Kodolenerģija kosmosā. Atomu paātrinājuma impulsi

Ideja izmantot kodolenerģiju, lai darbinātu kosmosa kuģus un izmantotu to turpmākajās ārpuszemes bāzēs vai apmetnēs, nav jauna. Pēdējā laikā tie ir nonākuši jaunā viļņā, un, kļūstot par lielvalstu sāncensības lauku, to īstenošana kļūst arvien ticamāka.

NASA un ASV Enerģētikas departaments sāka meklēšanu starp izplatītāju kompānijām atomelektrostaciju projekti uz Mēness un Marsa. Tam vajadzētu atbalstīt ilgtermiņa pētniecību un, iespējams, pat norēķinu projektus. NASA mērķis ir panākt, lai tas būtu gatavs palaišanai līdz 2026. gadam. Iekārtai jābūt pilnībā izgatavotai un samontētai uz Zemes, un pēc tam jāpārbauda tā drošība.

Entonijs Kalomino, NASA kodoltehnoloģiju direktors Kosmosa tehnoloģiju administrācijā sacīja Plāns ir izstrādāt XNUMX kilovatu kodola skaldīšanas sistēmu, kas galu galā tiks palaista un novietota uz Mēness. (viens). Tam jābūt integrētam ar Mēness nolaižamo ierīci, un pastiprinātājs to nogādās mēness orbīta. Iekrāvējs tad izceliet sistēmu virspusē.

Paredzams, ka, ierodoties objektā, tas uzreiz būs gatavs ekspluatācijai, bez papildu montāžas vai būvniecības nepieciešamības. Operācija ir iespēju demonstrācija un būs sākumpunkts risinājuma un tā atvasinājumu izmantošanai.

"Kad tehnoloģija ir apstiprināta demonstrācijas laikā, nākotnes sistēmas var tikt palielinātas vai vairākas ierīces var izmantot kopā ilgtermiņa misijām uz Mēnesi un, iespējams, Marsu," CNBC skaidroja Kalomino. “Četri bloki, no kuriem katrs saražo 10 kilovatus elektroenerģijas, nodrošinās pietiekami daudz jaudas izveidojot priekšposteni uz Mēness vai Marsa.

Spēja radīt lielu daudzumu elektroenerģijas uz planētu virsmas, izmantojot uz zemes bāzētu skaldīšanas sistēmu, ļaus veikt liela mēroga pētniecību, cilvēku priekšposteņus un izmantot resursus in situ, vienlaikus nodrošinot komercializācijas iespēju.

Kā tas darbosies atomelektrostacija? Nedaudz bagātināta forma kodoldegviela būs spēks kodols... Mazs kodolreaktors tas radīs siltumu, kas tiks nodots jaudas pārveidošanas sistēmai. Enerģijas pārveidošanas sistēma sastāvēs no dzinējiem, kas paredzēti darbam ar reaktora siltumu, nevis degošu degvielu. Šie dzinēji izmanto siltumu, pārvērš to elektroenerģijā, kas tiek kondicionēta un izplatīta lietotāju iekārtām uz Mēness un Marsa virsmas. Siltuma izkliedes metode ir svarīga, lai uzturētu pareizu ierīču darba temperatūru.

Kodolenerģija tagad tiek uzskatīta par vienīgo saprātīgu alternatīvu saules enerģija, vēja un hidroenerģija nav viegli pieejami. Piemēram, uz Marsa saules stiprums ir ļoti atšķirīgs atkarībā no gadalaikiem, un periodiskas putekļu vētras var ilgt vairākus mēnešus.

Uz Mēness auksts Mēness nakts ilgst 14 dienas, saules gaismai pie poliem ir ļoti dažādas izmaiņas, un tās nav pastāvīgi ēnotajos krāteros. Šādos sarežģītos apstākļos ir grūti iegūt enerģiju no saules gaismas, un degvielas krājumi ir ierobežoti. Virsmas skaldīšanas enerģija piedāvā vienkāršu, uzticamu un efektīvu risinājumu.

Pretēji zemes reaktorinav nodoma izņemt vai nomainīt degvielu. 10 gadus ilgās misijas beigās ir arī plāns drošai objekta ekspluatācijas pārtraukšanai. "Sistēmas kalpošanas laika beigās sistēma tiks izslēgta, un radiācijas līmenis pakāpeniski samazināsies līdz līmenim, kas ir drošs cilvēka piekļuvei un darbībai," skaidroja Kalomino. "Atkritumu sistēmas var pārvietot uz attālu uzglabāšanas vietu, kur tās neapdraudēs apkalpi vai vidi."

Mazs, viegls, bet efektīvs reaktors ir ļoti pieprasīts

Attīstoties kosmosa izpētei, mums jau iet diezgan labi kodolenerģijas ražošanas sistēmas mazā mērogā. Šādas sistēmas jau sen ir darbinātas bezpilota kosmosa kuģiem, kas dodas uz Saules sistēmas tālākajām vietām.

2019. gadā ar kodolenerģiju darbināmais New Horizons kosmosa kuģis izlidoja cauri vistālākajam objektam, kāds jebkad ir redzēts tuvplānā, Ultima Thule, tālu aiz Plutona reģionā, kas pazīstams kā Koipera josta. Viņš to nebūtu varējis izdarīt bez kodolenerģijas. Saules enerģija nav pieejama pietiekamā stiprumā ārpus Marsa orbītas. Ķīmiskie avoti nedarbojas ilgi, jo to enerģijas blīvums ir pārāk zems un to masa ir pārāk liela.

Izmanto liela attāluma misijās radiotermiskie ģeneratori (RTG) izmanto plutonija izotopu 238Pu, kas ir ideāli piemērots pastāvīga siltuma iegūšanai no dabiskās radioaktīvās sabrukšanas, izstarojot alfa daļiņas, kuras pēc tam pārvērš elektrībā. Tā 88 gadu pussabrukšanas periods nozīmē, ka tas kalpos ilgtermiņa misijai. Tomēr RTG nevar nodrošināt augstu īpatnējo jaudu, kas nepieciešama ilgām misijām, masīvākiem kuģiem, nemaz nerunājot par ārpuszemes bāzēm.

Risinājums, piemēram, izpētes klātbūtnei un, iespējams, apmetnei uz Marsa vai Mēness varētu būt mazu reaktoru konstrukcijas, kuras NASA ir testējusi vairākus gadus. Šīs ierīces ir pazīstamas kā Kilopower skaldīšanas enerģijas projekts (2), ir paredzēti elektroenerģijas padevei no 1 līdz 10 kW, un tos var konfigurēt kā koordinētus moduļus piedziņas sistēmām vai atbalstīt pētniecību, ieguvi vai kolonijas citplanētiešu kosmosa ķermeņos.

Kā jūs zināt, masai ir nozīme kosmosā. reaktora jauda tam nevajadzētu pārsniegt vidēja transportlīdzekļa svaru. Kā mēs zinām, piemēram, no nesenas izrādes SpaceX Falcon Heavy raķetesautomašīnas palaišana kosmosā šobrīd nav tehniska problēma. Tādējādi gaismas reaktorus var viegli novietot orbītā ap Zemi un ārpus tās.

2. XNUMX kilovatu KIlopower reaktora prototips.

Raķete ar reaktoru rada cerības un bailes

Bijušais NASA administrators Džims Bridenstīns viņš daudzkārt uzsvēra kodoltermisko dzinēju priekšrocības, piebilstot, ka lielāka jauda orbītā potenciāli ļautu orbītā esošajiem kuģiem veiksmīgi izvairīties no pretsatelītu ieroču uzbrukuma.

Reaktori orbītā tie varētu darbināt arī jaudīgus militāros lāzerus, kas arī ļoti interesē ASV varas iestādes. Tomēr, pirms kodolraķetes dzinējs veic savu pirmo lidojumu, NASA ir jāmaina likumi par kodolmateriālu nogādāšanu kosmosā. Ja tā ir taisnība, tad saskaņā ar NASA plānu pirmajam kodoldzinēja lidojumam būtu jānotiek 2024. gadā.

Tomēr šķiet, ka ASV strauji sāk savus kodolprojektus, īpaši pēc tam, kad Krievija paziņoja par desmit gadus ilgu programmu, lai izveidotu ar kodolenerģiju darbināmu civilo kosmosa kuģi. Viņi kādreiz bija neapšaubāmi līderi kosmosa tehnoloģiju jomā.

60. gados Amerikas Savienotajām Valstīm bija impulsa impulsa kodolraķetes Orion projekts, kam vajadzēja būt tik jaudīgai, lai varētu veselu pilsētu pārvietošana kosmosāun pat veikt pilotētu lidojumu uz Alpha Centauri. Visi tie vecie fantāzijas amerikāņu seriāli ir bijuši plauktā kopš 70. gadiem.

Tomēr ir pienācis laiks notīrīt putekļus no vecās koncepcijas. kodoldzinējs kosmosāgalvenokārt tāpēc, ka konkurenti, šajā gadījumā galvenokārt Krievija, pēdējā laikā ir izrādījuši lielu interesi par šo tehnoloģiju. Kodoltermiskā raķete varētu samazināt lidojuma laiku uz Marsu uz pusi, iespējams, pat līdz simt dienām, kas nozīmē, ka astronauti patērē mazāk resursu un mazāku radiācijas slodzi uz apkalpi. Turklāt, kā izskatās, tādas atkarības no "logiem", tas ir, vairākkārtējas Marsa tuvošanās Zemei ik pēc pāris gadiem, nebūs.

Tomēr pastāv risks, kas ietver to, ka iebūvētais reaktors būtu papildu starojuma avots situācijā, kad kosmoss jau rada milzīgus šāda veida draudus. Tas vēl nav viss. Kodoltermiskais dzinējs to nevar palaist Zemes atmosfērā, baidoties no iespējama sprādziena un piesārņojuma. Tāpēc palaišanai tiek nodrošinātas parastās raķetes. Tāpēc mēs neizlaižam visdārgāko posmu, kas saistīts ar masas palaišanu orbītā no Zemes.

NASA pētniecības projekts sauc ZEMES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) ir viens no NASA centieniem atgriezties pie kodolenerģijas piedziņas piemēriem. 2017. gadā, pirms tika runāts par atgriešanos pie šīs tehnoloģijas, NASA piešķīra uzņēmumam BWX Technologies trīs gadu līgumu par 19 miljoniem ASV dolāru, lai izstrādātu būvniecībai nepieciešamās degvielas sastāvdaļas un reaktorus. kodoldzinējs. Viena no NASA jaunākajām kosmosa kodolpiedziņas koncepcijām ir Swarm-Probe ATEG reaktors SPEAR (3), kurā paredzēts izmantot jaunu vieglo reaktora moderatoru un uzlabotus termoelektriskos ģeneratorus (ATEG), lai ievērojami samazinātu kopējo kodola masu.

Tam būs jāsamazina darba temperatūra un jāsamazina serdeņa kopējais jaudas līmenis. Tomēr samazinātajai masai būs nepieciešama mazāka piedziņas jauda, ​​kā rezultātā tiks izveidots mazs, lēts ar kodolenerģiju darbināms elektriskais kosmosa kuģis.

3. Projekta Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor ietvaros izstrādātās zondes vizualizācija.

Anatolijs PerminovsPar to paziņoja Krievijas Federālās kosmosa aģentūras vadītājs. izstrādās ar kodolenerģiju darbināmu kosmosa kuģi ceļojumiem dziļā kosmosā, piedāvājot savu, oriģinālo pieeju. Sākotnējais projekts tika pabeigts līdz 2013. gadam, un turpmākie 9 gadi ir paredzēti attīstībai. Šai sistēmai vajadzētu būt kodolenerģijas ražošanas un jonu piedziņas sistēmas kombinācijai. Karstai gāzei 1500°C temperatūrā no reaktora jāgriež turbīna, kas griež ģeneratoru, kas ģenerē elektroenerģiju jonu dzinējam.

Pēc Perminova teiktā, ar disku varēs atbalstīt pilotētu misiju uz Marsuun astronauti varētu palikt uz Sarkanās planētas 30 dienas, pateicoties kodolenerģijai. Kopumā lidojums uz Marsu ar kodoldzinēju un pastāvīgu paātrinājumu aizņemtu sešas nedēļas, nevis astoņus mēnešus, pieņemot, ka vilce ir 300 reizes lielāka nekā ķīmiskā dzinēja vilce.

Tomēr krievu programmā viss nav tik gluds. 2019. gada augustā Sarovā, Krievijā Baltās jūras krastā, eksplodēja reaktors, kas bija daļa no raķešu dzinēja Baltijas jūrā. šķidrā degviela. Nav zināms, vai šī katastrofa ir saistīta ar iepriekš aprakstīto Krievijas kodolpiedziņas pētniecības programmu.

Tomēr tas neapšaubāmi ir sāncensības elements starp ASV un Krieviju un, iespējams, Ķīnu uz vietas. kodolenerģijas izmantošana kosmosā dod pētniecībai spēcīgu paātrinājošu impulsu.