NASA планирует отправить миссии с экипажем на Марс в течение следующего десятилетия, но путешествие в Красную планету протяженностью 225 миллионов километров может длиться от нескольких месяцев до лет.
Это относительно долгое время прохождения является результатом использования традиционного химического ракетного топлива. Альтернативная технология ракет, которую сейчас разрабатывает агентство, называется ядерным тепловым двигателем. Он для разгона рабочего тела использует тепло ядерного деления, что позволит совершить полет вдвое быстрее.
Ядерное деление выделяет невероятное количество выделяемой тепловой энергии, когда атом расщепляется нейтроном. Поэтому 1 кг уранового топлива в легководных реакторах соответствует почти 10 000 кг нефтепродуктов или 14 000 кг угля и позволяет производить 45 000 кВт-ч электроэнергии.
Технология разделения хорошо отработана в производстве электроэнергии и на атомных подлодках, и ее применение для привода или питания ракет может однажды дать NASA более быструю и более мощную альтернативу ракетам с химическим сгоранием.
NASA и Агентство передовых оборонных исследовательских проектов совместно разрабатывают технологию атомного ракетного двигателя NTP. Они планируют развернуть и продемонстрировать возможности прототипа системы в космосе в 2027 году, что потенциально сделает его одним из первых в своем роде.
Ядерные тепловые двигатели также однажды могли бы привести в действие маневренные космические платформы на орбите Земли и за ее пределами. Но разработка еще в разработке.
Ядерный двигатель против химического
Обычные химические двигатели используют химическую реакцию сочетания двух веществ (известно вам как горение) с выделением большого количества тепла. Одна из самых мощных пар в космической технике – водород и кислород. Когда они смешиваются вместе, их зажигают, в результате чего смесь этих газов сильно разогревается, что заставляет эти газы очень быстро выходить из сопла, двигая ракету.
Эти системы надежны. Но эти ракеты должны нести с собой в космос тяжелый кислород, являющийся лишним весом.
В отличие от химических силовых установок, ядерные тепловые двигательные системы возлагаются на реакции ядерного деления, чтобы нагреть газ, заставляя его так же быстро вылетать из сопла, создавая тягу.
Во многих реакциях деления исследователи посылают нейтрон к более легкому изотопа урана, урана-235. Уран поглощает нейтрон, образуя уран-236. Затем уран-236 распадается на два фрагмента – продукты разделения – и в результате реакции выделяются разные частицы.
Более 400 ядерных энергетических реакторов, работающих по всему миру, используют технологию ядерного разделения. Большинство этих действующих ядерных энергетических реакторов являются легководными. Эти реакторы разделения используют воду для замедления нейтронов, а также для поглощения и передачи тепла. Вода может создавать водяной пар непосредственно в ядре реактора (и тогда он будет радиоактивным) или в парогенераторе (и тогда он не будет радиоактивным). Этот водяной пар вращает турбину, к которой подключен электрогенератор.
Ядерные тепловые двигатели выделяют тепло подобным образом атомным электростанциям, но они используют другое ядерное топливо, которое содержит больше урана-235. Они также работают при гораздо более высокой температуре, что делает их чрезвычайно мощными и компактными. Ядерные тепловые двигатели имеют примерно в 10 раз большую плотность мощности, чем традиционный легководный реактор.
Ядерный двигатель может иметь преимущество над химическим двигателем по нескольким причинам. Ядерный двигатель очень быстро выбрасывает газ из сопла двигателя, создавая высокую тягу. Такая высокая тяга позволяет ракете ускоряться быстрее.
Эти системы также обладают высоким удельным импульсом. Удельный импульс показывает, как долго 1 кг топлива создает тягу. Поэтому ракета с удельным импульсом 800 секунд в разы эффективнее ракеты с удельным импульсом 500 секунд.
Ядерные тепловые двигатели обладают примерно вдвое большим удельным импульсом, чем химические ракеты.
История ядерного теплового двигателя
Десятилетиями правительство США финансировало разработку технологии ядерного теплового двигателя. Между 1955 и 1973 годами в рамках программ НАСА, силами Дженерал Электрик и Аргоннской национальной лаборатории было изготовлено и опробовано на земле 20 ядерных тепловых двигателей.
Но эти проекты к 1973 году опирались на высокообогащенное урановое топливо. Это топливо больше не используется из-за опасностей, связанных с распространением ядерных материалов и технологий.
Инициатива уменьшения глобальной угрозы, начатая Министерством энергетики и Национальным управлением ядерной безопасности, направлена ??на перевод многих исследовательских реакторов, использующих топливо из высокообогащенного урана, на топливо с низкообогащенным ураном (HALEU).
Топливо HALEU содержит меньшее количество материала, способного вступать в реакцию разделения по сравнению с высокообогащенным урановым топливом. Таким образом, ракеты должны иметь больше загруженного топлива HALEU, что делает двигатель более тяжелым. Чтобы решить эту проблему, исследователи ищут специальные материалы, которые бы более эффективно использовали топливо в этих реакторах.
Программа NASA и DARPA «Демонстрационная ракета для гибких околомесячных операций» или DRACO намерена использовать это низкообогащенное урановое топливо в своем ядерном тепловом двигателе. Программа планирует запустить свою ракету в 2027 году. В рамках программы DRACO аэрокосмическая компания Lockheed Martin сотрудничает с BWX Technologies по разработке конструкции реактора и топлива.
Ядерные тепловые двигатели, разрабатываемые этими группами, должны будут соответствовать определенным стандартам производительности и безопасности. Им понадобится реактор, который сможет работать на миссии и выполнять необходимые маневры для быстрого путешествия на Марс.
В идеале двигатель должен быть способен создавать высокий удельный импульс, одновременно удовлетворяя требованиям высокой тяги и низкой массы двигателя.
Продолжаются исследования
Прежде чем инженеры смогут разработать двигатель, удовлетворяющий всем этим стандартам, они должны начать с моделей и моделирования. Эти модели помогают исследователям, например тем, кто входит в мою группу, понять, как двигатель будет справляться с запуском и выключением. Это операции, требующие быстрого, большого изменения температуры и давления.
Ядерный тепловой двигатель будет отличаться от всех существующих энергетических систем деления, поэтому инженерам нужно будет создавать программные средства, которые будут работать с новым двигателем.
По материалам: The Conversation
