Agencja kosmiczna NASA wraz z Departamentem Obrony Stanów Zjednoczonych ufundowały po 5 milionów dolarów na rozwój trzech koncepcji reaktorów dla nuklearnych cieplnych napędów odrzutowych.
Szybciej na Marsa
Nuklearne cieplne napędy rakietowe to pomysł użycia ciepła z reaktora nuklearnego do wytworzenia odrzutu materiału pędnego. W przypadku konwencjonalnych rakiet chemicznych energia odrzutu uzyskiwana jest ze spalania paliwa rakietowego i to właśnie paliwo rakietowe jest materiałem pędnym. W przypadku nuklearnego cieplnego silnika rakietowego, ciepło jest wytwarzane w wyniku reakcji rozszczepienia pierwiastka promieniotwórczego. To ciepło jest następnie przekazywane cieczy roboczej, w większości koncepcji ciekłemu wodorowi, który podgrzany rozszerza się w dyszy silnika, wytwarzając ciąg.
Szacuje się, że nuklearne cieplne silniki rakietowe mogłyby przyspieszyć eksplorację dalekiego kosmosu. Na przykład podróż na Marsa trwałaby przy ich wykorzystaniu 3 miesiące zamiast 6 w czasie optymalnego okna startowego z Ziemi. Silniki te niosą jednak też pewne ryzyka. Potencjalna awaria i wybuch rakiety w locie atmosferycznym mógłby spowodować duże zanieczyszczenie radioaktywne.
Koncepcje takich silników były rozwijane na samym początku programu kosmicznego. Najgłośniejszym przykładem jest amerykański program NERVA. Doczekał się on zbudowanych prototypów, które miały udane naziemne testy na hamowniach. Program jednak zakończono w 1973 r. i technologia nigdy nie została zastosowana w lotach kosmicznych.
Pieniądze na projekty kosmicznych reaktorów
Wspólna praca między agencjami rządowymi i przemysłem kosmicznym pozwala Stanom Zjednoczonym rozwijać technologie nuklearnych napędów. Kontrakty na projekty nuklearnych silników cieplnych to ważny krok w kierunku budowy rzeczywistego reaktora, który mógłby kiedyś napędzać misję kosmiczną i przynieść nowe odkrycia - powiedział w trakcie ogłoszenia zwycięzców przetargu Jim Reuter - wiceadministrator NASA ds. nowych technologii z dyrektoriatu Space Technology Mission Directorate.
Kontrakty zostały przydzielone za pośrednictwem Idaho National Laboratory, a propozycje oceniał wybrany przez ten ośrodek podwykonawca Battelle Energy Alliance. Środki na program zostały przypisane z budżetu fiskalnego NASA na 2021 rok. Roczne kontrakty na zaprojektowanie reaktorów na potrzeby przyszłych misji zostały przyznane firmom: BWX Technologies (w partnerstwie z Lockheed Martin), General Atomics Electromagnetic Systems of San Diego (w partnerstwie z X-Energy LLC i Aerojet Rocketdyne) oraz Ultra Safe Nuclear Technologies (we współpracy z Ultra Safe Nuclear Corporation, Blue Origin, General Electric Hitachi Nuclear Energy, General Electric Research, Framatome i Materion).
Na koniec rocznych kontraktów INL oceni powstałe rozwiązania i stworzy rekomendacje dla NASA. Amerykańska agencja kosmiczna następnie wykorzysta pozyskaną wiedzę na potrzeby projektowania przyszłych rozwiązań dla misji.
Podsumowanie
NASA od lat wykorzystuje technologie promieniotwórczego rozpadu. Radioizotopowe generatory termoelektryczne dostarczały prąd do misji Cassini-Huygens, Voyager 1 i 2 oraz działających w tej chwili na Marsie łazików Curiosity i Perseverance. W tych przypadkach jednak chodzi o zupełnie inną technologię - ciepło z promieniotwórczego rozpadu jest w takich generatorach przetwarzane na prąd elektryczny i mamy do czynienia z naturalnym rozpadem bez reakcji łańcuchowej. W przypadku reaktorów cieplnych - ciepło z takiego reaktora podgrzewałoby materiał pędny do wytworzenia ciągu. Do tego potrzebne są znacznie większe energie, więc też konieczność przeprowadzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej.
Minie jeszcze trochę czasu zanim powstaną pierwsze prototypowe rozwiązania takich cieplnych silników nuklearnych. Wielu naukowców i inżynierów kosmicznych twierdzi jednak, że ta technologia jest konieczna jeśli NASA poważnie myśli o lotach załogowych na Marsa w latach 30.
Więcej informacji:
Na podstawie: NASA
Opracował: Rafał Grabiański
Na zdjęciu: Ilustracja koncepcji statku kosmicznego zasilanego cieplnym nuklearnym silnikiem rakietowym. Źródło: NASA.