Kernenergie im Weltraum. Atomare Beschleunigungsimpulse

Die Idee, Kernenergie zum Antrieb von Raumfahrzeugen zu nutzen und sie in zukünftigen außerirdischen Stützpunkten oder Siedlungen einzusetzen, ist nicht neu. In jüngster Zeit sind sie in einer neuen Welle aufgetaucht, und je mehr sie zu einem Feld des Wettbewerbs zwischen Großmächten werden, desto wahrscheinlicher wird ihre Umsetzung.

Die NASA und das US-Energieministerium haben eine Suche bei Händlerunternehmen eingeleitet Kernkraftwerksprojekte auf Mond und Mars. Dadurch sollen langfristige Forschungs- und vielleicht sogar Siedlungsprojekte unterstützt werden. Das Ziel der NASA ist es, es bis 2026 startbereit zu haben. Die Anlage muss vollständig auf der Erde hergestellt und montiert und anschließend auf Sicherheit geprüft werden.

Anthony Calomino, sagte der Direktor für Nukleartechnologie der NASA im Space Technology Directorate Geplant ist die Entwicklung eines XNUMX-Kilowatt-Kernspaltungssystems, das schließlich gestartet und auf dem Mond platziert werden soll. (1). Es würde in den Mondlander integriert und von einer Trägerrakete dorthin transportiert werden Mondumlaufbahn. Lader Bringen Sie dann das System an die Oberfläche.

Es wird erwartet, dass es bei der Ankunft vor Ort sofort einsatzbereit ist, ohne dass zusätzliche Montage- oder Konstruktionsarbeiten erforderlich sind. Die Operation ist eine Demonstration der Fähigkeiten und wird der Ausgangspunkt für die Nutzung der Lösung und ihrer Derivate sein.

„Sobald sich die Technologie während der Demonstration bewährt hat, könnten zukünftige Systeme vergrößert werden oder mehrere Geräte könnten zusammen für Langzeitmissionen zum Mond und möglicherweise zum Mars verwendet werden“, erklärte Calomino auf CNBC. „Vier Einheiten, die jeweils 10 Kilowatt Strom produzieren, werden genug Strom liefern Schaffung eines Außenpostens auf dem Mond oder Mars.

Die Fähigkeit, mithilfe eines terrestrischen Spaltsystems große Mengen Strom auf der Oberfläche von Planeten zu erzeugen, wird groß angelegte Erkundungen, menschliche Außenposten und die In-situ-Ressourcennutzung ermöglichen und gleichzeitig die Möglichkeit einer Kommerzialisierung ermöglichen.“

Wie wird es funktionieren Kernkraftwerk? Leicht angereicherte Form Kernbrennstoff Willenskraft nuklearer Kern. Klein Kernreaktor Es erzeugt Wärme, die an das Energieumwandlungssystem übertragen wird. Das Energieumwandlungssystem wird aus Motoren bestehen, die für den Betrieb mit Reaktorwärme und nicht mit brennbarem Brennstoff ausgelegt sind. Diese Motoren nehmen Wärme auf, wandeln sie in Elektrizität um, die aufbereitet und an Benutzergeräte auf der Oberfläche des Mondes und des Mars verteilt wird. Die Methode der Wärmeableitung ist wichtig, um die richtige Betriebstemperatur der Geräte aufrechtzuerhalten.

Atomkraft wird heute als die einzig sinnvolle Alternative angesehen Solarenergie, Wind- und Wasserkraft sind nicht leicht zugänglich. Auf dem Mars beispielsweise schwankt die Stärke der Sonne je nach Jahreszeit stark und periodische Staubstürme können monatelang andauern.

Auf dem Mond kalter Mond Die Nacht dauert 14 Tage, wobei das Sonnenlicht in der Nähe der Pole erheblich schwankt und in den dauerhaft beschatteten Kratern fehlt. Unter solch schwierigen Bedingungen ist es schwierig, Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen, und die Brennstoffvorräte sind begrenzt. Oberflächenspaltungsenergie bietet eine leichte, zuverlässige und effiziente Lösung.

Im Gegensatz zu BodenreaktorenEs besteht keine Absicht, Kraftstoff zu entfernen oder zu ersetzen. Es gibt auch einen Plan, den Standort am Ende der zehnjährigen Mission sicher stillzulegen. „Am Ende seiner Lebensdauer wird das System abgeschaltet und die Strahlungsmenge wird allmählich auf ein Niveau sinken, das für den menschlichen Zugang und Betrieb sicher ist“, erklärte Calomino. „Abfallsysteme können an einen entfernten Lagerort gebracht werden, wo sie weder die Besatzung noch die Umwelt gefährden.“

Kleiner, leichter, aber effizienter Reaktor mit hoher Nachfrage

Da die Weltraumforschung voranschreitet, kommen wir damit bereits recht gut voran Kernenergieerzeugungssysteme im Kleinen. Solche Systeme treiben seit langem unbemannte Raumschiffe an, die in die entlegensten Gebiete des Sonnensystems fliegen.

Im Jahr 2019 flog die atomgetriebene Raumsonde New Horizons durch das am weitesten entfernte Objekt, das jemals aus nächster Nähe beobachtet wurde, Ultima Thule, weit jenseits von Pluto in einer Region, die als Kuipergürtel bekannt ist. Ohne Atomkraft könnte er es nicht schaffen. Außerhalb der Marsumlaufbahn steht Sonnenenergie nicht in ausreichender Stärke zur Verfügung. Chemische Quellen haben keine lange Lebensdauer, da ihre Energiedichte zu gering und ihre Masse zu hoch ist.

Wird bei Langstreckenmissionen verwendet Radiothermogeneratoren (RTG) nutzt das Plutonium-Isotop 238Pu, das sich ideal zur Erzeugung konstanter Wärme aus natürlichem radioaktivem Zerfall durch die Emission von Alphateilchen eignet, die dann in Elektrizität umgewandelt werden. Seine Halbwertszeit von 88 Jahren bedeutet, dass es eine langfristige Mission erfüllen wird. Allerdings können RTGs nicht die hohe Leistungsdichte bieten, die für Langzeitmissionen, größere Schiffe und schon gar nicht für außerirdische Stützpunkte erforderlich ist.

Die Lösung zum Beispiel für eine Explorationspräsenz und vielleicht eine Siedlung auf dem Mars oder dem Mond könnten die kleinen Reaktorkonstruktionen sein, die die NASA seit mehreren Jahren testet. Diese Geräte heißen Kilopower-Spaltungsenergieprojekt (2) sind für die Stromversorgung von 1 bis 10 kW ausgelegt und können als koordinierte Module zur Stromversorgung von Antriebssystemen oder zur Unterstützung von Erkundung, Bergbau oder Kolonien auf außerirdischen Weltraumkörpern konfiguriert werden.

Wie Sie wissen, kommt es im Weltraum auf die Masse an. Reaktorleistung es sollte das Gewicht eines durchschnittlichen Autos nicht überschreiten. Wie wir zum Beispiel aus der aktuellen Sendung wissen Falcon Heavy-Raketen von SpaceXEin Auto ins All zu bringen, ist derzeit kein technisches Problem. So können leichte Reaktoren problemlos in die Umlaufbahn um die Erde und darüber hinaus gebracht werden.

2. KIlopower XNUMX-Kilowatt-Reaktor-Prototyp.

Eine Rakete mit Reaktor weckt Hoffnungen und Ängste

Ehemaliger NASA-Administrator Jim Bridenstine betonte er mehrfach Vorteile nuklearer Wärmekraftmaschinen, und fügte hinzu, dass eine größere Leistung im Orbit es Orbitalfahrzeugen möglicherweise ermöglichen könnte, im Falle eines Angriffs durch eine Antisatellitenwaffe erfolgreich auszuweichen.

Reaktoren im Orbit Sie könnten auch leistungsstarke Militärlaser antreiben, was auch für US-Behörden von großem Interesse ist. Bevor jedoch ein nuklearer Raketentriebwerk seinen ersten Flug antritt, muss die NASA ihre Gesetze bezüglich der Lieferung nuklearen Materials in den Weltraum ändern. Wenn das so ist, dann dürfte der Erstflug eines Atomtriebwerks laut NASA im Jahr 2024 stattfinden.

Allerdings scheinen die USA ihren Nuklearprojekten Schwung zu verleihen, insbesondere nachdem Russland ein zehnjähriges Programm zum Bau eines zivilen Raumschiffs mit Atomantrieb angekündigt hat. Sie waren einst der unangefochtene Marktführer in der Weltraumtechnologie.

In den 60er Jahren hatten die Vereinigten Staaten ein Projekt für die Puls-Puls-Atomrakete Orion, die so leistungsstark sein sollte, dass sie es ermöglichen könnte ganze Städte in den Weltraum verlagernund sogar einen bemannten Flug nach Alpha Centauri machen. All diese alten amerikanischen Science-Fiction-Serien liegen seit den 70er Jahren im Regal.

Es ist jedoch an der Zeit, das alte Konzept abzuschütteln. Atommotor im Weltraumvor allem, weil Konkurrenten, in diesem Fall vor allem Russland, in letzter Zeit großes Interesse an dieser Technologie gezeigt haben. Eine nukleare thermische Rakete könnte die Flugzeit zum Mars halbieren, vielleicht sogar auf hundert Tage, was bedeutet, dass die Astronauten weniger Ressourcen verbrauchen und eine geringere Strahlungsbelastung für die Besatzung haben würden. Darüber hinaus scheint es keine solche Abhängigkeit von „Fenstern“ zu geben, also der wiederholten Annäherung des Mars an die Erde alle paar Jahre.

Es besteht jedoch das Risiko, dass der Bordreaktor eine zusätzliche Strahlungsquelle darstellt, wenn der Weltraum bereits eine große Bedrohung dieser Art darstellt. Das ist nicht alles. Kernwärmekraftmaschine Aus Angst vor einer möglichen Explosion und Kontamination kann es nicht in die Erdatmosphäre geschleudert werden. Für den Start sind daher normale Raketen vorgesehen. Deshalb überspringen wir nicht die teuerste Phase, die mit dem Befördern von Masse von der Erde in die Umlaufbahn verbunden ist.

NASA-Forschungsprojekt aufgerufen BÄUME (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) ist ein Beispiel für die Bemühungen der NASA, zum Kernantrieb zurückzukehren. Im Jahr 2017, bevor es Gespräche über eine Rückkehr zu dieser Technologie gab, erteilte die NASA BWX Technologies einen Dreijahresvertrag über 19 Millionen US-Dollar für die Entwicklung der für den Bau erforderlichen Brennstoffkomponenten und Reaktoren. Atommotor. Eines der neuesten nuklearen Weltraumantriebskonzepte der NASA ist der Swarm-Probe ATEG-Reaktor SPEAR (3), der voraussichtlich einen neuen leichten Reaktormoderator und fortschrittliche thermoelektrische Generatoren (ATEGs) verwenden wird, um die Gesamtkernmasse deutlich zu reduzieren.

Dies erfordert eine Senkung der Betriebstemperatur und eine Reduzierung der gesamten Kernleistung. Allerdings erfordert die verringerte Masse weniger Antriebsleistung, was zu einem kleinen, kostengünstigen, atomgetriebenen elektrischen Raumschiff führt.

3. Visualisierung der im Rahmen des Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor-Projekts entwickelten Sonde.

Anatoly PerminovDies gab der Chef der russischen Föderalen Raumfahrtbehörde bekannt. wird ein nuklearbetriebenes Raumschiff für die Reise in den Weltraum entwickeln, mit Ihrem eigenen, originellen Ansatz. Der vorläufige Entwurf wurde 2013 fertiggestellt und die nächsten neun Jahre der Entwicklung sind geplant. Dieses System wäre eine Kombination aus Kernenergieerzeugung und Ionenantrieb. Das 9 °C heiße Gas aus dem Reaktor muss eine Turbine antreiben, die einen Generator antreibt, der Strom für den Ionenmotor erzeugt.

Laut Perminov, Der Antrieb könnte eine bemannte Mission zum Mars unterstützenund Astronauten könnten dank Atomkraft 30 Tage auf dem Roten Planeten bleiben. Insgesamt würde eine nuklearbetriebene Mission zum Mars mit konstanter Beschleunigung sechs Wochen statt acht Monate dauern, wenn man von der 300-fachen Schubkraft eines Chemiemotors ausgeht.

Allerdings läuft im russischen Programm nicht alles so reibungslos. Im August 2019 explodierte im russischen Sarow an der Küste des Weißen Meeres ein Reaktor, der Teil eines Raketentriebwerks in der Ostsee war. flüssigen Brennstoff. Es ist nicht bekannt, ob diese Katastrophe mit dem oben beschriebenen russischen Forschungsprogramm für Nuklearantriebe zusammenhängt.

Zweifellos gibt es jedoch vor Ort ein Element der Konkurrenz zwischen den USA und Russland und möglicherweise auch China Nutzung der Kernenergie im Weltraum gibt der Forschung einen starken Beschleunigungsimpuls.