Energía nuclear en el espacio. Impulsos de aceleración atómica

La idea de utilizar la energía nuclear para propulsar naves espaciales y utilizarla en futuras bases o asentamientos extraterrestres no es nueva. Recientemente, han llegado en una nueva ola y, a medida que se convierten en un campo de gran rivalidad de poder, su implementación se vuelve más probable.

La NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. iniciaron una búsqueda entre las empresas distribuidoras proyectos de centrales nucleares en la Luna y Marte. Esto debería respaldar la investigación a largo plazo y tal vez incluso proyectos de asentamiento. El objetivo de la NASA es tenerlo listo para su lanzamiento en 2026. La planta debe ser completamente fabricada y ensamblada en la Tierra y luego probada para seguridad.

antonio calomino, director de tecnología nuclear de la NASA en la Administración de Tecnología Espacial, dijo que El plan es desarrollar un sistema de fisión nuclear de XNUMX kilovatios que eventualmente será lanzado y colocado en la luna. (uno). Debe estar integrado con el módulo de aterrizaje lunar y el propulsor lo llevará a órbita lunar. Cargador luego llevar el sistema a la superficie.

Se espera que al llegar al sitio esté inmediatamente listo para operar, sin necesidad de montaje o construcción adicional. La operación es una demostración de las posibilidades y será el punto de partida para utilizar la solución y sus derivados.

“Una vez que la tecnología ha sido validada durante una demostración, los sistemas futuros se pueden ampliar o se pueden usar varios dispositivos juntos para misiones a largo plazo a la Luna y posiblemente a Marte”, explicó Calomino en CNBC. “Cuatro unidades, cada una de las cuales produce 10 kilovatios de electricidad, proporcionarán suficiente energía para establecer un puesto de avanzada en la Luna o Marte.

La capacidad de generar grandes cantidades de electricidad en la superficie de los planetas utilizando un sistema de fisión basado en tierra permitirá la investigación a gran escala, los puestos avanzados humanos y el uso de recursos in situ, al tiempo que permite la posibilidad de comercialización”.

Como funcionara planta de energía nuclear? Forma ligeramente enriquecida combustible nuclear fuerza de voluntad núcleo nuclear... Pequeña reactor nuclear generará calor, que se transferirá al sistema de conversión de energía. El sistema de conversión de energía consistirá en motores diseñados para funcionar con el calor del reactor en lugar de combustible combustible. Estos motores utilizan el calor, lo convierten en electricidad, que se acondiciona y distribuye a los equipos de los usuarios en la superficie de la Luna y Marte. El método de disipación de calor es importante para mantener la temperatura de funcionamiento adecuada de los dispositivos.

La energía nuclear se considera ahora como la única alternativa razonable cuando energía solar, energía eólica e hidroeléctrica no están fácilmente disponibles. En Marte, por ejemplo, la fuerza del sol varía mucho con las estaciones, y las tormentas de polvo periódicas pueden durar meses.

En la Luna frío lunar la noche dura 14 días, con luz solar que varía mucho cerca de los polos y está ausente de los cráteres permanentemente sombreados. En condiciones tan difíciles, es difícil obtener energía de la luz solar y los suministros de combustible son limitados. La energía de fisión superficial ofrece una solución fácil, fiable y eficiente.

Desemejante reactores de tierrano hay intención de quitar o reemplazar el combustible. Al final de la misión de 10 años, también hay un plan para el desmantelamiento seguro de la instalación. “Al final de su vida útil, el sistema se apagará y el nivel de radiación disminuirá gradualmente a un nivel que sea seguro para el acceso y la operación humana”, explicó Calomino. "Los sistemas de desechos se pueden mover a un lugar de almacenamiento remoto donde no pondrán en peligro a la tripulación ni al medio ambiente".

Reactor pequeño, ligero pero eficiente, con gran demanda

A medida que avanza la exploración espacial, ya lo estamos haciendo bastante bien con sistemas de generación de energía nuclear a pequeña escala. Dichos sistemas tienen naves espaciales no tripuladas alimentadas durante mucho tiempo que viajan a los confines del sistema solar.

En 2019, la nave espacial New Horizons, de propulsión nuclear, voló a través del objeto más distante jamás visto a corta distancia, Ultima Thule, mucho más allá de Plutón en una región conocida como el Cinturón de Kuiper. No podría haberlo hecho sin la energía nuclear. La energía solar no está disponible con suficiente fuerza fuera de la órbita de Marte. Las fuentes químicas no duran mucho porque su densidad de energía es demasiado baja y su masa es demasiado grande.

Utilizado en misiones de largo alcance. generadores radiotérmicos (RTG) utiliza el isótopo de plutonio 238Pu, que es ideal para generar calor permanente a partir de la descomposición radiactiva natural mediante la emisión de partículas alfa, que luego se convierten en electricidad. Su vida media de 88 años significa que cumplirá una misión a largo plazo. Sin embargo, los RTG no pueden proporcionar la alta potencia específica requerida para misiones largas, naves más masivas, sin mencionar las bases extraterrestres.

Una solución, por ejemplo, para una presencia exploratoria y posiblemente un asentamiento en Marte o la Luna podrían ser diseños de reactores pequeños que la NASA ha estado probando durante varios años. Estos dispositivos se conocen como Proyecto de energía de fisión Kilopower (2), están diseñados para suministrar energía eléctrica de 1 a 10 kW y pueden configurarse como módulos coordinados para alimentar sistemas de propulsión o para apoyar la investigación, la minería o las colonias en cuerpos espaciales extraterrestres.

Como saben, la masa importa en el espacio. poder del reactor no debe exceder el peso de un vehículo promedio. Como sabemos, por ejemplo, de un programa reciente Cohetes pesados ​​SpaceX Falconlanzar un automóvil al espacio actualmente no es un problema técnico. Por lo tanto, los reactores de luz se pueden colocar fácilmente en órbita alrededor de la Tierra y más allá.

2. Prototipo de reactor KIlopower de XNUMX kilovatios.

Cohete con reactor genera esperanzas y temores

Ex administrador de la NASA Jim Bridenstine enfatizó muchas veces ventajas de los motores termonucleares, agregando que más potencia en órbita podría potencialmente permitir que las naves en órbita evadan con éxito en caso de un ataque con armas antisatélite.

Reactores en órbita también podrían impulsar poderosos láseres militares, lo que también es de gran interés para las autoridades estadounidenses. Sin embargo, antes de que un motor de cohete nuclear realice su primer vuelo, la NASA debe cambiar sus leyes sobre el envío de materiales nucleares al espacio. Si esto es cierto, entonces, según el plan de la NASA, el primer vuelo de un motor nuclear debería tener lugar en 2024.

Sin embargo, EE. UU. parece estar impulsando sus proyectos nucleares, especialmente después de que Rusia anunció un programa de una década para construir una nave espacial civil de propulsión nuclear. Alguna vez fueron el líder indiscutible en tecnología espacial.

En los años 60, Estados Unidos tenía un proyecto para el misil nuclear pulso-pulso Orion, que se suponía que era tan poderoso que podría permitir trasladar ciudades enteras al espacioe incluso hacer un vuelo tripulado a Alpha Centauri. Todas esas viejas series estadounidenses de fantasía han estado en los estantes desde los años 70.

Sin embargo, es hora de desempolvar el viejo concepto. motor nuclear en el espacioprincipalmente porque los competidores, en este caso principalmente Rusia, han mostrado recientemente un gran interés en esta tecnología. Un cohete térmico nuclear podría reducir el tiempo de vuelo a Marte a la mitad, tal vez incluso a XNUMX días, lo que significa que los astronautas consumen menos recursos y menos carga de radiación en la tripulación. Además, como parece, no habrá tal dependencia de las "ventanas", es decir, el acercamiento repetido de Marte a la Tierra cada pocos años.

Sin embargo, existe un riesgo, que incluye el hecho de que el reactor a bordo sería una fuente adicional de radiación en una situación en la que el espacio ya conlleva una gran amenaza de esta naturaleza. Eso no es todo. motor térmico nuclear no puede lanzarse a la atmósfera terrestre por temor a una posible explosión y contaminación. Por lo tanto, se proporcionan cohetes normales para el lanzamiento. Por lo tanto, no nos saltamos la etapa más costosa asociada con el lanzamiento de masa en órbita desde la Tierra.

proyecto de investigación de la NASA llamado ÁRBOLES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) es un ejemplo de los esfuerzos de la NASA para volver a la propulsión nuclear. En 2017, antes de que se hablara de un retorno a la tecnología, la NASA otorgó a BWX Technologies un contrato de $ 19 millones por tres años para desarrollar los componentes de combustible y los reactores necesarios para la construcción. motor nuclear. Uno de los conceptos de propulsión nuclear espacial más nuevos de la NASA es el reactor Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), que se espera que use un nuevo moderador de reactor liviano y generadores termoeléctricos avanzados (ATEG) para reducir significativamente la masa total del núcleo.

Esto requerirá reducir la temperatura de funcionamiento y reducir el nivel de potencia general del núcleo. Sin embargo, la masa reducida requeriría menos potencia de propulsión, lo que daría como resultado una nave espacial eléctrica de propulsión nuclear, pequeña y económica.

3. Visualización de la sonda desarrollada en el marco del proyecto Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovAsí lo anunció el jefe de la Agencia Espacial Federal de Rusia. desarrollará una nave espacial de propulsión nuclear para viajes al espacio profundo, ofreciendo un enfoque propio y original. El diseño preliminar se completó en 2013, y los próximos 9 años están planificados para el desarrollo. Este sistema debería ser una combinación de generación de energía nuclear con un sistema de propulsión iónica. El gas caliente a 1500 °C del reactor debe hacer girar una turbina que hace girar un generador que genera electricidad para el motor de iones.

Según Perminov, la unidad podrá soportar una misión tripulada a Martey los astronautas podrían permanecer en el Planeta Rojo durante 30 días gracias a la energía nuclear. En total, un vuelo a Marte con un motor nuclear y aceleración constante llevaría seis semanas en lugar de ocho meses, suponiendo un empuje 300 veces mayor que el de un motor químico.

Sin embargo, no todo es tan sencillo en el programa ruso. En agosto de 2019, un reactor explotó en Sarov, Rusia, a orillas del Mar Blanco, que formaba parte de un motor de cohete en el Mar Báltico. combustible líquido. No se sabe si este desastre está relacionado con el programa de investigación de propulsión nuclear ruso descrito anteriormente.

Sin duda, sin embargo, un elemento de rivalidad entre Estados Unidos y Rusia, y posiblemente China sobre el terreno. uso de la energia nuclear en el espacio da a la investigación un fuerte impulso acelerador.