انرژی هسته ای در فضا تکانه های شتاب اتمی
ایده استفاده از انرژی هسته ای برای به حرکت درآوردن فضاپیماها و استفاده از آن در پایگاه ها یا سکونتگاه های فرازمینی آینده، جدید نیست. اخیراً آنها وارد موج جدیدی شده اند و با تبدیل شدن به میدان رقابت قدرت های بزرگ، احتمال اجرای آنها بیشتر می شود.
ناسا و وزارت انرژی ایالات متحده جستجو در میان شرکت های فروشنده را آغاز کردند پروژه های نیروگاه های هسته ای در ماه و مریخ. این باید از تحقیقات بلندمدت و شاید حتی پروژه های شهرک سازی حمایت کند. هدف ناسا این است که تا سال 2026 آن را برای پرتاب آماده کند. این کارخانه باید کاملاً ساخته و روی زمین مونتاژ شود و سپس برای ایمنی آزمایش شود.
آنتونی کالومینومدیر فناوری هسته ای ناسا در اداره فناوری فضایی گفت که برنامه توسعه یک سیستم شکافت هسته ای XNUMX کیلوواتی است که در نهایت به فضا پرتاب می شود و در ماه قرار می گیرد. (یک). باید با فرودگر ماه ادغام شود و تقویت کننده آن را به آن خواهد برد مدار ماه. لودر سپس سیستم را به سطح بیاورید.
انتظار می رود که پس از ورود به سایت، بلافاصله بدون نیاز به مونتاژ یا ساخت و ساز اضافی آماده بهره برداری شود. این عملیات نمایشی از امکانات است و نقطه شروعی برای استفاده از راه حل و مشتقات در آن خواهد بود.
کالومینو در CNBC توضیح داد: «هنگامی که این فناوری در طول یک نمایش تأیید شد، سیستم‌های آینده را می‌توان بزرگ‌تر کرد یا چندین دستگاه را می‌توان با هم برای مأموریت‌های طولانی‌مدت به ماه و احتمالاً مریخ استفاده کرد. «چهار واحد که هر کدام 10 کیلووات برق تولید می‌کنند، توان کافی را تامین می‌کنند ایجاد یک پاسگاه در ماه یا مریخ.
توانایی تولید مقادیر زیادی الکتریسیته بر روی سطح سیارات با استفاده از یک سیستم شکافت زمینی، تحقیقات در مقیاس بزرگ، پایگاه‌های انسانی و استفاده از منابع را در محل ممکن می‌سازد، در حالی که امکان تجاری‌سازی را فراهم می‌کند.
چگونه کار خواهد کرد نیروگاه هسته ای? فرم کمی غنی شده سوخت هسته ای اراده هسته هسته ای... کم اهمیت راکتور هسته ای گرما تولید می کند که به سیستم تبدیل توان منتقل می شود. سیستم تبدیل انرژی متشکل از موتورهایی است که برای کارکردن با حرارت راکتور به جای سوخت قابل احتراق طراحی شده اند. این موتورها با استفاده از گرما، آن را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند که به تجهیزات کاربر در سطح ماه و مریخ تنظیم و توزیع می‌شود. روش اتلاف گرما برای حفظ دمای عملکرد مناسب دستگاه ها مهم است.
قدرت هسته ای اکنون به عنوان تنها جایگزین معقول در نظر گرفته می شود انرژی خورشیدی, بادی و برق آبی به راحتی در دسترس نیستند. به عنوان مثال، در مریخ، قدرت خورشید با فصول بسیار متفاوت است و طوفان های گرد و غبار دوره ای می توانند ماه ها ادامه داشته باشند.
در ماه قمری سرد شب 14 روز طول می کشد، با نور خورشید بسیار متفاوت در نزدیکی قطب ها و غایب از دهانه های دائمی سایه دار. در چنین شرایط سختی، دریافت انرژی از نور خورشید مشکل است و منابع سوخت محدود است. انرژی شکافت سطحی یک راه حل آسان، قابل اعتماد و کارآمد ارائه می دهد.
برخلاف راکتورهای زمینیهیچ قصدی برای حذف یا تعویض سوخت وجود ندارد. در پایان ماموریت 10 ساله، برنامه ای برای از کار انداختن ایمن تاسیسات نیز وجود دارد. Calomino توضیح داد: «در پایان عمر مفید، سیستم خاموش می‌شود و سطح تشعشع به تدریج به سطحی کاهش می‌یابد که برای دسترسی و عملکرد انسان ایمن باشد». سیستم‌های زباله را می‌توان به مکان‌های ذخیره‌سازی دور منتقل کرد، جایی که خدمه یا محیط‌زیست را به خطر نیندازند.»
راکتور کوچک، سبک، اما کارآمد، با تقاضای بالا
همانطور که اکتشافات فضایی توسعه می یابد، ما در حال حاضر به خوبی با آن کار می کنیم سیستم های تولید برق هسته ای در مقیاس کوچک. چنین سیستم‌هایی مدت‌هاست که انرژی فضاپیماهای بدون سرنشین را تأمین می‌کنند که به دوردست‌های منظومه شمسی سفر می‌کنند.
در سال 2019، فضاپیمای نیوهورایزنز با انرژی هسته‌ای از دوردست‌ترین جرمی که تا به حال از فاصله نزدیک دیده شده، یعنی Ultima Thule، بسیار فراتر از پلوتون در منطقه‌ای به نام کمربند کویپر پرواز کرد. او بدون انرژی هسته ای نمی توانست این کار را انجام دهد. انرژی خورشیدی با قدرت کافی در خارج از مدار مریخ در دسترس نیست. منابع شیمیایی دوام زیادی ندارند زیرا چگالی انرژی آنها بسیار کم و جرم آنها بسیار زیاد است.
در ماموریت های دوربرد استفاده می شود ژنراتورهای رادیوترمال (RTG) از ایزوتوپ پلوتونیوم 238Pu استفاده می کند که برای تولید گرمای دائمی از واپاشی رادیواکتیو طبیعی با انتشار ذرات آلفا، که سپس به الکتریسیته تبدیل می شوند، ایده آل است. نیمه عمر 88 ساله آن به این معنی است که یک ماموریت طولانی مدت را انجام خواهد داد. با این حال، RTG ها نمی توانند قدرت ویژه بالایی را که برای ماموریت های طولانی، کشتی های پرجرم تر، و نه پایگاه های فرازمینی لازم است، فراهم کنند.
به عنوان مثال، راه حلی برای حضور اکتشافی و احتمالاً استقرار در مریخ یا ماه می تواند طرح های رآکتور کوچکی باشد که ناسا چندین سال در حال آزمایش آن ها بوده است. این دستگاه ها به عنوان شناخته می شوند پروژه انرژی شکافت کیلو نیرو (2)، برای تامین توان الکتریکی از 1 تا 10 کیلو وات طراحی شده‌اند و می‌توانند به‌عنوان ماژول‌های هماهنگ برای نیرو دادن به سیستم‌های رانش یا برای پشتیبانی از تحقیقات، معدن‌کاری یا مستعمرات در اجسام فضایی بیگانه پیکربندی شوند.
همانطور که می دانید جرم در فضا اهمیت دارد. قدرت راکتور نباید از وزن یک وسیله نقلیه متوسط تجاوز کند. همانطور که می دانیم، برای مثال، از یک نمایش اخیر راکت های فالکون هوی اسپیس ایکسپرتاب یک ماشین به فضا در حال حاضر یک مشکل فنی نیست. بنابراین، راکتورهای نوری را می توان به راحتی در مدار زمین و فراتر از آن قرار داد.
2. نمونه اولیه راکتور XNUMX کیلووات KIlopower.
موشک با راکتور امیدها و ترس ها را افزایش می دهد
مدیر سابق ناسا جیم برایدنستاین بارها تاکید کرد مزایای موتورهای حرارتی هسته ایو اضافه کرد که قدرت بیشتر در مدار به طور بالقوه می تواند به کشتی های در حال گردش در صورت حمله تسلیحات ضد ماهواره، با موفقیت فرار کند.
راکتورهای در مدار آنها همچنین می توانند لیزرهای نظامی قدرتمندی را تامین کنند که برای مقامات ایالات متحده نیز بسیار جالب است. با این حال، قبل از اینکه یک موتور موشک هسته ای اولین پرواز خود را انجام دهد، ناسا باید قوانین خود را در مورد ارسال مواد هسته ای به فضا تغییر دهد. اگر این درست باشد، پس طبق برنامه ناسا، اولین پرواز یک موتور هسته ای باید در سال 2024 انجام شود.
با این حال، به نظر می‌رسد که ایالات متحده پروژه‌های هسته‌ای خود را به سرعت آغاز می‌کند، به‌ویژه پس از آنکه روسیه برنامه یک دهه‌ای برای ساخت یک فضاپیمای غیرنظامی با انرژی هسته‌ای را اعلام کرد. آنها زمانی رهبر بلامنازع فناوری فضایی بودند.
در دهه 60، ایالات متحده پروژه ای برای موشک هسته ای پالس پالس Orion داشت که قرار بود آنقدر قدرتمند باشد که بتواند اجازه دهد. حرکت کل شهرها به فضاو حتی یک پرواز سرنشین دار به آلفا قنطورس انجام دهید. همه آن سریال های آمریکایی فانتزی قدیمی از دهه 70 در قفسه بوده اند.
با این حال، زمان آن رسیده است که مفهوم قدیمی را پاک کنیم. موتور هسته ای در فضاعمدتاً به این دلیل که رقبا، در این مورد عمدتاً روسیه، اخیراً علاقه زیادی به این فناوری نشان داده‌اند. یک موشک حرارتی هسته‌ای می‌تواند زمان پرواز به مریخ را به نصف، شاید حتی به صد روز، کاهش دهد، که به این معنی است که فضانوردان منابع کمتری مصرف می‌کنند و بار تشعشع کمتری روی خدمه دارند. علاوه بر این، همانطور که به نظر می رسد، چنین وابستگی به "پنجره ها" یعنی نزدیک شدن مکرر مریخ به زمین هر چند سال یک بار وجود نخواهد داشت.
با این حال، خطری وجود دارد که شامل این واقعیت است که راکتور داخلی منبع اضافی تشعشع در شرایطی است که فضا در حال حاضر تهدید بزرگی از این نوع را به همراه دارد. این همش نیست. موتور حرارتی هسته ای از ترس انفجار و آلودگی احتمالی نمی توان آن را در جو زمین پرتاب کرد. بنابراین موشک های معمولی برای پرتاب در نظر گرفته شده است. بنابراین، ما از پرهزینه ترین مرحله مرتبط با پرتاب جرم از زمین به مدار نمی گذریم.
پروژه تحقیقاتی ناسا به نام درختان (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) نمونه ای از تلاش های ناسا برای بازگشت به پیشرانه هسته ای است. در سال 2017، قبل از اینکه صحبتی در مورد بازگشت به این فناوری شود، ناسا قراردادی سه ساله به ارزش 19 میلیون دلار به BWX Technologies برای توسعه اجزای سوخت و راکتورهای مورد نیاز برای ساخت اعطا کرد. موتور هسته ای. یکی از جدیدترین مفاهیم پیشران هسته‌ای فضایی ناسا، راکتور Swarm-Probe ATEG، SPEAR(3) است که انتظار می‌رود از یک تعدیل‌کننده راکتور سبک وزن جدید و ژنراتورهای ترموالکتریک پیشرفته (ATEGs) برای کاهش قابل توجه جرم هسته استفاده کند.
این امر مستلزم کاهش دمای عملیاتی و کاهش سطح توان کلی هسته است. با این حال، جرم کاهش یافته به نیروی محرکه کمتری نیاز خواهد داشت و در نتیجه یک فضاپیمای الکتریکی کوچک، ارزان و با انرژی هسته ای ایجاد می شود.
3. تجسم کاوشگر توسعه یافته در چارچوب پروژه راکتور ATEG فعال کننده Swarm-Probe.
آناتولی پرمینوفاین را رئیس آژانس فضایی فدرال روسیه اعلام کرد. یک فضاپیمای هسته ای برای سفرهای اعماق فضا توسعه خواهد داد، رویکرد اصلی خود را ارائه می دهد. طراحی اولیه تا سال 2013 تکمیل شد و 9 سال آینده برای توسعه برنامه ریزی شده است. این سیستم باید ترکیبی از تولید انرژی هسته ای با یک سیستم رانش یونی باشد. گاز داغ در دمای 1500 درجه سانتیگراد از راکتور باید یک توربین را بچرخاند که ژنراتوری را بچرخاند که برای موتور یونی برق تولید می کند.
به گفته پرمینوف، این درایو قادر خواهد بود از یک ماموریت سرنشین دار به مریخ پشتیبانی کندو فضانوردان به لطف انرژی هسته ای می توانند 30 روز در سیاره سرخ بمانند. در مجموع، پرواز به مریخ با موتور هسته ای و شتاب ثابت به جای هشت ماه، شش هفته طول می کشد، با فرض اینکه نیروی رانش 300 برابر بیشتر از یک موتور شیمیایی باشد.
با این حال، همه چیز در برنامه روسی چندان هموار نیست. در آگوست 2019، راکتوری در ساروف روسیه در سواحل دریای سفید منفجر شد که بخشی از موتور موشک در دریای بالتیک بود. سوخت مایع. مشخص نیست که آیا این فاجعه مربوط به برنامه تحقیقاتی پیشرانه هسته ای روسیه است که در بالا توضیح داده شد.
با این حال، بدون شک، یک عنصر رقابت بین ایالات متحده و روسیه، و احتمالا چین در زمین است. استفاده از انرژی هسته ای در فضا به تحقیقات یک انگیزه شتاب دهنده قوی می دهد.
