USA testuje paliwo do kosmicznego napędu jądrowego. Czy zrewolucjonizuje podróże kosmiczne?
Aby skrócić czas podróży międzyplanetarnych, potrzeba nowego typu napędu. Firma General Atomics pomyślnie przetestowała paliwo jądrowe do nowego typu reaktora. Czy oznacza to, że będziemy latali na Marsa statkami napędzanymi paliwem jądrowym?
Spis treści:
Firma General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) poinformowała, że z powodzeniem przeprowadziła w NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) szereg istotnych testów mających przyspieszyć rozwój technologii reaktora Nuclear Thermal Propulsion (NTP).
Reaktor ten przygotowywany jest na potrzeby szybkiego transportu Ziemia – Księżyc oraz do misji załogowych w głęboki kosmos. Testy prowadzono we współpracy z NASA, by lepiej zweryfikować zdolności i wydajności paliwa jądrowego GA-EMS w ekstremalnych kosmicznych warunkach.
– Paliwo musi przetrwać ekstremalnie wysokie temperatury i środowisko gorącego wodoru, które zwykle napotyka reaktor NTP działający w przestrzeni kosmicznej. Jesteśmy bardzo zadowoleni z pozytywnych wyników testów, które potwierdzają, że paliwo może przetrwać te warunki operacyjne, przybliżając nas do realizacji potencjału bezpiecznego, niezawodnego jądrowego napędu termicznego dla misji kosmicznych – powiedział Scott Forney, prezes GA-EMS.
Jak działa jądrowy napęd termiczny?
Czym jest NTP, czyli jądrowy napęd termiczny? Jest to technologia napędowa dla statków kosmicznych, która wykorzystuje reaktor jądrowy do podgrzewania ciekłego wodoru lub innego paliwa kriogenicznego, a następnie wyrzucania go przez dyszę.
Właśnie ten wyrzut generuje niezbędny ciąg. W reaktorze jądrowym dochodzi do rozszczepienie atomów (najczęściej uranu-235 lub uranu-233), co dostarcza energii. Następnie wodór (lub inny lekki gaz) przepływa przez rdzeń reaktora, gdzie jest ogrzewany do bardzo wysokiej temperatury (około 2500-3000 K). Rozgrzany wodór gwałtownie się rozszerza i jest wyrzucany przez dyszę, co generuje ciąg.
Tego typu napędu może mieć ponad dwukrotnie większą efektywność niż tradycyjne silniki chemiczne oraz wytwarzać większy ciąg niż w napędach elektrycznych. Właśnie dlatego rozwój tej technologii jest tak istotny. A ze względu na to, że mówimy o misjach załogowych i napędzie atomowym, to testy muszą być wyjątkowo szczegółowe i dające maksymalną pewność, że wszystko zadziała bezbłędnie.
W trakcie ostatnich testów prowadzonych przez GA-EMS paliwo jądrowe było testowane z przepływem gorącego wodoru przez próbki i poddane sześciu cyklom termicznym, które szybko wzrosły do temperatury szczytowej 2600 K, czyli niemal 2327°C.
Każdy cykl obejmował 20-minutowe zatrzymanie przy szczytowej wydajności, aby zademonstrować skuteczność ochrony materiału paliwowego przed erozją i degradacją przez gorący wodór. Przeprowadzono dodatkowe testy z różnymi elementami ochronnymi, aby dostarczyć dalszych danych na temat tego, w jaki sposób różne ulepszenia materiału poprawiają wydajność w warunkach podobnych do reaktora.
Z atomem w kosmos
– Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jesteśmy pierwszą firmą, która wykorzystała kompaktowy test środowiskowy elementu paliwowego (CFEET) w NASA MSFC do pomyślnego przetestowania i zademonstrowania żywotności paliwa po cyklach termicznych w reprezentatywnych dla wodoru temperaturach i prędkościach ramp – powiedziała dr Christina Back, wiceprezeska GA-EMS Nuclear Technologies and Materials. – Przeprowadziliśmy również testy w środowisku innym niż wodorowe w naszym laboratorium GA-EMS, które potwierdziły, że paliwo działało wyjątkowo dobrze w temperaturach do 3000 K, co pozwoliłoby systemowi NTP być dwa do trzech razy bardziej wydajnym niż konwencjonalne chemiczne silniki rakietowe – dodała.
Obecnie NASA współpracuje z DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, czyli Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie) przy projekcie DRACO. Zakłada on testowanie jądrowego napędu termicznego w przestrzeni między Ziemią a Księżycem. Napęd ma zostać przetestowany na orbicie około 2027 roku. Sukces tego projektu mógłby utorować drogę do zastosowania NTP w misjach załogowych na Marsa, umożliwiając szybsze i bardziej efektywne podróże międzyplanetarne. Niektóre wyliczenia mówią, że dzięki tego typu napędowi podróż na Marsa trwałaby 40-45 dni
Dodatkowo, trwają prace nad innowacyjnymi rozwiązaniami, które łączą jądrowy napęd termiczny z napędem elektromagnetycznym. Takie hybrydowe podejście może prowadzić do dalszego zwiększenia impulsu właściwego (ISP) i skrócenia czasu podróży do odległych planet.
Pozostaje pytanie, czy napęd jądrowy w kosmosie jest bezpieczny oraz nie koliduje z zakazem prób broni jądrowej w kosmosie?
Już wykorzystujemy atom w kosmosie
– Układ o zakazie prób broni nuklearnej z 1963 r. zakazuje wszelkich eksplozji broni nuklearnej i jakichkolwiek innych eksplozji nuklearnych w m.in. przestrzeni kosmicznej i atmosferze. Jakkolwiek społeczeństwo, czy raczej, jego środowisko informacyjne, zostało skonfrontowane z energią jądrową przede wszystkim w najgroźniejszych przejawach jej użycia, wywołanie eksplozji jądrowej było początkowo bardzo skomplikowanym problemem technicznym i nie jest oczywistym trybem działania każdego urządzenia jądrowego. Według mojej wiedzy, kosmiczny napęd jądrowy nie jest bronią, nie nadaje się też do wywołania jakiejkolwiek innej eksplozji, którą można by nazwać 'jądrową' w rozumieniu Układu. Podstawowym zagadnieniem technicznym jest tu raczej zapobieganie erozji paliwa przez rozgrzany wodór – ocenia dr Bartosz Malinowski, specjalista ds. prawa kosmicznego Centrum Badań Kosmicznych PAN.
W podobny sposób można odnieść się do standardowego źródło energii dla misji dalekiego zasięgu, czyli radioizotopowych generatorów termoelektrycznych (RTG), które przekształcają ciepło z rozpadu promieniotwórczego w energię elektryczną. RTG używa się w misjach w odległe rejonu Układu Słonecznego, gdzie panele solarne nie są w stanie zgromadzić odpowiedniej energii, np. Voyager 1 i 2, Galileo, New Horizons.
W przeciwieństwie do RTG, reaktory jądrowe faktycznie przeprowadzają reakcję rozszczepienia jądrowego, dostarczając większą ilość energii.
Przykłady misji z tego typu reaktorami to:
- SNAP-10A (1965) – pierwszy amerykański reaktor kosmiczny, testowany przez 43 dni;
- ZSRR/Rosja używały reaktorów w satelitach wojskowych Kosmos (np. TOPAZ).
Przypomnijmy, że w 2014 roku jeden z satelitów serii Kosmos w niekontrolowany sposób spadł na Ziemię. Na szczęście przed wejściem w atmosferę odrzucił generator termoelektryczny z 2,5 kilogramami wzbogaconego uranu. W przeszłości zdarzyły się jednak poważniejsze problemy z radzieckimi satelitami. Jeden wpadł w latach 70-tych do Pacyfiku opodal Japonii po awarii rakiety podczas startu.
Jeszcze większych problemów przysporzył Kosmos-954. Kontrolę nad urządzeniem utracono już w chwili startu, a gdy w 1978 roku satelita wszedł w atmosferę nad Kanadą, zostawiło długi na 600 kilometrów pas szczątek, z których cześć była napromieniowana. Niektóre bardzo silnie. Pięć lat później do podobnej awarii doszło w satelicie Kosmos-1402, który wpadł wraz z niewyrzuconym uranem do Atlantyku.
Źródło: Space.com
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.