Energia nuclear no espaço. Impulsos de aceleração atômica

A ideia de usar energia nuclear para impulsionar naves espaciais e usá-la em futuras bases ou assentamentos extraterrestres não é nova. Recentemente, eles vieram em uma nova onda e, à medida que se tornam um campo de grande rivalidade de poder, sua implementação se torna mais provável.

A NASA e o Departamento de Energia dos EUA iniciaram uma busca entre empresas revendedoras projetos de usinas nucleares na Lua e em Marte. Isso deve apoiar pesquisas de longo prazo e talvez até projetos de assentamento. O objetivo da NASA é tê-lo pronto para lançamento até 2026. A planta deve ser completamente fabricada e montada na Terra e depois testada quanto à segurança.

Antonio Calomino, diretor de tecnologia nuclear da NASA na Administração de Tecnologia Espacial, disse que O plano é desenvolver um sistema de fissão nuclear de XNUMX quilowatts que eventualmente será lançado e colocado na Lua. (1). Ele deve ser integrado ao módulo lunar e o impulsionador o levará para órbita da lua. Carregador em seguida, trazer o sistema para a superfície.

Espera-se que na chegada ao local esteja imediatamente pronto para operação, sem a necessidade de montagem ou construção adicional. A operação é uma demonstração das possibilidades e será o ponto de partida para a utilização da solução e suas derivadas.

“Uma vez que a tecnologia tenha sido validada durante uma demonstração, os sistemas futuros podem ser ampliados ou vários dispositivos podem ser usados ​​juntos para missões de longo prazo à Lua e possivelmente a Marte”, explicou Calomino à CNBC. “Quatro unidades, cada uma produzindo 10 quilowatts de eletricidade, fornecerão energia suficiente para a criação de um posto avançado na Lua ou Marte.

A capacidade de gerar grandes quantidades de eletricidade na superfície dos planetas usando um sistema de fissão terrestre permitirá pesquisas em larga escala, postos avançados humanos e uso de recursos in situ, permitindo a possibilidade de comercialização”.

Como vai funcionar Usina nuclear? Forma ligeiramente enriquecida Combustível nuclear força de vontade núcleo nuclear... Pequena Reator nuclear irá gerar calor, que será transferido para o sistema de conversão de energia. O sistema de conversão de energia consistirá em motores projetados para funcionar com o calor do reator em vez de combustível combustível. Esses motores usam calor, convertem-no em eletricidade, que é condicionada e distribuída aos equipamentos do usuário na superfície da Lua e de Marte. O método de dissipação de calor é importante para manter a temperatura adequada de operação dos dispositivos.

Poder nuclear é agora considerada como a única alternativa razoável onde energia solar, eólica e hidrelétrica não estão prontamente disponíveis. Em Marte, por exemplo, a força do sol varia muito com as estações, e tempestades de poeira periódicas podem durar meses.

Na Lua lunar frio a noite dura 14 dias, com a luz do sol variando muito perto dos pólos e ausente das crateras permanentemente sombreadas. Em condições tão difíceis, obter energia da luz solar é difícil e os suprimentos de combustível são limitados. A energia de fissão de superfície oferece uma solução fácil, confiável e eficiente.

Ao contrário reatores de solonão há intenção de remover ou substituir o combustível. No final da missão de 10 anos, há também um plano para o descomissionamento seguro da instalação. “No final de sua vida útil, o sistema será desligado e o nível de radiação diminuirá gradualmente para um nível seguro para acesso e operação humana”, explicou Calomino. "Os sistemas de resíduos podem ser movidos para um local de armazenamento remoto onde não colocarão em risco a tripulação ou o meio ambiente".

Reator pequeno, leve, mas eficiente, em alta demanda

À medida que a exploração espacial se desenvolve, já estamos indo muito bem com sistemas de geração de energia nuclear em pequena escala. Esses sistemas há muito tempo alimentam espaçonaves não tripuladas que viajam para os confins do sistema solar.

Em 2019, a espaçonave New Horizons, movida a energia nuclear, voou através do objeto mais distante já visto de perto, Ultima Thule, muito além de Plutão, em uma região conhecida como Cinturão de Kuiper. Ele não poderia ter feito isso sem energia nuclear. A energia solar não está disponível em força suficiente fora da órbita de Marte. As fontes químicas não duram muito porque sua densidade de energia é muito baixa e sua massa é muito grande.

Usado em missões de longo alcance geradores radiotérmicos (RTG) usa o isótopo de plutônio 238Pu, que é ideal para gerar calor permanente a partir do decaimento radioativo natural, emitindo partículas alfa, que são então convertidas em eletricidade. Sua meia-vida de 88 anos significa que servirá uma missão de longo prazo. No entanto, os RTGs não podem fornecer a alta potência específica necessária para missões longas, navios mais massivos, sem mencionar bases extraterrestres.

Uma solução, por exemplo, para uma presença exploratória e possivelmente um assentamento em Marte ou na Lua poderia ser pequenos projetos de reatores que a NASA vem testando há vários anos. Esses dispositivos são conhecidos como Projeto de energia de fissão Kilopower (2), são projetados para fornecer energia elétrica de 1 a 10 kW e podem ser configurados como módulos coordenados para alimentar sistemas de propulsão ou para apoiar pesquisas, mineração ou colônias em corpos espaciais alienígenas.

Como você sabe, a massa é importante no espaço. potência do reator não deve exceder o peso de um veículo médio. Como sabemos, por exemplo, de um show recente Foguetes Falcon Heavy da SpaceXlançar um carro no espaço não é atualmente um problema técnico. Assim, reatores de luz podem ser facilmente colocados em órbita ao redor da Terra e além.

2. Protótipo de reator de XNUMX kilowatts KIlopower.

Foguete com reator aumenta esperanças e temores

Ex-administrador da NASA Jim Bridenstine ele enfatizou muitas vezes vantagens dos motores térmicos nucleares, acrescentando que mais energia em órbita poderia permitir que naves em órbita evadissem com sucesso se atacadas por armas anti-satélite.

Reatores em órbita eles também podem alimentar poderosos lasers militares, o que também é de grande interesse para as autoridades dos EUA. No entanto, antes que um motor de foguete nuclear faça seu primeiro vôo, a NASA deve mudar suas leis sobre levar materiais nucleares ao espaço. Se isso for verdade, de acordo com o plano da NASA, o primeiro voo de um motor nuclear deve ocorrer em 2024.

No entanto, os EUA parecem estar iniciando seus projetos nucleares, especialmente depois que a Rússia anunciou um programa de uma década para construir uma espaçonave civil movida a energia nuclear. Eles já foram o líder indiscutível em tecnologia espacial.

Nos anos 60, os Estados Unidos tinham um projeto para o míssil nuclear Orion pulso-pulso, que deveria ser tão poderoso que poderia permitir movendo cidades inteiras para o espaçoe ainda fazer um voo tripulado para Alpha Centauri. Todas aquelas velhas séries americanas de fantasia estão na prateleira desde os anos 70.

No entanto, é hora de tirar a poeira do velho conceito. motor nuclear no espaçoprincipalmente porque os concorrentes, neste caso principalmente a Rússia, mostraram recentemente grande interesse nesta tecnologia. Um foguete térmico nuclear poderia reduzir o tempo de voo para Marte pela metade, talvez até cem dias, o que significa que os astronautas consomem menos recursos e menos carga de radiação na tripulação. Além disso, ao que parece, não haverá tal dependência de "janelas", ou seja, a aproximação múltipla de Marte à Terra a cada poucos anos.

No entanto, existe um risco, que inclui o fato de o reator de bordo ser uma fonte adicional de radiação em uma situação em que o espaço já carrega uma enorme ameaça dessa natureza. Isso não é tudo. Motor térmico nuclear não pode ser lançado na atmosfera terrestre por medo de uma possível explosão e contaminação. Portanto, foguetes normais são fornecidos para lançamento. Portanto, não pulamos a etapa mais cara associada ao lançamento de massa em órbita da Terra.

projeto de pesquisa da NASA chamado ÁRVORES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) é um exemplo dos esforços da NASA para retornar à propulsão nuclear. Em 2017, antes que houvesse qualquer conversa sobre um retorno à tecnologia, a NASA concedeu à BWX Technologies um contrato de três anos no valor de US$ 19 milhões para desenvolver os componentes de combustível e reatores necessários para a construção. motor nuclear. Um dos mais novos conceitos de propulsão nuclear espacial da NASA é o Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), que deve usar um novo moderador de reator leve e geradores termoelétricos avançados (ATEGs) para reduzir significativamente a massa geral do núcleo.

Isso exigirá a redução da temperatura de operação e a redução do nível geral de energia do núcleo. No entanto, a massa reduzida exigirá menos energia de propulsão, resultando em uma espaçonave elétrica pequena, barata e movida a energia nuclear.

3. Visualização da sonda desenvolvida no âmbito do projeto Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovO anúncio foi feito pelo chefe da Agência Espacial Federal da Rússia. desenvolverá uma espaçonave movida a energia nuclear para viagens espaciais profundas, oferecendo uma abordagem própria e original. O projeto preliminar foi concluído em 2013, e os próximos 9 anos estão planejados para desenvolvimento. Este sistema deve ser uma combinação de geração de energia nuclear com um sistema de propulsão iônica. O gás quente a 1500°C do reator deve girar uma turbina que aciona um gerador que gera eletricidade para o motor de íons.

De acordo com Perminov, a unidade será capaz de apoiar uma missão tripulada a Martee os astronautas poderiam permanecer no Planeta Vermelho por 30 dias graças à energia nuclear. No total, um voo para Marte com um motor nuclear e aceleração constante levaria seis semanas em vez de oito meses, assumindo um empuxo 300 vezes maior que o de um motor químico.

No entanto, nem tudo é tão suave no programa russo. Em agosto de 2019, um reator explodiu em Sarov, na Rússia, às margens do Mar Branco, que fazia parte de um motor de foguete no Mar Báltico. combustível líquido. Não se sabe se este desastre está relacionado ao programa de pesquisa de propulsão nuclear russo descrito acima.

Sem dúvida, no entanto, um elemento de rivalidade entre os Estados Unidos e a Rússia, e possivelmente a China no terreno uso da energia nuclear no espaço dá à pesquisa um forte impulso acelerador.