Hibrit bir fisyon/füzyon reaktörü, Europa’daki buzu aşmanın en iyi yolu olabilir.

Önümüzdeki yıllarda NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA), Jüpiter’in buzlu ayı Europa’yı keşfetmek için iki robotik görev gönderecek. Bunlar, sırasıyla 2024 ve 2023’te piyasaya sürülecek olan NASA’nın Europa Clipper ve ESA’nın Jupiter Icy Moons Explorer’dan (JUICE) başkası değil. 2030’larda geldiklerinde, iç okyanusunun yaşamı destekleyip destekleyemeyeceğini belirlemek için Europa’nın yüzeyini bir dizi uçuşla inceleyecekler. Bunlar, topluca “okyanus dünyaları” olarak bilinen dış güneş sistemindeki buzlu bir aya yapılan ilk astrobiyoloji görevleri olacak.

Bu görevler için pek çok zorluktan biri, kalın buzlu kabuklarda nasıl madencilik yapılacağı ve analiz için iç okyanustan nasıl numune alınacağıdır. Dr. Theresa Benyo’nun (bir fizikçi ve NASA’nın Glenn Araştırma Merkezi’ndeki kafes hapsetme füzyon projesinin baş araştırmacısı) önerisine göre, olası bir çözüm, fisyon ve füzyon reaksiyonlarına dayanan özel bir reaktör kullanmaktır. Bu teklif, NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) programı tarafından Faz I geliştirmesi için seçildi.

Okyanus dünyalarının listesi, Ana Asteroit Kuşağındaki Ceres, Jüpiter’in uyduları (Callisto, Ganymede ve Europa), Satürn (Titan, Enceladus ve Dione), Neptün’ün en büyük ayı (Triton) ve Kuiper Kuşağı’ndaki Plüton ve diğer cisimler. Bu dünyaların hepsinin, ana bedenleriyle yerçekimi etkileşimi veya (Ceres ve Plüton söz konusu olduğunda) radyoaktif elementlerin bozunması nedeniyle gelgit esnemesi ile ısıtılan iç okyanuslara sahip olduğuna inanılıyor. Bu okyanusların ve aktivitelerin diğer kanıtları, yüzey ve iç kısım arasındaki değişimleri gösteren yüzey tüylerini ve çizgili özellikleri içerir.

Bu dünyaların içini keşfetmenin ana zorluğu, 40 km (25 mil) derinliğe kadar ulaşabilen buz tabakalarının kalınlığıdır. Europa’nın durumunda, farklı modeller 15 ila 25 km (10 ila 15 mil) arasında tahminler vermiştir. Ek olarak, önerilen sondanın farklı derinliklerde, basınçlarda, sıcaklıklarda ve yoğunluklarda değişen bileşimlere (amonyak ve silikat kaya gibi) sahip hidrostatik buzla mücadele etmesi gerekecektir. Ayrıca su basıncıyla mücadele etmesi, yüzeyle iletişimi sürdürmesi ve numuneleri yüzeye geri göndermesi gerekecektir.

NASA, iç okyanusa erişmek için buzlu tabakadan geçmek için bir ısıtma veya delme sondası kullanma olasılığını araştırdı. Özellikle, araştırmacılar, ısı üretmek ve yüzey buzunu eritmek için radyoaktif bozunmaya dayanan nükleer enerjili bir sonda kullanmayı önerdiler. Bununla birlikte, Dr. Benyo liderliğindeki NASA araştırmacılarından oluşan bir ekip, geleneksel radyoaktif izotoplardan (plütonyum-238 veya zenginleştirilmiş uranyum-235) başka bir şeye dayanan yeni bir yöntem önerdi. Bunun yerine, yöntemleri, katı bir metalin atomları arasında nükleer füzyon reaksiyonlarını tetiklemeyi içerecektir.

Kafes hapsetme füzyonu olarak bilinen yöntemleri, Nisan 2020 sayısında yayınlanan iki makalede açıklandı. Fiziksel İnceleme Cbaşlıklı,”Döteryumlu metallerde nükleer füzyon reaksiyonları” ve “Bremsstrahlung ile ışınlanmış döteryumlu metallerde gözlemlenen yeni nükleer reaksiyonlarDr. Benyo’nun yakın tarihli bir NASA Glenn Araştırma Merkezi basın açıklamasında açıkladığı gibi:

“Bilim adamları füzyonla ilgileniyorlar, çünkü uzun ömürlü radyoaktif yan ürünler yaratmadan çok büyük miktarlarda enerji üretebiliyorlar. Ancak, geleneksel füzyon reaksiyonlarını başarmak ve sürdürmek zordur, çünkü pozitif yüklüler arasındaki güçlü elektrostatik itmenin üstesinden gelmek için aşırı sıcaklıklara güvenirler. Çekirdekler, sürecin pratik olmadığını.”

Geleneksel füzyon yöntemleri genellikle atalet veya manyetik sınırlamaya indirgenir. Atalet hapsinde, döteryum veya trityum (hidrojen-2 veya -3) gibi yakıtlar, füzyonun meydana gelebileceği aşırı basınçlara (nanosaniyeler için) sıkıştırılır. Manyetik hapsetmede (tokamak reaktörleri), nükleer füzyon elde etmek için yakıt, güneşin merkezinde meydana gelen sıcaklıkları aşan sıcaklıklara -15 milyon °C (27 milyon °F)- ulaşana kadar ısıtılır. Bu yeni yöntem, ortam sıcaklığında döteryum yakıtı yüklü bir metal kafesin sınırları içinde füzyon reaksiyonları yaratıyor.

Bu yeni yöntem, kafes içinde, tek tek atomların eşdeğer füzyon düzeyinde kinetik enerjilere ulaştığı enerjik bir ortam yaratır. Bu, bir nötron kaynağının döteryum atomlarını (döteronları) komşu döteronlarla çarpışarak füzyon reaksiyonlarına neden olacak noktaya kadar hızlandırdığı tokamak reaktörlerinden bir milyar kat daha yüksek yoğunluklarda kafeslerin döteryum ile paketlenmesiyle gerçekleştirilir. Dr. Benyo ve meslektaşları, deneyleri için döteronları 2.9+MeV enerjik bir X-ışını ışınına maruz bırakarak enerjik nötronlar ve protonlar yarattılar.

Bu süreç, seyreltilmiş uranyum, toryum veya erbiyum (Er⁶⁸) erimiş bir lityum matrisinde. Ekip ayrıca daha enerjik nötronların üretimini gözlemledi, bu da füzyon reaksiyonlarının arttığını gösteriyor; taranan Oppenheimer-Phillips (OP) nükleer sıyırma reaksiyonları da bu süreçte meydana gelir. Dr. Benyo’ya göre, her iki füzyon süreci de ölçeklenebilir ve yeni bir tür nükleer enerjili uzay aracına giden yol olabilir:

“Ortaya çıkan hibrit füzyon hızlı fisyon nükleer reaktörü, daha düşük kütleli bir güç kaynağına ihtiyaç duyulan geleneksel bir fisyon reaktöründen daha küçük olacak ve buz rafından buz altı okyanuslarına kadar erimek için reaktör ısıtma sondasından gelen termal atık ısı ile verimli çalışma sağlayacak.”

Bu yeni sürecin bir bonusu, negatif yükleri pozitif yüklü döteronları “eleme”ye yardımcı olan metal kafes elektronlarının kritik rolüdür. Proje teorik fizikçisi Dr. Vladimir Pines tarafından geliştirilen teoriye göre, bu tarama bitişik döteronların birbirine daha yakın yaklaşmasını sağlıyor. Bu, elektrostatik bariyerden tünel açma ve füzyon reaksiyonlarını destekleme olasılığını artırırken dağılma şanslarını azaltır. NASA proje baş araştırmacısı Dr. Bruce Steinetz’e göre aşılması gereken engeller var ama proje iyi bir başlangıç ​​yapıyor:

“Mevcut bulgular, bilimsel topluluk içinde daha fazla çalışma için füzyon reaksiyonlarını başlatmak için yeni bir yol açıyor. Ancak, kayda değer güç seviyelerine ulaşmak için reaksiyon hızlarının önemli ölçüde artırılması gerekiyor ve bu, incelenmekte olan çeşitli reaksiyon çoğaltma yöntemleri kullanılarak mümkün olabilir.”

Bu tür bir nükleer süreç, Europa Clipper ve JUICE tarafından yürütülen araştırmaya dayanacak önerilen bir NASA görevi olan Europa Lander’ın bir parçası olabilir. Daha fazla çalışma ve geliştirme ile bu teknoloji, NASA’nın Stirling Teknolojisini Kullanan Kilopower Reaktörü (KRUSTY) projesine benzer şekilde, uzun süreli keşif görevleri için güç sistemleri oluşturmak için de kullanılabilir. Aynı teknoloji, NASA ve diğer uzay ajanslarının araştırdığı Nükleer-Termal ve Nükleer-Elektrikli Tahrik (NTP/NEP) gibi yeni motor konseptlerini mümkün kılabilir.

Son olarak, önerilen bu yöntemin, nükleer tıp için yeni bir tür nükleer enerji ve tıbbi izotoplar sağlayarak, Dünya’daki yaşam için uygulamaları olabilir. NASA’nın Bilim Misyon Müdürlüğü’ndeki (SMD) Gezegen Bilimi Baş Teknoloji Uzmanı Leonard Dudzinski’nin dediği gibi,

“Bu keşfin anahtarı, NASA Glenn’in yüksek oranda döteryumlu metallerde gözlemlenen sıcaklık anormalliklerini ve malzeme dönüşümlerini araştırmak için bir araya getirdiği yetenekli, çok disiplinli ekip olmuştur. Pratik bir uygulamadan önce önemli mühendislik zorluklarını çözmek için bu yaklaşıma ihtiyacımız olacak. tasarlanacak.”