Nükleer roketler Mars’a yarı sürede gidebilir ancak onlara güç sağlayacak reaktörleri tasarlamak kolay değil

NASA Mars’a mürettebatlı misyonlar göndermeyi planlıyor önümüzdeki on yıl içinde – ancak 140 milyon mil (225 milyon kilometre) yolculuk kızıl gezegene gidiş-dönüş yolculuk birkaç aydan yıla kadar sürebilir.

Bu nispeten uzun geçiş süresi, geleneksel kimyasal roket yakıtı kullanımının bir sonucudur. Ajansın şu anda geliştirmekte olduğu kimyasal güdümlü roketlere alternatif bir teknolojiye nükleer fisyon kullanan ve nükleer termal itki adı veriliyor. bir gün bir rokete güç verin bu da yolculuğun sadece yarısı kadar sürmesini sağlıyor.

Nükleer fisyon, bir atomun bir nötron tarafından bölünmesi sırasında ortaya çıkan inanılmaz miktardaki enerjinin toplanmasını içerir. Bu reaksiyona fisyon reaksiyonu denir. Fisyon teknolojisi, enerji üretiminde ve nükleer enerjiyle çalışan denizaltılarda iyi bir şekilde yerleşmiştir ve bunun bir roketi sürmek veya çalıştırmak için uygulanması, bir gün NASA’ya kimyasal olarak tahrik edilen roketlere göre daha hızlı, daha güçlü bir alternatif sunabilir.

NASA ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı NTP teknolojisini ortaklaşa geliştiriyoruz. 2027’de bir prototip sistemin yeteneklerini uzayda konuşlandırmayı ve göstermeyi planlıyorlar; potansiyel olarak bu sistem, ABD tarafından inşa edilen ve işletilen türünün ilk örneklerinden biri olacak

Nükleer termal itki de bir gün güç kaynağı olabilir manevra kabiliyeti yüksek uzay platformları Bu, Dünya’nın yörüngesindeki ve ötesindeki Amerikan uydularını koruyacaktı. Ama teknoloji hâlâ gelişme aşamasında.

ben bir Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde nükleer mühendislik doçenti kimin araştırma grubu Nükleer termal tahrik sistemlerine yönelik tasarımları iyileştirmek ve optimize etmek için modeller ve simülasyonlar oluşturur. Umudum ve tutkum, Mars’a mürettebatlı bir görev gönderecek nükleer termal itiş motorunun tasarlanmasına yardımcı olmaktır.

Nükleer ve kimyasal tahrik

Geleneksel kimyasal tahrik sistemleri, hidrojen gibi hafif bir itici gaz ve bir oksitleyici içeren bir kimyasal reaksiyon kullanır. Birlikte karıştırıldığında, bu ikisi tutuşur ve bu da itici gazın roketi itmek için çok hızlı bir şekilde ağızlıktan çıkmasıyla sonuçlanır.

Bu sistemler herhangi bir ateşleme sistemine ihtiyaç duymadığından güvenilirdirler. Ancak bu roketlerin uzaya oksijen taşıması gerekiyor, bu da onları ağırlaştırabilir. Kimyasal tahrik sistemlerinden farklı olarak, nükleer termal tahrik sistemleri, itici gücü veya itme kuvvetini oluşturmak için daha sonra nozülden atılan iticiyi ısıtmak için nükleer fisyon reaksiyonlarına dayanır.

Pek çok fisyon reaksiyonunda araştırmacılar bir nötronu bir bölgeye gönderirler. uranyumun daha hafif izotopuuranyum-235. Uranyum nötronu emerek uranyum-236’yı oluşturur. Uranyum-236 daha sonra iki parçaya (fisyon ürünleri) bölünür ve reaksiyon bazı çeşitli parçacıklar yayar.

400’den fazla nükleer güç reaktörü dünya çapında faaliyette şu anda nükleer fisyon teknolojisini kullanıyor. Faaliyette olan bu nükleer güç reaktörlerinin çoğunluğu hafif su reaktörleri. Bu fisyon reaktörleri, nötronları yavaşlatmak ve ısıyı emip aktarmak için su kullanır. Su, doğrudan çekirdekte veya elektrik üretmek için bir türbini çalıştıran bir buhar jeneratöründe buhar oluşturabilir.

Nükleer termal tahrik sistemleri benzer şekilde çalışıyorlar ancak daha fazla uranyum-235 içeren farklı bir nükleer yakıt kullanıyorlar. Ayrıca çok daha yüksek sıcaklıkta çalışırlar, bu da onları son derece güçlü ve kompakt kılar. Nükleer termal tahrik sistemleri, geleneksel hafif su reaktörlerinden yaklaşık 10 kat daha fazla güç yoğunluğuna sahiptir.

Nükleer itiş, kimyasal itiş gücüne göre bir adım önde olabilir birkaç neden.

Nükleer itiş, itici gazın motorun nozulundan çok hızlı bir şekilde dışarı atılmasına neden olur. yüksek itme. Bu yüksek itme kuvveti roketin daha hızlı hızlanmasını sağlar.

Bu sistemler aynı zamanda yüksek bir spesifik itici güce sahiptir. Spesifik dürtü itici gazın itme kuvveti oluşturmak için ne kadar verimli kullanıldığını ölçer. Nükleer termal tahrik sistemleri, kimyasal roketlerin kabaca iki katı özgül itici güce sahiptir, bu da seyahat süresini 2 kat azaltabilecekleri anlamına gelir.

Nükleer termal itiş geçmişi

Onlarca yıldır ABD hükümeti nükleer termal tahrik teknolojisinin geliştirilmesini finanse ediyor. 1955 ve 1973 yılları arasında programlar NASA, Genel Elektrik Ve Argonne Ulusal Laboratuvarları 20 nükleer termal tahrik motoru üretildi ve yerde test edildi.

Ancak 1973 öncesi bu tasarımlar oldukça zenginleştirilmiş uranyum yakıtına dayanıyordu. Bu yakıt, özelliğinden dolayı artık kullanılmamaktadır. nükleer silahların yayılması tehlikeleriveya nükleer madde ve teknolojinin yayılmasıyla ilgili tehlikeler.

Küresel Tehdit Azaltma GirişimiEnerji Bakanlığı tarafından başlatılan Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresiyüksek düzeyde zenginleştirilmiş uranyum yakıtı kullanan araştırma reaktörlerinin çoğunu yüksek analizli, düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyum veya HALEU yakıtına dönüştürmeyi amaçlamaktadır.

Yüksek analizli, düşük zenginleştirilmiş uranyum yakıtı, yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum yakıtıyla karşılaştırıldığında, fisyon reaksiyonuna girebilecek daha az malzemeye sahiptir. Dolayısıyla roketlere daha fazla HALEU yakıtı yüklenmesi gerekiyor, bu da motorun ağırlaşmasına neden oluyor. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, bu reaktörlerde yakıtı daha verimli kullanacak özel malzemeler arıyorlar.

NASA ve DARPA’nın Çevik Cislunar Operasyonları için Gösteri Roketiveya DRACO programı, bu yüksek analizli, düşük oranda zenginleştirilmiş uranyum yakıtını nükleer termal tahrik motorunda kullanmayı amaçlıyor. Program, roketini 2027 yılında fırlatmayı planlıyor.

Havacılık ve uzay şirketi Lockheed Martin, DRACO programının bir parçası olarak BWX Technologies ile ortaklık kurdu. reaktör ve yakıt tasarımlarını geliştirmek.

Bu gruplar tarafından geliştirilmekte olan nükleer termal tahrik motorlarının belirli performans ve güvenlik standartlarına uyması gerekecektir. Mars’a hızlı bir yolculuk için görev süresince çalışabilecek ve gerekli manevraları yapabilecek bir çekirdeğe sahip olmaları gerekecek.

İdeal olarak, motor yüksek spesifik itkiler üretebilmeli, aynı zamanda yüksek itme ve düşük motor kütlesi gereksinimlerini de karşılayabilmelidir.

Devam eden araştırma

Mühendislerin tüm bu standartları karşılayan bir motor tasarlamadan önce model ve simülasyonlarla başlamaları gerekiyor. Bu modeller, grubumdakiler gibi araştırmacıların, motorun başlatma ve kapatma işlemini nasıl gerçekleştireceğini anlamalarına yardımcı oluyor. Bunlar hızlı, büyük sıcaklık ve basınç değişiklikleri gerektiren işlemlerdir.

Nükleer termal itki motoru mevcut tüm fisyon güç sistemlerinden farklı olacağından mühendislerin bu yeni motorla çalışan yazılım araçları geliştirmeleri gerekecek.

Grubum tasarımlar ve analizler modeller kullanılarak nükleer termal tahrik reaktörleri. Sıcaklık değişiklikleri gibi şeylerin reaktörü ve roketin güvenliğini nasıl etkileyebileceğini görmek için bu karmaşık reaktör sistemlerini modelliyoruz. Ancak bu etkileri simüle etmek çok fazla pahalı bilgi işlem gücü gerektirebilir.

için çalışıyorduk yeni hesaplama araçları geliştirmek bu reaktörlerin çalışırken nasıl davrandığını gösteren model başlatma ve çalıştırma çok fazla bilgi işlem gücü kullanmadan.

Meslektaşlarım ve ben bu araştırmanın bir gün roketi otonom olarak kontrol edebilecek modellerin geliştirilmesine yardımcı olacağını umuyoruz.

Bu makale şuradan yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altındadır. Okuyun orijinal makale.