الطاقة النووية في الفضاء. نبضات التسارع الذري
إن أفكار استخدام الطاقة النووية لدفع المركبات الفضائية واستخدامها في القواعد أو المستوطنات المستقبلية خارج كوكب الأرض ليست جديدة. لقد جاءت مؤخرًا في موجة جديدة، ومع تحولها إلى مجال لتنافس القوى العظمى، أصبح تنفيذها أكثر احتمالًا.
بدأت وكالة ناسا ووزارة الطاقة الأمريكية البحث بين شركات الوكلاء مشاريع محطات الطاقة النووية على القمر والمريخ. وهذا من شأنه أن يدعم الأبحاث طويلة المدى وربما حتى مشاريع الاستيطان. هدف ناسا هو أن يكون جاهزًا للإطلاق بحلول عام 2026. يجب أن يتم تصنيع المنشأة وتجميعها بالكامل على الأرض ومن ثم اختبارها للتأكد من سلامتها.
أنتوني كالومينوقال ذلك مدير التكنولوجيا النووية في إدارة تكنولوجيا الفضاء بوكالة ناسا وتتمثل الخطة في تطوير نظام انشطاري نووي بقدرة XNUMX كيلووات سيتم إطلاقه في النهاية ووضعه على القمر. (1). سيتم دمجها مع مركبة الهبوط على سطح القمر وستحملها مركبة الإطلاق إليها مدار القمر. محمل ثم جلب النظام إلى السطح.
ومن المتوقع أن يكون جاهزًا للاستخدام على الفور عند الوصول إلى الموقع، دون الحاجة إلى تجميع أو بناء إضافي. تعتبر العملية بمثابة عرض للقدرات وستكون نقطة الانطلاق لاستخدام الحل ومشتقاته.
وأوضح كالومينو على قناة CNBC: "بمجرد إثبات التكنولوجيا أثناء العرض التوضيحي، يمكن توسيع نطاق الأنظمة المستقبلية أو يمكن استخدام أجهزة متعددة معًا في مهام طويلة المدى إلى القمر وربما المريخ". "ستوفر أربع وحدات، تنتج كل منها 10 كيلووات من الكهرباء، ما يكفي من الطاقة إنشاء موقع استيطاني على القمر أو المريخ.
إن القدرة على إنتاج كميات كبيرة من الكهرباء على سطح الكواكب باستخدام نظام الانشطار الأرضي ستسمح بالاستكشاف على نطاق واسع، والبؤر الاستيطانية البشرية، واستخدام الموارد في الموقع، مع السماح بإمكانية التسويق التجاري.
كيف ستعمل محطة للطاقة النووية؟ شكل مخصب قليلا وقود نووي قوة الإرادة النواة النووية. صغير مفاعل نووي سوف تولد الحرارة التي سيتم نقلها إلى نظام تحويل الطاقة. وسيتكون نظام تحويل الطاقة من محركات مصممة للعمل على حرارة المفاعل بدلا من الوقود القابل للاحتراق. تأخذ هذه المحركات الحرارة وتحولها إلى كهرباء، يتم تكييفها وتوزيعها على أجهزة المستخدم على سطح القمر والمريخ. تعتبر طريقة تبديد الحرارة مهمة للحفاظ على درجة حرارة التشغيل المناسبة للأجهزة.
الطاقة النووية يُنظر إليه الآن على أنه البديل المعقول الوحيد حيث طاقة شمسية, الرياح والطاقة الكهرومائية لا يمكن الوصول إليها بسهولة. على المريخ، على سبيل المثال، تختلف قوة الشمس بشكل كبير حسب الوقت من السنة، ويمكن أن تستمر العواصف الترابية الدورية لعدة أشهر.
على القمر القمر البارد يستمر الليل 14 يومًا، مع اختلاف ضوء الشمس بشكل كبير بالقرب من القطبين وغيابه في الحفر المظللة بشكل دائم. وفي مثل هذه الظروف الصعبة، يكون الحصول على الطاقة من ضوء الشمس أمرا صعبا، وتكون إمدادات الوقود محدودة. توفر طاقة الانشطار السطحي حلاً خفيف الوزن وموثوقًا وفعالاً.
على عكس المفاعلات الأرضيةولا توجد نية لإزالة الوقود أو استبداله. وهناك أيضًا خطة لإخراج الموقع من الخدمة بأمان في نهاية المهمة التي تستغرق 10 سنوات. وأوضح كالومينو: "في نهاية مدة خدمته، سيتم إيقاف تشغيل النظام وسينخفض مستوى الإشعاع تدريجيًا إلى مستوى آمن لوصول الإنسان وتشغيله". "يمكن نقل أنظمة النفايات إلى موقع تخزين بعيد حيث لا تعرض الطاقم أو البيئة للخطر."
مفاعل صغير، خفيف الوزن، لكنه فعال، مطلوب بشدة
مع تقدم استكشاف الفضاء، أصبحنا نحقق نتائج جيدة بالفعل أنظمة إنتاج الطاقة النووية على نطاق صغير. لقد قامت هذه الأنظمة منذ فترة طويلة بتشغيل المركبات الفضائية غير المأهولة التي تسافر إلى أقصى حدود النظام الشمسي.
في عام 2019، حلقت المركبة الفضائية نيو هورايزنز التي تعمل بالطاقة النووية عبر أبعد جسم تم رصده على الإطلاق من مسافة قريبة، ألتيما ثول، بعيدًا عن بلوتو في منطقة تُعرف باسم حزام كويبر. لم يكن بإمكانه فعل ذلك بدون الطاقة النووية. ولا تتوفر الطاقة الشمسية بقوة كافية خارج مدار المريخ. المصادر الكيميائية لا تدوم طويلا لأن كثافة طاقتها منخفضة جدا وكتلتها مرتفعة جدا.
تستخدم في مهمات بعيدة المدى المولدات الحرارية الراديوية يستخدم (RTG) نظير البلوتونيوم 238Pu، وهو مثالي لتوليد حرارة ثابتة من التحلل الإشعاعي الطبيعي عن طريق انبعاث جسيمات ألفا، والتي يتم بعد ذلك تحويلها إلى كهرباء. ويعني عمر النصف البالغ 88 عامًا أنه سيخدم مهمة طويلة المدى. ومع ذلك، لا يمكن لـ RTGs توفير كثافة الطاقة العالية المطلوبة للمهمات طويلة الأمد، والسفن الأكبر حجمًا، ناهيك عن القواعد خارج كوكب الأرض.
الحل، على سبيل المثال، للوجود الاستكشافي وربما الاستيطان على المريخ أو القمر يمكن أن يكون تصميمات المفاعلات الصغيرة التي تختبرها وكالة ناسا منذ عدة سنوات. تُعرف هذه الأجهزة باسم مشروع الطاقة الانشطارية كيلوباور (2)، تم تصميمها لتوفير الطاقة من 1 إلى 10 كيلووات ويمكن تهيئتها كوحدات منسقة لتشغيل أنظمة الدفع أو لدعم الاستكشاف أو التعدين أو المستعمرات على الأجسام الفضائية الغريبة.
كما تعلمون، الكتلة مهمة في الفضاء. قوة المفاعل يجب ألا يتجاوز وزن السيارة المتوسطة. كما نعلم، على سبيل المثال، من العرض الأخير صواريخ فالكون هيفي من شركة سبيس إكسإن إطلاق سيارة إلى الفضاء لا يمثل حاليًا مشكلة فنية. وبالتالي، يمكن إطلاق المفاعلات الضوئية بسهولة إلى مدار حول الأرض وخارجها.
2. النموذج الأولي لمفاعل KIlopower بقدرة XNUMX كيلووات.
صاروخ بمفاعل يثير الآمال والمخاوف
مدير ناسا السابق جيم بريدنشتاين وأكد عدة مرات مزايا المحركات الحرارية النوويةمضيفًا أن القوة الأكبر في المدار يمكن أن تسمح للمركبات المدارية بالتهرب بنجاح في حالة وقوع هجوم بسلاح مضاد للأقمار الصناعية.
المفاعلات في المدار ويمكنهم أيضًا تشغيل أشعة الليزر العسكرية عالية الطاقة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة أيضًا للسلطات الأمريكية. ومع ذلك، قبل أن يقوم محرك الصاروخ النووي برحلته الأولى، يجب على ناسا تغيير قوانينها المتعلقة بتوصيل المواد النووية إلى الفضاء. إذا كان الأمر كذلك، وفقًا لوكالة ناسا، فإن أول رحلة لمحرك نووي يجب أن تتم في عام 2024.
ولكن يبدو أن الولايات المتحدة تعطي زخماً لمشاريعها النووية، خاصة بعد أن أعلنت روسيا عن برنامج مدته عشر سنوات لبناء مركبة فضائية مدنية تعمل بالطاقة النووية. لقد كانوا ذات يوم روادًا بلا منازع في مجال تكنولوجيا الفضاء.
في الستينيات، كان لدى الولايات المتحدة مشروع لصاروخ أوريون النبضي النووي، والذي كان من المفترض أن يكون قويًا جدًا لدرجة أنه يمكن أن يسمح نقل مدن بأكملها إلى الفضاءوحتى القيام برحلة مأهولة إلى Alpha Centauri. كل مسلسلات الخيال العلمي الأمريكية القديمة هذه ظلت على الرف منذ السبعينيات.
ومع ذلك، فقد حان الوقت لنفض الغبار عن المفهوم القديم. المحرك النووي في الفضاءويرجع ذلك أساسًا إلى أن المنافسين، وفي هذه الحالة روسيا بشكل رئيسي، أبدوا مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بهذه التكنولوجيا. يمكن للصاروخ الحراري النووي أن يخفض زمن الرحلة إلى المريخ إلى النصف، وربما حتى إلى مائة يوم، مما يعني أن رواد الفضاء سيستهلكون موارد أقل وسيكون لديهم حمل إشعاعي أقل على الطاقم. إضافة إلى ذلك، يبدو أنه لن يكون هناك مثل هذا الاعتماد على «النوافذ»، أي اقتراب المريخ المتكرر من الأرض كل بضع سنوات.
ومع ذلك، هناك خطر، يتضمن حقيقة أن المفاعل الموجود على متن الطائرة سيكون مصدرًا إضافيًا للإشعاع في حالة يشكل فيها الفضاء بالفعل تهديدًا كبيرًا من هذا النوع. هذا ليس كل شئ. المحرك الحراري النووي ولا يمكن إطلاقها في الغلاف الجوي للأرض خوفاً من احتمال انفجارها وتلوثها. ولذلك، يتم توفير الصواريخ العادية للإطلاق. ولذلك، فإننا لا نتخطى المرحلة الأكثر تكلفة المرتبطة بإطلاق الكتلة إلى المدار من الأرض.
مشروع بحث ناسا يسمى أشجار (المحاكاة البيئية الصاروخية الحرارية النووية) هي أحد الأمثلة على جهود ناسا للعودة إلى الدفع النووي. في عام 2017، قبل أن يكون هناك حديث عن العودة إلى التكنولوجيا، منحت ناسا شركة BWX Technologies عقدًا مدته ثلاث سنوات بقيمة 19 مليون دولار لتطوير مكونات الوقود والمفاعلات اللازمة للبناء. محرك نووي. أحد أحدث مفاهيم الدفع النووي الفضائي التابعة لناسا هو مفاعل Swarm-Probe ATEG، SPEAR (3)، والذي من المتوقع أن يستخدم وسيط مفاعل جديد خفيف الوزن ومولدات كهروحرارية متقدمة (ATEGs) لتقليل الكتلة الأساسية الإجمالية بشكل كبير.
سيتطلب ذلك خفض درجة حرارة التشغيل وتقليل مستوى الطاقة الأساسية الإجمالي. ومع ذلك، فإن الكتلة المنخفضة ستتطلب قوة دفع أقل، مما يؤدي إلى ظهور مركبة فضائية كهربائية صغيرة ومنخفضة التكلفة تعمل بالطاقة النووية.
3. تم تطوير تصور للمسبار ضمن مشروع Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.
أناتولي بيرمينوفأعلن ذلك رئيس وكالة الفضاء الفيدرالية الروسية. سوف تقوم بتطوير مركبة فضائية تعمل بالطاقة النووية للسفر إلى الفضاء السحيق، تقدم النهج الأصلي الخاص بك. تم الانتهاء من التصميم الأولي بحلول عام 2013، ومن المقرر أن يتم التطوير على مدار السنوات التسع القادمة. سيكون هذا النظام عبارة عن مزيج من توليد الطاقة النووية والدفع الأيوني. يجب أن يقوم الغاز الساخن المنبعث من المفاعل بدرجة حرارة 9 درجة مئوية بتدوير توربين، والذي بدوره يدور مولدًا يولد الكهرباء للمحرك الأيوني.
وفقا لبيرمينوف، يمكن أن يدعم محرك الأقراص مهمة مأهولة إلى المريخويمكن لرواد الفضاء البقاء على الكوكب الأحمر لمدة 30 يومًا بفضل الطاقة النووية. في المجمل، ستستغرق مهمة الطاقة النووية إلى المريخ مع تسارع ثابت ستة أسابيع بدلاً من ثمانية أشهر، بافتراض قوة دفع تبلغ 300 مرة قوة محرك كيميائي.
ومع ذلك، ليس كل شيء سلسًا جدًا في البرنامج الروسي. وفي أغسطس/آب 2019، انفجر مفاعل كان جزءا من محرك صاروخي في بحر البلطيق في مدينة ساروف الروسية على شواطئ البحر الأبيض. الوقود السائل. من غير المعروف ما إذا كانت هذه الكارثة مرتبطة ببرنامج أبحاث الدفع النووي الروسي الموصوف أعلاه.
ولكن مما لا شك فيه أن هناك عنصر المنافسة بين الولايات المتحدة وروسيا، وربما الصين، على الأرض استخدام الطاقة النووية في الفضاء يعطي البحث دفعة متسارعة قوية.
