Reaktory jądrowe w kosmosie
Eksploracja kosmosu wymaga energii na wszystkich jej etapach, nie tylko na etapie początkowym do wystrzelenia pojazdu kosmicznego, ale także do zasilania wielu układów, takich jak oprzyrządowanie i sterowanie, systemy komunikacyjne itp. Energia jądrowa może zapewnić energię elektryczną w kosmosie przez bardzo długi okres czasu. Systemy jądrowe można konfigurować na kilka sposobów do wykorzystania w eksploracji kosmosu.
Jądrowe źródła energii
Jądrowe źródła energii są to kategorie systemów zasilania, które przetwarzają ciepło wytwarzane w wyniku rozpadu radioizotopów na energię elektryczną lub wytwarzają energię w reaktorze, w którym zachodzi reakcja rozszczepienia albo reakcja syntezy jądrowej. Systemy te działają nieprzerwanie podczas długotrwałych misji kosmicznych trwających dziesięciolecia bez żadnej konserwacji i są w stanie wytwarzać ciepło i elektryczność w trudnych warunkach, niezależnie od światła słonecznego, temperatury, promieniowania jonizującego lub warunków powierzchniowych, takich jak gęste chmury lub pył. Istnieją dwa rodzaje jądrowych systemów zasilania:
- radioizotopowe generatory termoelektryczne: sprawdzone w lotach kosmicznych systemy, które dostarczają energię elektryczną i ciepło do statku kosmicznego. Nazywa się je również bateriami jądrowymi; oraz
- grzejniki radioizotopowe: małe urządzenia, które dostarczają ciepło w celu utrzymania działania instrumentów elektronicznych i systemów mechanicznych statku kosmicznego w niskich temperaturach Układu Słonecznego.
Reaktory napędowe
Rakiety wystrzeliwane z Ziemi będą w przewidywalnej przyszłości uzależnione od paliw chemicznych. Jednak po wejściu na orbitę silniki jądrowe mogą przejąć kontrolę i zapewnić napęd, aby przyspieszyć statek kosmiczny w przestrzeni kosmicznej. Układy napędowe, które wykorzystują energię wytworzoną w wyniku reakcji rozszczepienia lub syntezy jądrowej w celu zapewnienia ciągu statkowi kosmicznemu, dzielą się na dwie kategorie:
- napęd jądrowy termiczny (nuclear thermal propulsion – NTP) oraz
- napęd jądrowo-elektryczny (nuclear electric propulsion – NEP).
W systemie NTP reaktor jądrowy podgrzewa ciekły materiał pędny, taki jak wodór. Ciepło przekształca ciecz w gaz, który rozszerza się wylatując przez dyszę, zapewniając ciąg i napędzając statek kosmiczny. Zaletą NTP jest to, że loty kosmiczne wymagałyby uniesienia mniejszej ilości paliwa w kosmos i skróciłyby czas podróży – w przypadku podróży na Marsa nawet o 25% w porównaniu z tradycyjnymi rakietami chemicznymi. Skrócony czas spędzony w kosmosie zmniejsza również ekspozycję astronautów na promieniowanie kosmiczne.
Z kolei napęd jądrowo-elektryczny (NEP) to opcja, w której ciąg jest zapewniany poprzez zamianę energii cieplnej z reaktora jądrowego na energię elektryczną, eliminując wiele potrzeb i ograniczeń związanych z przechowywaniem paliw napędowych na pokładzie. W NEP ciąg jest niższy, ale ciągły, a zużycie paliwa znacznie większe, co skutkuje wyższą prędkością i potencjalnie o ponad 60% skróceniem czasu przelotu na Marsa w porównaniu z tradycyjnymi rakietami chemicznymi.
Systemy napędowe oparte na fuzji jądrowej wykorzystują źródło energii elektrycznej do jonizacji paliwa w plazmę. Pola elektryczne ogrzewają i przyspieszają plazmę, podczas gdy pola magnetyczne kierują plazmę we właściwym kierunku, gdy jest ona wyrzucana z silnika, tworząc ciąg dla statku kosmicznego.
Systemy zasilania misji na inne planety
Systemy te mają na celu zapewnienie mocy na powierzchni ciał niebieskich dla misji eksploracyjnych i możliwej trwałej obecności człowieka na innych planetach. Reaktory jądrowe dla takich systemów (w których zachodzi rozszczepienie) możemy nazwać mikroreaktorami, gdyż mogą dostarczać małą moc elektryczną w zakresie kilkudziesięciu kW, ale przez okres od jednej do kilku dekad. Obecny nacisk kładziony jest na wykorzystanie paliwa niskowzbogaconego w U-235.
Projekt NERVA
NERVA, Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, był programem prowadzonym równolegle do programu Apollo w latach 60. XX wieku przez NASA i USAEC (Komisja Energii Atomowej Stanów Zjednoczonych). Celem było opracowanie silnika jądrowego do rakiet kosmicznych. Zamiast przenoszenia ogromnego ładunku ciekłego tlenu i wodoru potrzebnego konwencjonalnej wyrzutni, rakieta musiałaby przenosić jedynie wodór wraz z reaktorem jądrowym do ogrzewania go do bardzo wysokich temperatur przed wyrzuceniem go przez dyszę w celu wytworzenia ciągu.
Zespół NERVA zaprojektował i zbudował serię reaktorów, które kilkadziesiąt lat później nadal wydają się niezwykłe. Pomimo sukcesu, projekt NERVA został porzucony po tym, jak amerykańska opinia publiczna zaczęła tracić zainteresowanie programem kosmicznym po ostatniej misji lądowania na Księżycu, Apollo 17, w 1972 roku.
Cechy charakterystyczne reaktora NERVA:
- reaktor miał tylko 1,3 metra długości;
- wodór wchodząc do reaktora miał temperaturę -180°C i był ogrzewany do temperatury wyjściowej 2500°C;
- wzrost temperatury przekraczał 150°C na sekundę;
- ultra kompaktowa konstrukcja reaktora wytwarzała ponad 4000 MW na m3;
- testy serii NRX projektu NERVA wykazały, że reaktor działał przez dwie godziny, z trzema wyłączeniami i ponownymi uruchomieniami. Dla porównania, silnik rakiety Ariane 5 pracuje tylko przez około 10 minut.
Ciekawe
Z wyjątkiem jednego amerykańskiego startu próbnego, tylko Rosjanie – a raczej Sowieci – faktycznie używali reaktorów jądrowych w kosmosie. Podczas zimnej wojny reaktory były wykorzystywane do zasilania radarów obrazujących, które zużywały zbyt dużo energii, aby mogły być zasilane przez panele słoneczne. Jeden z tych satelitów rozbił się w północnej Kanadzie w 1977 roku, a skutki polityczne były poważne.
Nie ma wątpliwości, że ludzkość jest już gotowa rozpocząć nową erę podróży kosmicznych na Marsa czy inne planety naszego Układu Słonecznego, a nawet dalej, ponieważ energia jądrowa i powiązane z nią technologie obiecują szybsze, wydajniejsze i bardziej ekonomiczne misje międzyplanetarne.