พลังงานนิวเคลียร์ในอวกาศ แรงกระตุ้นการเร่งความเร็วของอะตอม

แนวคิดในการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อขับเคลื่อนยานอวกาศและใช้ในฐานทัพหรือการตั้งถิ่นฐานนอกโลกในอนาคตไม่ใช่เรื่องใหม่ เมื่อเร็ว ๆ นี้พวกเขาได้เข้ามาอยู่ในคลื่นลูกใหม่ และเมื่อพวกเขากลายเป็นสนามแข่งขันที่มีอำนาจอันยิ่งใหญ่ การใช้งานของพวกเขาก็มีโอกาสมากขึ้น

NASA และกระทรวงพลังงานสหรัฐเริ่มค้นหาบริษัทตัวแทนจำหน่าย โครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์บนดวงจันทร์และดาวอังคาร. สิ่งนี้ควรสนับสนุนการวิจัยระยะยาวและบางทีแม้แต่โครงการการตั้งถิ่นฐาน เป้าหมายของ NASA คือการเตรียมพร้อมสำหรับการเปิดตัวภายในปี 2026 พืชจะต้องถูกประดิษฐ์และประกอบอย่างสมบูรณ์บนโลกและทดสอบเพื่อความปลอดภัย

แอนโธนี่ คาโลมิโนผู้อำนวยการฝ่ายเทคโนโลยีนิวเคลียร์ของ NASA ที่ Space Technology Administration กล่าวว่า แผนคือการพัฒนาระบบนิวเคลียร์ฟิชชันขนาด XNUMX กิโลวัตต์ ซึ่งในที่สุดจะปล่อยและวางบนดวงจันทร์ (หนึ่ง). ต้องรวมเข้ากับดวงจันทร์และผู้สนับสนุนจะพาไป วงโคจรของดวงจันทร์. Loader จากนั้นนำระบบมาสู่พื้นผิว

คาดว่าเมื่อไปถึงสถานที่ปฏิบัติงานแล้ว จะพร้อมใช้งานทันที โดยไม่ต้องประกอบหรือก่อสร้างเพิ่มเติม การดำเนินการนี้เป็นการสาธิตความเป็นไปได้และจะเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการใช้โซลูชันและอนุพันธ์ของโซลูชัน

“เมื่อเทคโนโลยีได้รับการตรวจสอบในระหว่างการสาธิต ระบบในอนาคตสามารถขยายขนาดขึ้นหรือสามารถใช้อุปกรณ์หลายเครื่องร่วมกันสำหรับภารกิจระยะยาวไปยังดวงจันทร์และอาจถึงดาวอังคาร” Calomino อธิบายใน CNBC “สี่หน่วย แต่ละหน่วยผลิตไฟฟ้าได้ 10 กิโลวัตต์ จะให้พลังงานเพียงพอกับ ตั้งด่านบนดวงจันทร์หรือดาวอังคาร.

ความสามารถในการผลิตกระแสไฟฟ้าจำนวนมากบนพื้นผิวของดาวเคราะห์โดยใช้ระบบฟิชชันบนพื้นดินจะช่วยให้สามารถทำการวิจัยในวงกว้าง ด่านหน้าของมนุษย์ และการใช้ทรัพยากรในแหล่งกำเนิด ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้”

มันจะทำงานอย่างไร โรงไฟฟ้านิวเคลียร์? ฟอร์มหล่อขึ้นเล็กน้อย เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ จิตตานุภาพ แกนนิวเคลียร์... เล็ก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ มันจะสร้างความร้อนซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังระบบแปลงกำลังไฟฟ้า ระบบแปลงกำลังจะประกอบด้วยเครื่องยนต์ที่ออกแบบให้ทำงานโดยใช้ความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์มากกว่าเชื้อเพลิงที่ติดไฟได้ เครื่องยนต์เหล่านี้ใช้ความร้อนแปลงเป็นไฟฟ้าซึ่งปรับสภาพและแจกจ่ายไปยังอุปกรณ์ของผู้ใช้บนพื้นผิวดวงจันทร์และดาวอังคาร วิธีการกระจายความร้อนเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมของอุปกรณ์

พลังงานนิวเคลียร์ ถือว่าเป็นทางเลือกเดียวที่สมเหตุสมผลซึ่ง พลังงานแสงอาทิตย์, ลมและพลังน้ำ ไม่พร้อมใช้งาน ตัวอย่างเช่น บนดาวอังคาร ความแรงของดวงอาทิตย์จะแปรผันอย่างมากตามฤดูกาล และพายุฝุ่นเป็นระยะๆ อาจกินเวลานานหลายเดือน

บนดวงจันทร์ พระจันทร์เย็น กลางคืนกินเวลา 14 วัน โดยมีแสงแดดส่องใกล้ขั้วมาก และหายไปจากหลุมอุกกาบาตเงาถาวร ในสภาวะที่ยากลำบากเช่นนี้ การรับพลังงานจากแสงแดดจึงเป็นเรื่องยาก และเชื้อเพลิงมีจำกัด พลังงานฟิชชันของพื้นผิวนำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ง่าย เชื่อถือได้ และมีประสิทธิภาพ

แตกต่าง เครื่องปฏิกรณ์ภาคพื้นดินไม่มีความตั้งใจที่จะถอดหรือเปลี่ยนน้ำมันเชื้อเพลิง เมื่อสิ้นสุดภารกิจ 10 ปี ยังมีแผนสำหรับการรื้อถอนโรงงานอย่างปลอดภัย “เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน ระบบจะปิดระบบและระดับรังสีจะค่อยๆ ลดลงจนถึงระดับที่ปลอดภัยสำหรับการเข้าถึงและการใช้งานของมนุษย์” Calomino อธิบาย "ระบบของเสียสามารถเคลื่อนย้ายไปยังที่เก็บของระยะไกลได้ ซึ่งจะไม่เป็นอันตรายต่อลูกเรือหรือสิ่งแวดล้อม"

เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา แต่มีประสิทธิภาพ เป็นที่ต้องการสูง

ในขณะที่การสำรวจอวกาศพัฒนาขึ้น เราก็ทำได้ดีทีเดียวกับ ระบบผลิตไฟฟ้านิวเคลียร์ ในขนาดเล็ก ระบบดังกล่าวมียานอวกาศไร้คนขับที่มีกำลังขับเคลื่อนมายาวนานซึ่งเดินทางไปยังส่วนต่าง ๆ ของระบบสุริยะ

ในปี 2019 ยานอวกาศ New Horizons ที่ขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ได้บินผ่านวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดที่เคยเห็นในระยะใกล้ Ultima Thule ซึ่งอยู่ไกลเกินกว่าดาวพลูโตในภูมิภาคที่เรียกว่าแถบไคเปอร์ เขาไม่สามารถทำได้หากไม่มีพลังงานนิวเคลียร์ พลังงานแสงอาทิตย์ไม่มีพลังงานเพียงพอนอกวงโคจรของดาวอังคาร แหล่งเคมีอยู่ได้ไม่นานเพราะความหนาแน่นของพลังงานต่ำเกินไปและมีมวลมากเกินไป

ใช้ในภารกิจระยะไกล เครื่องกำเนิดความร้อนด้วยรังสี (RTG) ใช้ไอโซโทปพลูโทเนียม 238Pu ซึ่งเหมาะสำหรับการสร้างความร้อนถาวรจากการสลายกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาซึ่งจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้า ครึ่งชีวิต 88 ปีหมายความว่าจะรับใช้งานเผยแผ่ระยะยาว อย่างไรก็ตาม RTGs ไม่สามารถให้พลังงานเฉพาะสูงที่จำเป็นสำหรับภารกิจที่ยาวนาน เรือรบที่ใหญ่ขึ้น ไม่ต้องพูดถึงฐานนอกโลก

ตัวอย่างเช่น วิธีแก้ปัญหาสำหรับการปรากฏตัวในการสำรวจและการตั้งถิ่นฐานบนดาวอังคารหรือดวงจันทร์อาจเป็นการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กที่ NASA ได้ทำการทดสอบมาหลายปีแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่า โครงการพลังงานฟิชชันกิโลวัตต์ (2) ออกแบบมาเพื่อจ่ายพลังงานไฟฟ้าตั้งแต่ 1 ถึง 10 กิโลวัตต์ และสามารถกำหนดค่าเป็นโมดูลประสานงานกับระบบขับเคลื่อนกำลัง หรือเพื่อสนับสนุนการวิจัย การขุด หรืออาณานิคมบนวัตถุอวกาศของมนุษย์ต่างดาว

อย่างที่คุณทราบ มวลมีความสำคัญในอวกาศ พลังงานเครื่องปฏิกรณ์ ไม่ควรเกินน้ำหนักของรถโดยเฉลี่ย อย่างที่เราทราบ เช่น จากการแสดงล่าสุด จรวด SpaceX Falcon Heavyการปล่อยรถสู่อวกาศไม่ใช่ปัญหาทางเทคนิคในปัจจุบัน ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์เบาจึงสามารถวางลงในวงโคจรรอบโลกและที่ไกลออกไปได้อย่างง่ายดาย

2. XNUMX กิโลวัตต์ KIlopower เครื่องปฏิกรณ์ต้นแบบ

จรวดกับเครื่องปฏิกรณ์ทำให้เกิดความหวังและความกลัว

อดีตผู้บริหาร NASA จิม บริเดนสไตน์ เขาเน้นย้ำหลายครั้ง ข้อดีของเครื่องยนต์ความร้อนนิวเคลียร์การเพิ่มพลังในวงโคจรที่มากขึ้นอาจทำให้ยานที่โคจรสามารถหลบเลี่ยงได้สำเร็จหากถูกโจมตีด้วยอาวุธต่อต้านดาวเทียม

เครื่องปฏิกรณ์ในวงโคจร พวกมันยังสามารถให้พลังงานกับเลเซอร์ทางการทหารอันทรงพลัง ซึ่งเป็นที่สนใจของทางการสหรัฐฯ ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ก่อนที่เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์จะบินครั้งแรก NASA จะต้องเปลี่ยนกฎหมายเกี่ยวกับการนำวัสดุนิวเคลียร์ไปสู่อวกาศ หากสิ่งนี้เป็นจริง ตามแผนของ NASA เที่ยวบินแรกของเครื่องยนต์นิวเคลียร์ควรจะเกิดขึ้นในปี 2024

อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าสหรัฐฯ จะเริ่มต้นโครงการนิวเคลียร์อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่รัสเซียประกาศโครงการสร้างยานอวกาศพลเรือนที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์เป็นเวลานานนับทศวรรษ พวกเขาเคยเป็นผู้นำด้านเทคโนโลยีอวกาศที่ไม่มีปัญหา

ในยุค 60 สหรัฐอเมริกามีโครงการสำหรับขีปนาวุธนิวเคลียร์พัลส์ Orion ซึ่งควรจะมีอานุภาพมากจนสามารถทำได้ ย้ายเมืองทั้งเมืองสู่อวกาศและทำการบินประจำไปยังอัลฟ่าเซ็นทอรี ซีรีส์แฟนตาซีอเมริกันยุคเก่าทั้งหมดวางอยู่บนหิ้งตั้งแต่ยุค 70

อย่างไรก็ตาม ถึงเวลาที่จะปัดฝุ่นแนวคิดเก่าออกไปแล้ว เครื่องยนต์นิวเคลียร์ในอวกาศส่วนใหญ่เป็นเพราะคู่แข่งซึ่งในกรณีนี้ส่วนใหญ่เป็นรัสเซียได้แสดงความสนใจในเทคโนโลยีนี้อย่างมาก จรวดความร้อนนิวเคลียร์สามารถลดเวลาเที่ยวบินไปยังดาวอังคารได้ครึ่งหนึ่ง บางทีอาจถึงร้อยวัน ซึ่งหมายความว่านักบินอวกาศใช้ทรัพยากรน้อยลงและมีภาระการแผ่รังสีต่อลูกเรือน้อยลง นอกจากนี้ ดูเหมือนว่า จะไม่มีการพึ่งพา "หน้าต่าง" นั่นคือ การเข้าใกล้โลกหลายครั้งของดาวอังคารสู่โลกทุกๆ สองสามปี

อย่างไรก็ตาม มีความเสี่ยง ซึ่งรวมถึงความจริงที่ว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบออนบอร์ดจะเป็นแหล่งรังสีเพิ่มเติมในสถานการณ์ที่พื้นที่มีภัยคุกคามในลักษณะนี้อย่างใหญ่หลวงอยู่แล้ว นั่นไม่ใช่ทั้งหมด. เครื่องยนต์ความร้อนนิวเคลียร์ ไม่สามารถปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศของโลกได้เพราะกลัวว่าจะเกิดการระเบิดและการปนเปื้อน ดังนั้นจึงมีการจัดหาจรวดปกติสำหรับการเปิดตัว ดังนั้นเราจึงไม่ข้ามขั้นตอนที่แพงที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยมวลสู่วงโคจรจากโลก

โครงการวิจัยของ NASA ชื่อ TREES (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) เป็นตัวอย่างหนึ่งของความพยายามของ NASA ที่จะกลับไปใช้ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ ในปีพ.ศ. 2017 ก่อนจะมีการพูดถึงการกลับมาของเทคโนโลยีนี้ NASA ได้มอบสัญญาให้ BWX Technologies เป็นเวลาสามปีมูลค่า 19 ล้านดอลลาร์เพื่อพัฒนาส่วนประกอบเชื้อเพลิงและเครื่องปฏิกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้าง เครื่องยนต์นิวเคลียร์. หนึ่งในแนวคิดการขับเคลื่อนนิวเคลียร์ในอวกาศใหม่ล่าสุดของ NASA คือ Swarm-Probe ATEG Reactor, SPEAR(3) ซึ่งคาดว่าจะใช้เครื่องปฏิกรณ์เครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักเบาแบบใหม่และเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกขั้นสูง (ATEGs) เพื่อลดมวลแกนโดยรวมลงอย่างมาก

สิ่งนี้จะต้องลดอุณหภูมิในการทำงานและลดระดับพลังงานโดยรวมของแกนกลาง อย่างไรก็ตาม มวลที่ลดลงจะต้องใช้กำลังขับเคลื่อนน้อยลง ส่งผลให้ยานอวกาศไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็ก ราคาไม่แพง

3. การแสดงภาพโพรบที่พัฒนาขึ้นภายในกรอบของโครงการ Swarm-Probe Enabled ATEG Reactor

Anatoly Perminovสิ่งนี้ได้รับการประกาศโดยหัวหน้าสำนักงานอวกาศแห่งสหพันธรัฐรัสเซีย จะพัฒนายานอวกาศพลังงานนิวเคลียร์สำหรับการเดินทางในห้วงอวกาศนำเสนอแนวทางที่เป็นของตัวเอง การออกแบบเบื้องต้นเสร็จสมบูรณ์ในปี 2013 และอีก 9 ปีข้างหน้ามีการวางแผนสำหรับการพัฒนา ระบบนี้ควรเป็นการผสมผสานระหว่างการผลิตพลังงานนิวเคลียร์กับระบบขับเคลื่อนไอออน ก๊าซร้อนที่อุณหภูมิ 1500°C จากเครื่องปฏิกรณ์ควรเปลี่ยนกังหันที่เปลี่ยนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับเครื่องยนต์ไอออน

ตามที่ Perminov, ไดรฟ์จะสามารถสนับสนุนภารกิจประจำไปยังดาวอังคารได้และนักบินอวกาศสามารถอยู่บนดาวเคราะห์แดงเป็นเวลา 30 วันด้วยพลังงานนิวเคลียร์ โดยรวมแล้ว เที่ยวบินไปยังดาวอังคารด้วยเครื่องยนต์นิวเคลียร์และความเร่งคงที่จะใช้เวลาหกสัปดาห์แทนที่จะเป็นแปดเดือน สมมติว่ามีแรงขับมากกว่าเครื่องยนต์เคมีถึง 300 เท่า

อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกอย่างจะราบรื่นในโปรแกรมรัสเซีย ในเดือนสิงหาคม 2019 เครื่องปฏิกรณ์ระเบิดในเมือง Sarov ประเทศรัสเซีย บนชายฝั่งทะเลขาว ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องยนต์จรวดในทะเลบอลติก เชื้อเพลิงเหลว. ไม่ทราบว่าภัยพิบัตินี้เกี่ยวข้องกับโครงการวิจัยการขับเคลื่อนนิวเคลียร์ของรัสเซียที่อธิบายข้างต้นหรือไม่

อย่างไรก็ตาม ไม่ต้องสงสัยเลยว่า องค์ประกอบของการแข่งขันระหว่างสหรัฐอเมริกาและรัสเซีย และอาจเป็นจีนบนพื้นดิน การใช้พลังงานนิวเคลียร์ในอวกาศ ให้การวิจัยเป็นแรงผลักดันเร่งรัดที่แข็งแกร่ง