NASA планує відправити місії з екіпажем на Марс протягом наступного десятиліття, але подорож до Червоної планети довжиною 225 мільйонів кілометрів може тривати від кількох місяців до років.
Цей відносно довгий час проходження є результатом використання традиційного хімічного ракетного палива. Альтернативна технологія ракет, яку зараз розробляє агентство, називається ядерним тепловим двигуном. Він для розгону робочого тіла використовує тепло ядерного поділу, що дозволить здійснити політ вдвічі швидше.
Ядерний поділ виділяє неймовірну кількість теплової енергії, що виділяється, коли атом розщеплюється нейтроном. Саме тому 1 кг уранового палива в легководних реакторах відповідає майже 10 000 кг нафтопродуктів або 14 000 кг вугілля та дозволяє виробляти 45 000 кВт-год електроенергії.
Технологія поділу добре відпрацьована у виробництві електроенергії та на атомних підводних човнах, і її застосування для приводу чи живлення ракет може одного разу дати NASA швидшу та потужнішу альтернативу ракетам з хімічним згорянням.
NASA та Агентство передових оборонних дослідницьких проектів спільно розробляють технологію атомного ракетного двигуна NTP. Вони планують розгорнути та продемонструвати можливості прототипу системи в космосі в 2027 році, що потенційно зробить його одним із перших у своєму роді.
Ядерний теплові двигуни також одного дня могли б привести в дію маневрені космічні платформи на орбіті Землі та за її межами. Але технологія ще в розробці.
Ядерний двигун проти хімічного
Звичайні хімічні двигуни використовують хімічну реакцію поєднання двох речовин (відомо вам як горіння) з виділенням великої кількості тепла. Одна з найпотужніших пар у космічній техніці – водень та кисень. Коли вони змішуються разом, їх запалюють, в результаті чого суміш цих газів сильно розігрівається, що примушує ці гази дуже швидко виходити із сопла, рухаючи ракету.
Ці системи надійні. Але ці ракети повинні нести з собою в космос важкий кисень, що є зайвою вагою.
На відміну від хімічних силових установок, ядерні теплові рухові системи покладаються на реакції ядерного поділу, щоб нагріти газ, змушуючи його так само швидко вилітати з сопла, створюючи тягу.
У багатьох реакціях поділу дослідники посилають нейтрон до легшого ізотопу урану, урану-235. Уран поглинає нейтрон, утворюючи уран-236. Потім уран-236 розпадається на два фрагменти – продукти поділу – і в результаті реакції виділяються різні частинки.
Понад 400 ядерних енергетичних реакторів, що працюють у всьому світі, використовують технологію ядерного поділу. Більшість цих діючих ядерних енергетичних реакторів є легководними . Ці реактори поділу використовують воду для уповільнення нейтронів, а також для поглинання й передачі тепла. Вода може створювати водяну пару безпосередньо в ядрі реактора (і тоді вона буде радіоактивною) або в парогенераторі (і тоді вона не буде радіоактивною). Ця водяна пара обертає турбіну, до якої підключено електрогенератор.
Ядерні теплові двигуни виділяють тепло подібним чином до атомних електростанцій, але вони використовують інше ядерне паливо, яке містить більше урану-235. Вони також працюють при набагато вищій температурі, що робить їх надзвичайно потужними та компактними. Ядерні теплові двигуни мають приблизно в 10 разів більшу щільність потужності, ніж традиційний легководний реактор.
Ядерний двигун може мати перевагу над хімічним двигуном з кількох причин. Ядерний двигун дуже швидко викидає газ із сопла двигуна, створюючи високу тягу. Така висока тяга дозволяє ракеті прискорюватися швидше.
Ці системи також мають високий питомий імпульс. Питомий імпульс показує, як довго 1 кг палива створює тягу. Тому ракета з питомим імпульсом 800 секунд в рази ефективніша за ракету з питомим імпульсом 500 секунд.
Ядерні теплові двигуни мають приблизно вдвічі більший питомий імпульс, ніж хімічні ракети.
Історія ядерного теплового двигуна
Десятиліттями уряд США фінансував розробку технології ядерного теплового двигуна. Між 1955 і 1973 роками в рамках програм НАСА, силами Дженерал Електрик і Аргоннської національної лабораторії було виготовлено та випробувано на землі 20 ядерних теплових двигунів.
Але ці проекти до 1973 року спиралися на високозбагачене уранове паливо. Це паливо більше не використовується через небезпеки, пов’язані з поширенням ядерних матеріалів і технологій.
Ініціатива зменшення глобальної загрози , започаткована Міністерством енергетики та Національним управлінням ядерної безпеки , спрямована на переведення багатьох дослідницьких реакторів, які використовують паливо з високозбагаченого урану, на паливо з низькозбагаченим ураном (HALEU).
Паливо HALEU містить менше матеріалу, здатного вступати в реакцію поділу, порівняно з високозбагаченим урановим паливом. Таким чином, ракети повинні мати більше завантаженого палива HALEU, що робить двигун важчим. Щоб вирішити цю проблему, дослідники шукають спеціальні матеріали, які б ефективніше використовували паливо в цих реакторах.
Програма NASA та DARPA «Демонстраційна ракета для гнучких навколомісячних операцій», або DRACO, має намір використовувати це низькозбагачене уранове паливо у своєму ядерному тепловому двигуні. Програма планує запустити свою ракету в 2027 році. У рамках програми DRACO аерокосмічна компанія Lockheed Martin співпрацює з BWX Technologies для розробки конструкції реактора та палива.
Ядерні теплові двигуни, що розробляються цими групами, повинні будуть відповідати певним стандартам продуктивності та безпеки. Їм знадобиться реактор, який зможе працювати протягом місії та виконувати необхідні маневри для швидкої подорожі на Марс.
В ідеалі двигун повинен бути здатний створювати високий питомий імпульс, одночасно задовольняючи вимоги щодо високої тяги та низької маси двигуна.
Тривають дослідження
Перш ніж інженери зможуть розробити двигун, який задовольняє всім цим стандартам, вони повинні почати з моделей і моделювання. Ці моделі допомагають дослідникам, наприклад тим, хто входить до моєї групи, зрозуміти, як двигун справлятиметься із запуском і вимиканням. Це операції, які вимагають швидких, великих змін температури та тиску.
Ядерний тепловий двигун відрізнятиметься від усіх існуючих енергетичних систем ділення, тому інженерам потрібно буде створювати програмні засоби, які працюватимуть із цим новим двигуном.
За матеріалами: The Conversation
The post Ядерні ракети долетять до Марса вдвічі швидше, але розробити реактори для них, непросто appeared first on .