L'energia nucleare nello spazio. Impulsi di accelerazione atomica

L'idea di utilizzare l'energia nucleare per azionare veicoli spaziali e utilizzarla in future basi o insediamenti extraterrestri non sono nuove. Di recente, sono entrati in una nuova ondata e, man mano che diventano un campo di grande rivalità di potere, la loro attuazione diventa più probabile.

La NASA e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno avviato una ricerca tra le società di vendita progetti di centrali nucleari sulla Luna e su Marte. Ciò dovrebbe sostenere la ricerca a lungo termine e forse anche i progetti di insediamento. L'obiettivo della NASA è di averlo pronto per il lancio entro il 2026. L'impianto deve essere completamente fabbricato e assemblato sulla Terra e quindi testato per la sicurezza.

Antonio CalminoLo ha affermato il direttore della tecnologia nucleare della NASA presso la Space Technology Administration Il piano è quello di sviluppare un sistema di fissione nucleare da XNUMX kilowatt che sarà infine lanciato e posizionato sulla Luna. (uno). Deve essere integrato con il lander lunare e il booster lo porterà orbita lunare. Caricatore quindi portare il sistema in superficie.

Si prevede che all'arrivo in cantiere sarà subito pronto per l'uso, senza necessità di ulteriori montaggi o costruzioni. L'operazione è una dimostrazione delle possibilità e sarà il punto di partenza per l'utilizzo della soluzione e delle sue derivate.

"Una volta che la tecnologia è stata convalidata durante una dimostrazione, i sistemi futuri possono essere ampliati o più dispositivi possono essere utilizzati insieme per missioni a lungo termine sulla Luna e possibilmente su Marte", ha spiegato Calomino alla CNBC. “Quattro unità, ciascuna delle quali produce 10 kilowatt di elettricità, forniranno energia sufficiente creare un avamposto sulla Luna o su Marte.

La capacità di generare grandi quantità di elettricità sulla superficie dei pianeti utilizzando un sistema di fissione terrestre consentirà la ricerca su larga scala, avamposti umani e l'uso di risorse in situ, consentendo al contempo la possibilità di commercializzazione".

Come funzionerà centrale nucleare? Forma leggermente arricchita combustibile nucleare forza di volontà nucleo nucleare... Piccolo reattore nucleare genererà calore, che sarà trasferito al sistema di conversione dell'energia. Il sistema di conversione della potenza consisterà in motori progettati per funzionare con il calore del reattore anziché con combustibile combustibile. Questi motori utilizzano il calore, lo convertono in elettricità, che viene condizionata e distribuita alle apparecchiature degli utenti sulla superficie della Luna e di Marte. Il metodo di dissipazione del calore è importante per mantenere la corretta temperatura di esercizio dei dispositivi.

Energia nucleare è ora considerata l'unica alternativa ragionevole in cui energia solare, eolico e idroelettrico non sono prontamente disponibili. Su Marte, ad esempio, la forza del sole varia notevolmente con le stagioni e periodiche tempeste di sabbia possono durare mesi.

Sulla Luna lunare freddo la notte dura 14 giorni, con luce solare molto variabile in prossimità dei poli e assente dai crateri permanentemente in ombra. In condizioni così difficili, è difficile ottenere energia dalla luce solare e le scorte di carburante sono limitate. L'energia di fissione superficiale offre una soluzione facile, affidabile ed efficiente.

A differenza di reattori a terranon vi è alcuna intenzione di rimuovere o sostituire il carburante. Al termine della missione decennale, c'è anche un piano per la disattivazione in sicurezza dell'impianto. "Alla fine della sua vita utile, il sistema verrà spento e il livello di radiazione diminuirà gradualmente fino a un livello sicuro per l'accesso e il funzionamento delle persone", ha spiegato Calomino. "I sistemi di smaltimento dei rifiuti possono essere spostati in un luogo di stoccaggio remoto dove non mettono in pericolo l'equipaggio o l'ambiente".

Reattore piccolo, leggero, ma efficiente, molto richiesto

Con lo sviluppo dell'esplorazione spaziale, stiamo già andando abbastanza bene sistemi di produzione di energia nucleare su piccola scala. Tali sistemi hanno a lungo alimentato veicoli spaziali senza pilota che viaggiano fino ai confini del sistema solare.

Nel 2019, la navicella spaziale New Horizons a propulsione nucleare ha attraversato l'oggetto più distante mai visto a distanza ravvicinata, Ultima Thule, ben oltre Plutone in una regione conosciuta come la Cintura di Kuiper. Non avrebbe potuto farlo senza il nucleare. L'energia solare non è disponibile con forza sufficiente al di fuori dell'orbita di Marte. Le fonti chimiche non durano a lungo perché la loro densità di energia è troppo bassa e la loro massa è troppo grande.

Usato nelle missioni a lungo raggio generatori radiotermici (RTG) utilizza l'isotopo di plutonio 238Pu, ideale per generare calore permanente dal decadimento radioattivo naturale emettendo particelle alfa, che vengono poi convertite in elettricità. La sua emivita di 88 anni significa che servirà una missione a lungo termine. Tuttavia, gli RTG non possono fornire l'elevata potenza specifica richiesta per missioni lunghe, navi più massicce, per non parlare delle basi extraterrestri.

Una soluzione, ad esempio, per una presenza esplorativa e possibilmente un insediamento su Marte o sulla Luna potrebbe essere il progetto di piccoli reattori che la NASA sta testando da diversi anni. Questi dispositivi sono conosciuti come Progetto di energia di fissione Kilopower (2), sono progettati per fornire energia elettrica da 1 a 10 kW e possono essere configurati come moduli coordinati per alimentare sistemi di propulsione o per supportare la ricerca, l'estrazione mineraria o le colonie su corpi spaziali alieni.

Come sai, la massa conta nello spazio. potenza del reattore non deve superare il peso di un veicolo medio. Come sappiamo, ad esempio, da un recente spettacolo SpaceX Falcon Heavy razzilanciare un'auto nello spazio attualmente non è un problema tecnico. Pertanto, i reattori di luce possono essere facilmente collocati in orbita attorno alla Terra e oltre.

2. Prototipo di reattore KIlopower da XNUMX kilowatt.

Razzo con reattore suscita speranze e paure

Ex amministratore della NASA Jim Bridenstine ha sottolineato più volte vantaggi dei motori termici nucleari, aggiungendo che una maggiore potenza in orbita potrebbe potenzialmente consentire ai velivoli orbitanti di eludere con successo in caso di attacco con armi anti-satellite.

Reattori in orbita potrebbero anche alimentare potenti laser militari, cosa di grande interesse anche per le autorità statunitensi. Tuttavia, prima che un motore a razzo nucleare faccia il suo primo volo, la NASA deve cambiare le sue leggi sull'invio di materiali nucleari nello spazio. Se questo è vero, allora, secondo il piano della NASA, il primo volo di un motore nucleare dovrebbe aver luogo nel 2024.

Tuttavia, sembra che gli Stati Uniti stiano avviando i loro progetti nucleari, soprattutto dopo che la Russia ha annunciato un programma decennale per costruire un veicolo spaziale civile a propulsione nucleare. Un tempo erano il leader indiscusso della tecnologia spaziale.

Negli anni '60, gli Stati Uniti avevano un progetto per il missile nucleare a impulsi Orion, che doveva essere così potente da poter consentire spostare intere città nello spazioe anche fare un volo con equipaggio per Alpha Centauri. Tutte quelle vecchie serie fantasy americane sono sugli scaffali dagli anni '70.

Tuttavia, è tempo di rispolverare il vecchio concetto. motore nucleare nello spazioprincipalmente perché i concorrenti, in questo caso principalmente la Russia, hanno recentemente mostrato grande interesse per questa tecnologia. Un razzo termico nucleare potrebbe dimezzare il tempo di volo su Marte, forse anche a XNUMX giorni, il che significa che gli astronauti consumano meno risorse e meno carico di radiazioni sull'equipaggio. Inoltre, a quanto pare, non ci sarà tale dipendenza dalle "finestre", cioè dal ripetuto avvicinamento di Marte alla Terra ogni pochi anni.

Tuttavia, esiste un rischio, che include il fatto che il reattore di bordo sarebbe un'ulteriore fonte di radiazioni in una situazione in cui lo spazio comporta già un'enorme minaccia di questa natura. Non è tutto. Motore termico nucleare non può essere lanciato nell'atmosfera terrestre per paura di una possibile esplosione e contaminazione. Pertanto, per il lancio sono previsti normali razzi. Pertanto, non saltiamo la fase più costosa associata al lancio di massa in orbita dalla Terra.

Progetto di ricerca della NASA chiamato ALBERI (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) è un esempio degli sforzi della NASA per tornare alla propulsione nucleare. Nel 2017, prima che si parlasse di un ritorno alla tecnologia, la NASA ha assegnato a BWX Technologies un contratto triennale da 19 milioni di dollari per lo sviluppo dei componenti del combustibile e dei reattori necessari per la costruzione. motore nucleare. Uno dei più recenti concetti di propulsione nucleare spaziale della NASA è lo Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3), che dovrebbe utilizzare un nuovo moderatore di reattore leggero e generatori termoelettrici avanzati (ATEG) per ridurre significativamente la massa del nucleo centrale.

Ciò richiederà l'abbassamento della temperatura di esercizio e l'abbassamento del livello di potenza complessivo del core. Tuttavia, la massa ridotta richiederà meno potenza di propulsione, risultando in un veicolo spaziale elettrico piccolo, economico e a propulsione nucleare.

3. Visualizzazione della sonda sviluppata nell'ambito del progetto Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovLo ha annunciato il capo dell'Agenzia spaziale federale russa. svilupperà un veicolo spaziale a propulsione nucleare per i viaggi nello spazio profondo, proponendo un suo approccio originale. Il progetto preliminare è stato completato entro il 2013 e sono previsti i prossimi 9 anni per lo sviluppo. Questo sistema dovrebbe essere una combinazione di generazione di energia nucleare con un sistema di propulsione ionica. Il gas caldo a 1500°C proveniente dal reattore dovrebbe far girare una turbina che aziona un generatore che genera elettricità per il motore a ioni.

Secondo Perminov, l'unità sarà in grado di supportare una missione con equipaggio su Martee gli astronauti potrebbero rimanere sul Pianeta Rosso per 30 giorni grazie all'energia nucleare. In totale, un volo su Marte con un motore nucleare e un'accelerazione costante richiederebbe sei settimane invece di otto mesi, assumendo una spinta 300 volte maggiore di quella di un motore chimico.

Tuttavia, non tutto è così liscio nel programma russo. Nell'agosto 2019 è esploso un reattore a Sarov, in Russia, sulle rive del Mar Bianco, che faceva parte di un motore a razzo nel Mar Baltico. carburante liquido. Non è noto se questo disastro sia correlato al programma di ricerca sulla propulsione nucleare russo descritto sopra.

Indubbiamente, però, un elemento di rivalità sul terreno tra Stati Uniti e Russia, e forse Cina uso dell'energia nucleare nello spazio dà alla ricerca un forte impulso accelerato.