

Proyek penelitian NASA disebut POHON (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) adalah salah satu contoh upaya NASA untuk kembali ke propulsi nuklir. Pada tahun 2017, sebelum ada pembicaraan tentang kembalinya teknologi, NASA memberi BWX Technologies kontrak tiga tahun senilai $19 juta untuk mengembangkan komponen bahan bakar dan reaktor yang dibutuhkan untuk konstruksi. mesin nuklir. Salah satu konsep propulsi nuklir ruang angkasa terbaru NASA adalah Reaktor ATEG Swarm-Probe, SPEAR (3), yang diharapkan menggunakan moderator reaktor ringan baru dan generator termoelektrik canggih (ATEG) untuk secara signifikan mengurangi massa inti keseluruhan.

Ini akan membutuhkan penurunan suhu pengoperasian dan penurunan tingkat daya keseluruhan inti. Namun, massa yang berkurang akan membutuhkan daya propulsi yang lebih sedikit, menghasilkan pesawat ruang angkasa listrik bertenaga nuklir yang kecil dan murah.

3. Visualisasi probe yang dikembangkan dalam kerangka proyek Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovIni diumumkan oleh kepala Badan Antariksa Federal Rusia. akan mengembangkan pesawat ruang angkasa bertenaga nuklir untuk perjalanan luar angkasa, menawarkan pendekatan orisinalnya sendiri. Desain awal selesai pada tahun 2013, dan 9 tahun ke depan direncanakan untuk pengembangan. Sistem ini harus merupakan kombinasi dari pembangkit listrik tenaga nuklir dengan sistem propulsi ion. Gas panas pada 1500 °C dari reaktor harus memutar turbin yang memutar generator yang menghasilkan listrik untuk mesin ion.

Menurut Perminov, drive akan dapat mendukung misi berawak ke Marsdan astronot bisa tinggal di Planet Merah selama 30 hari berkat tenaga nuklir. Secara total, penerbangan ke Mars dengan mesin nuklir dan percepatan konstan akan memakan waktu enam minggu, bukan delapan bulan, dengan asumsi daya dorong 300 kali lebih besar daripada mesin kimia.

Namun, tidak semuanya begitu mulus dalam program Rusia. Pada Agustus 2019, sebuah reaktor meledak di Sarov, Rusia di tepi Laut Putih, yang merupakan bagian dari mesin roket di Laut Baltik. bahan bakar cair. Tidak diketahui apakah bencana ini terkait dengan program penelitian propulsi nuklir Rusia yang dijelaskan di atas.

Tidak diragukan lagi, bagaimanapun, unsur persaingan antara Amerika Serikat dan Rusia, dan mungkin China di lapangan penggunaan energi nuklir di luar angkasa memberikan penelitian dorongan percepatan yang kuat.