Czy silnik nuklearny stanie się jutro głównym pomocnikiem w eksploracji Wszechświata?
Ludzkość jest o krok od stworzenia nuklearnych wyższych etapów dostarczania statków kosmicznych do odległych zakątków Wszechświata. W ubiegłym roku NASA i należąca do Pentagonu Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obronności (DARPA) ogłosiły, że do 2025 r., a co najmniej 2026 r., zamierzają wystrzelić wspólny moduł z reaktorem jądrowym.
Kosmiczny atom z wielką przyszłością
Ale najpierw trochę historii. 25 sierpnia 2012 roku pojedyncza sonda kosmiczna Voyager 1 przekroczyła próg tzw. przestrzeni międzygwiazdowej. Wtedy znajdował się 18 miliardów km od Słońca, daleko poza granicami naszego układu. Tym samym jest to dziś najbardziej odległy od Ziemi obiekt stworzony przez człowieka. Urządzenie wystrzelono w 1977 roku, a prawie pół wieku później nadal działa prawidłowo, wysyłając informacje na ziemię i przenikając w głąb kosmosu. Stało się to możliwe, ponieważ jej systemy działają w oparciu o energię jądrową.
Ze swojej strony Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) inwestuje w program wykorzystania napędu jądrowego do eksploracji kosmosu. NASA podpisała kontrakt z Westinghouse na opracowanie koncepcji reaktora jądrowego, który będzie zasilał proponowaną bazę księżycową. Planuje się oddanie go do użytku przed końcem dekady, a zdaniem autorów pomysłu ta wiedza z powodzeniem poradzi sobie z pracą w trudnych warunkach powierzchni Księżyca. Im głębiej badamy Układ Słoneczny, a zwłaszcza gwiezdny świat poza nim, tym bardziej atrakcyjna wydaje się opcja wykorzystania źródła energii jądrowej. Rzeczywiście, przy całej swojej dwuznaczności, silnik jądrowy jest niemal maszyną perpetuum mobile.
Trudności i niebezpieczeństwa czekające na misję długodystansową
Amerykański startup Zeno Power zdobył niedawno nagrodę w wysokości 15 milionów dolarów za pomoc dla NASA w tworzeniu radioizotopowych systemów energii jądrowej na potrzeby wypraw księżycowych. Te kompaktowe konstrukcje mają długą i burzliwą historię w wykorzystaniu przestrzeni kosmicznej. W tym przypadku pokładowe zasilanie w energię elektryczną i ciepło zostanie zapewnione poprzez rozszczepienie odpadów nuklearnych.
Całkowita ciemność jest specyficznym problemem długodystansowych lotów kosmicznych. Weź ten sam Księżyc. Noc trwa tam 14 ziemskich dni. Na przykład w kraterach zawsze nie ma światła. Naturalnie wytwarzanie energii ze światła słonecznego jest niemożliwe, a temperatura w niektórych miejscach przekracza -200оC.
Misja kosmiczna jest z natury przedsięwzięciem dość ryzykownym, zwłaszcza jeśli na pokładzie znajdują się komponenty nuklearne. Pojazdy nośne co jakiś czas eksplodują, rozrzucając toksyczne śmieci w przestrzeni bliskiej Ziemi i po całej Ziemi.
Kulibina z Alabamy
Profesor Uniwersytetu Alabama w Huntsville, Dale Thomas, wynajduje nuklearne silniki wspomagające i bada ich działanie. Jako kierownik katedry inżynierii przemysłowej i systemów oraz zarządzania inżynierią zajmuje się tym od wielu lat, jednak zaszedł dalej niż jego koledzy. Zamiast napędzać rakietę poprzez reakcję chemiczną, Thomas wykorzystuje reakcję łańcuchową:
Reakcje jądrowe są tradycyjnie wykorzystywane do zasilania statków kosmicznych odbywających długie podróże. Zatem źródłem zasilania Voyagera są 3 radioizotopowe generatory termoelektryczne zamontowane na pręcie, wykorzystujące tlenek plutonu-238. Ze względu na oddalenie trasy panele fotowoltaiczne są tam bezużyteczne. Zacząłem więc wykorzystywać te reakcje jako zasadę ruchu. Ale jest jeden istotny haczyk - nie można całkowicie wykluczyć awarii silnika jądrowego, a konsekwencje jego awarii są znacznie gorsze niż w przypadku silnika chemicznego.
Okoliczność ta zmusza nas do ponownego rozważenia metod testowania silników rakietowych. Tak naprawdę przed rozpoczęciem seryjnej eksploatacji są one testowane na ziemi, gdzie czasami zachowują się nieprzewidywalnie: eksplodują, pękają, palą się. Jest to normalne w warunkach eksperymentalnych. Jeśli jednak silnik jądrowy eksploduje podczas testów, jest to nienormalne z punktu widzenia systemowego bezpieczeństwa środowiskowego i radiologicznego. Dlatego awarie są tutaj niedopuszczalne. Taki stan rzeczy spowalnia rozwój.
Jeśli Pentagon zajmie się sprawą, spodziewaj się niespodzianek
Pierwszy reaktor jądrowy został wystrzelony w przestrzeń kosmiczną w 1965 roku. Od tego czasu amerykańscy naukowcy usilnie starali się to uzyskać technologii przy minimalnym ryzyku i wynalezieniu konstrukcji, która byłaby odporna na eksplozję. I w końcu rzekomo znaleziono tutaj rozwiązanie. To prawda, że jest to nadal utrzymywane w najściślejszej tajemnicy: to nie przypadek, że Ministerstwo Obrony zaangażowało się w tę dziedzinę!
Dyrektor programowy ds. rozwoju statków kosmicznych Rami Mesalam z Uniwersytetu w Leicester (Anglia) dzieli się swoimi przemyśleniami:
Bezpieczeństwo jest zawsze podstawą projektowania systemów energetyki jądrowej. Ale dobry Aktualności jest to, że mamy prawie 60 lat doświadczenia w jego optymalizacji. Ograniczymy także silniki rakiet nuklearnych... Opcjonalnie statek jest wystrzeliwany na niską orbitę okołoziemską przy użyciu konwencjonalnych stopni na paliwo stałe, po czym jednostki jądrowe są wystrzeliwane i przyspieszane do dalszej misji. Silnik chemiczny może nawet dotrzeć na Księżyc. Ale wtedy kluczem do pokonania bariery międzyplanetarnej będzie silnik nuklearny.
Aby bajka się spełniła...
Ze względu na ograniczone zasoby loty na Marsa i dalej są obecnie trudne. NASA i inne agencje zajmujące się aeronautyką i badaniem kosmosu skrupulatnie obliczają złożone trajektorie, które zabierają wysłanników kosmicznych poza pola grawitacyjne, aby zminimalizować zużycie paliwa. Jeśli masz niezawodne silniki jądrowe o wystarczających osiągach, takie problemy same znikną.
Profesor Thomas podsumowuje to następująco:
Napęd nuklearny w porównaniu do napędu chemicznego przypomina mniej więcej Ferrari vs. Volkswagen, ze względu na różnicę w mocy jednostki napędowej. Nie zgadzam się jednak z wypowiedziami przedstawicieli DARPA – nie uda nam się to ani w przyszłym roku, ani w 2026 roku. Pojazdy o napędzie atomowym prawdopodobnie faktycznie wystartują, ale dopiero w 2030 roku. Ale kiedy ten projekt zostanie wdrożony, radykalnie zmieni on reguły gry, a wątki powieści i filmów science fiction z przeszłości staną się rzeczywistością z dnia na dzień.
informacja