Космос и астрономия 5 октомври 2024 г. · 0 коментара
Може ли ядрената енергия да ни задвижи до Марс? Кредит за изображение: DARPA
Колкото по-бързо можете да изпратите екипаж до Марс, толкова по-добре – но конвенционалните системи за задвижване може да не се справят със задачата.
НАСА планира да изпрати мисии с екипаж до Марс през следващото десетилетие – но пътуването от 140 милиона мили (225 милиона километра) до червената планета може да отнеме няколко месеца до години двупосочно пътуване.
Това сравнително дълго транзитно време е резултат от използването на традиционно химическо ракетно гориво. Алтернативна технология на ракетите с химическо задвижване, които агенцията разработва сега, се нарича ядрено топлинно задвижване, което използва ядрено делене и може един ден да задвижва ракета, която изминава пътуването само за половината от времето.
Ядреното делене включва събиране на невероятно количество енергия, освободено, когато атомът се раздели от неутрон. Тази реакция е известна като реакция на делене. Технологията за делене е добре установена в производството на енергия и ядрените подводници и нейното приложение за задвижване или задвижване на ракета може един ден да даде на НАСА по-бърза и по-мощна алтернатива на химически задвижваните ракети.
НАСА и Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната разработват съвместно технологията NTP. Те планират да внедрят и демонстрират възможностите на прототипна система в космоса през 2027 г. – което потенциално ще я направи една от първите по рода си, изградена и управлявана от САЩ
Ядрено топлинно задвижване може също един ден да захранва маневрени космически платформи, които биха защитили американските сателити в и извън орбитата на Земята. Но технологията все още е в процес на разработка.
Аз съм доцент по ядрено инженерство в Технологичния институт на Джорджия, чиято изследователска група изгражда модели и симулации за подобряване и оптимизиране на проекти за ядрени топлинни задвижващи системи. Моята надежда и страст е да помогна в проектирането на ядрен топлинен задвижващ двигател, който ще отведе екипаж на мисия до Марс.
Ядрено срещу химическо задвижване
Конвенционалните системи за химическо задвижване използват химическа реакция, включваща лек пропелант, като водород, и окислител. Когато се смесят заедно, тези две се запалват, което води до много бързо излизане на гориво от дюзата, за да задвижи ракетата.
Тези системи не изискват никаква система за запалване, така че са надеждни. Но тези ракети трябва да носят със себе си кислород в космоса, което може да ги натежи. За разлика от системите за химическо задвижване, системите за ядрено топлинно задвижване разчитат на реакции на ядрено делене за загряване на пропеланта, който след това се изхвърля от дюзата, за да създаде движеща сила или тяга.
При много реакции на делене изследователите изпращат неутрон към по-лекия изотоп на урана, уран-235. Уранът абсорбира неутрона, създавайки уран-236. След това уран-236 се разделя на два фрагмента – продуктите на делене – и реакцията излъчва някои различни частици.
Повече от 400 ядрени енергийни реактора в експлоатация по света в момента използват технология за ядрено делене. По-голямата част от тези работещи ядрени енергийни реактори са реактори с лека вода. Тези реактори на делене използват вода, за да забавят неутроните и да абсорбират и пренасят топлина. Водата може да създаде пара директно в ядрото или в парогенератор, който задвижва турбина за производство на електричество.
Системите за ядрено топлинно задвижване работят по подобен начин, но използват различно ядрено гориво, което съдържа повече уран-235. Освен това работят при много по-висока температура, което ги прави изключително мощни и компактни. Системите за ядрено топлинно задвижване имат около 10 пъти по-голяма плътност на мощността от традиционните реактори с лека вода.
Ядреното задвижване може да има предимство пред химическото задвижване по няколко причини.
Ядреното задвижване ще изхвърли пропеланта от дюзата на двигателя много бързо, генерирайки висока тяга. Тази висока тяга позволява на ракетата да се ускорява по-бързо.
Тези системи също имат висок специфичен импулс. Специфичният импулс измерва колко ефективно се използва пропелантът за генериране на тяга. Системите за ядрено топлинно задвижване имат приблизително два пъти по-голям специфичен импулс от химическите ракети, което означава, че могат да намалят времето за пътуване с фактор 2.
История на ядреното топлинно задвижване
В продължение на десетилетия правителството на САЩ финансира разработването на технология за ядрено топлинно задвижване. Между 1955 г. и 1973 г. програмите на НАСА, Дженерал Електрик и Националните лаборатории на Аргон произвеждат и тестват на земята 20 ядрени топлинни задвижващи двигателя.
Но тези проекти преди 1973 г. разчитаха на високо обогатено ураново гориво. Това гориво вече не се използва поради опасностите от разпространение или опасности, свързани с разпространението на ядрен материал и технология.
Инициативата за намаляване на глобалната заплаха, стартирана от Министерството на енергетиката и Националната администрация за ядрена сигурност, има за цел да преобразува много от изследователските реактори, използващи високо обогатено ураново гориво, към нискообогатен уран с високо съдържание на анализ или HALEU гориво.
Ниско обогатеното ураново гориво с висока проба съдържа по-малко материал, способен да претърпи реакция на делене, в сравнение с високо обогатеното ураново гориво. Така че ракетите трябва да имат повече гориво HALEU, което прави двигателя по-тежък. За да разрешат този проблем, изследователите търсят специални материали, които биха използвали горивото по-ефективно в тези реактори.
Програмата на НАСА и Демонстрационната ракета за гъвкави цислунарни операции на DARPA, или DRACO, възнамерява да използва това висококачествено, ниско обогатено ураново гориво в своя ядрен топлинен задвижващ двигател. Програмата планира да изстреля своята ракета през 2027 г.
Като част от програмата DRACO, аерокосмическата компания Lockheed Martin си партнира с BWX Technologies за разработване на дизайна на реактора и горивото.
Ядрените топлинни задвижващи двигатели, които се разработват от тези групи, ще трябва да отговарят на специфични стандарти за ефективност и безопасност. Те ще трябва да имат ядро, което да може да работи по време на мисията и да извършва необходимите маневри за бързо пътуване до Марс.
В идеалния случай двигателят трябва да може да произвежда висок специфичен импулс, като същевременно отговаря на изискванията за висока тяга и ниска маса на двигателя.
Текущи изследвания
Преди инженерите да могат да проектират двигател, който отговаря на всички тези стандарти, те трябва да започнат с модели и симулации. Тези модели помагат на изследователи, като тези в моята група, да разберат как двигателят ще се справи със стартирането и изключването. Това са операции, които изискват бързи, масивни промени в температурата и налягането.
Ядреният топлинен задвижващ двигател ще се различава от всички съществуващи енергийни системи за делене, така че инженерите ще трябва да създадат софтуерни инструменти, които да работят с този нов двигател.
Моята група проектира и анализира реактори за ядрено топлинно задвижване, използвайки модели. Ние моделираме тези сложни реакторни системи, за да видим как неща като температурни промени могат да повлияят на реактора и безопасността на ракетата. Но симулирането на тези ефекти може да отнеме много скъпа изчислителна мощност.
Работим по разработването на нови изчислителни инструменти, които моделират как действат тези реактори, докато се стартират и работят, без да използват толкова много изчислителна мощност.
Моите колеги и аз се надяваме, че това изследване може един ден да помогне за разработването на модели, които биха могли автономно да управляват ракетата.
Дан Котляр, доцент по ядрено и радиологично инженерство, Технологичен институт на Джорджия
Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценз Creative Commons.
Прочетете оригиналната статия.
Източник: Разговорът | Коментари (0)