Technologie jądrowe dla kosmosu
Demonstracja generatora SNAP 3 przywódcom USA, 1959. Zdjęcie: Departament Energii USA
Już na wczesnych etapach rozwoju przemysłu rakietowego i kosmicznego pojawiły się pierwsze propozycje wykorzystania różnych technologii jądrowych. Zaproponowano i opracowano różne technologie i jednostki, ale tylko niektóre z nich weszły w życie. W przyszłości oczekuje się wprowadzenia zupełnie nowych rozwiązań.
Pierwszy w kosmosie
W 1954 roku w USA powstał pierwszy radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG lub RTG). Głównym elementem RTG jest izotop promieniotwórczy, który naturalnie rozpada się wraz z uwolnieniem energii cieplnej. Za pomocą termoelementu energia cieplna jest przekształcana w energię elektryczną, która jest wydawana konsumentom.
Główną zaletą RTG jest możliwość długotrwałej pracy przy stabilnych charakterystykach i bez konserwacji. Czas życia jest określony przez okres półtrwania wybranego izotopu. Jednocześnie taki generator charakteryzuje się niską sprawnością i mocą wyjściową, a także wymaga ochrony biologicznej i odpowiednich zabezpieczeń. Jednak RTG znalazły zastosowanie w wielu obszarach o specjalnych wymaganiach.
Przygotowania do wystrzelenia satelity Tansit 4A z RTG SNAP 3B. Zdjęcie autorstwa NASA
W 1961 r. powstał w USA RTG typu SNAP 3B z 96 g plutonu-238 w kapsułce. W tym samym roku na orbitę wszedł wyposażony w taki generator satelita Transit 4A. Stał się pierwszym statkiem kosmicznym na orbicie Ziemi wykorzystującym energię rozpadu jądrowego. W 1965 r. ZSRR wystrzelił satelitę Kosmos-84, swój pierwszy aparat z Orion-1 RTG wykorzystujący polon-210.
W przyszłości oba supermocarstwa aktywnie wykorzystywały RTG w tworzeniu technologii kosmicznej do różnych celów. Na przykład wiele łazików z ostatnich dziesięcioleci otrzymuje energię elektryczną właśnie z rozpadu pierwiastków radioaktywnych. Podobnie zapewnione jest zasilanie misji oddalających się od Słońca.
Schemat silnika NERVA. Zdjęcie autorstwa NASA
Od ponad pół wieku RTG udowadniają swoje możliwości w wielu obszarach, m.in. w przemyśle kosmicznym, choć pozostały specjalistycznym narzędziem do zadań indywidualnych. Jednak nawet w tej roli generatory radioizotopów przyczyniają się do rozwoju przemysłu, badań itp.
Rakieta nuklearna
Wkrótce po uruchomieniu programów kosmicznych wiodące kraje zaczęły pracować nad kwestią stworzenia silnika rakietowego. Zaproponowano różne architektury z różnymi zasadami działania i różnymi korzyściami. Na przykład w amerykańskim projekcie Orion zaproponowano statek kosmiczny, który do przyspieszenia wykorzystuje falę uderzeniową głowic nuklearnych o niskiej wydajności. Opracowano również projekty o bardziej znajomej formie.
W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych NASA i powiązane organizacje opracowały silnik NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Jego głównym elementem był reaktor jądrowy o otwartym cyklu. Płyn roboczy w postaci ciekłego wodoru miał być podgrzewany z reaktora i wyrzucany przez dyszę, tworząc ciąg. Silnik jądrowy tego rodzaju przewyższał pod względem konstrukcyjnym tradycyjne chemiczne systemy paliwowe, chociaż był bardziej niebezpieczny w eksploatacji.
Silnik RD-0410. Zdjęcie KBHA
Projekt NERVA został przetestowany z różnymi komponentami i całym montażem instalacji. Podczas testów silnik był włączany 28 razy i pracował prawie 2 h. Charakterystyki zostały potwierdzone; nie było znaczących problemów. Projekt nie był jednak dalej rozwijany. Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych amerykański program kosmiczny został poważnie ograniczony, a silnik NERVA zrezygnowano.
W tym samym okresie podobne prace prowadzono w ZSRR. W obiecującym projekcie zaproponowano zastosowanie silnika z reaktorem podgrzewającym płyn roboczy w postaci ciekłego wodoru. Na początku lat sześćdziesiątych powstał reaktor do takiego silnika, a później rozpoczęto prace nad pozostałymi jednostkami. Przez długi czas trwały testy i testy różnych urządzeń.
Proponowany wygląd systemu Prometheus w konfiguracji do lotu na Jowisza. Zdjęcie autorstwa NASA
W latach siedemdziesiątych gotowy silnik RD-0410 przeszedł serię testów ogniowych i potwierdził główne cechy. Jednak projekt nie był dalej rozwijany ze względu na dużą złożoność i ryzyko. Krajowy przemysł rakietowy i kosmiczny nadal używał silników „chemicznych”.
Holowniki kosmiczne
W toku dalszych prac badawczych i projektowych w Stanach Zjednoczonych i naszym kraju doszli do wniosku, że niewłaściwe jest stosowanie silników typu NERVA lub RD-0410. W 2003 roku NASA rozpoczęła prace nad całkowicie nową architekturą statku kosmicznego z elektrownią jądrową. Projekt nazwano Prometeusz.
W nowej koncepcji zaproponowano budowę statku kosmicznego z pełnoprawnym reaktorem na pokładzie do wytwarzania energii elektrycznej, a także z jonowym silnikiem odrzutowym. Takie urządzenie mogłoby znaleźć zastosowanie w dalekich misjach badawczych. Jednak rozwój Prometeusza okazał się nadmiernie kosztowny, a rezultatów spodziewano się dopiero w odległej przyszłości. W 2005 roku projekt został zamknięty z powodu braku perspektyw.
Wczesna wersja kompleksu TEM. Grafika RSC Energia
W 2009 roku w Rosji rozpoczął się rozwój podobnego produktu. „Moduł transportowo-energetyczny” (TEM) lub „holownik kosmiczny” powinien otrzymać elektrownię jądrową o mocy megawatów, sprzężoną z silnikiem jonowym ID-500. Proponuje się, aby statek był montowany na orbicie okołoziemskiej i służył do transportu różnych ładunków, przyspieszania innych statków kosmicznych itp.
Projekt TEM jest bardzo złożony, co wpływa na jego koszt i terminy. Ponadto pojawiły się liczne problemy organizacyjne. Niemniej jednak, w połowie dziesiątego roku, poszczególne elementy TEM zostały przetestowane. Prace trwają iw przyszłości mogą doprowadzić do powstania prawdziwego „kosmicznego holownika”. Budowa takiego aparatu planowana jest na drugą połowę lat dwudziestych; uruchomienie - w 2030
W przypadku braku poważnych trudności i terminowej realizacji wszystkich planów, TEM może stać się pierwszym produktem na świecie w swojej klasie, wprowadzonym do eksploatacji. Jednocześnie istnieje pewien margines czasu, jednocześnie wykluczając możliwość pojawienia się na czas konkurentów.
Późna wersja TEM. Grafika Roskosmosu
Perspektywy i ograniczenia
Technologie jądrowe cieszą się dużym zainteresowaniem przemysłu rakietowego i kosmicznego. Przede wszystkim przydatne mogą być elektrownie różnych klas. RTG znalazły już zastosowanie i są mocno zakorzenione w niektórych obszarach. Pełnoprawne reaktory jądrowe nie są jeszcze używane ze względu na ich duże wymiary i wagę, ale na statkach z takim wyposażeniem już zachodzą zmiany.
Przez kilkadziesiąt lat wiodące mocarstwa kosmiczne i jądrowe wypracowały i przetestowały w praktyce szereg oryginalnych pomysłów, określiły ich wykonalność i znalazły główne obszary zastosowań. Podobne procesy wciąż trwają i prawdopodobnie niedługo dadzą nowe rezultaty o charakterze praktycznym.
Należy zauważyć, że technologie jądrowe nie są powszechnie stosowane w przemyśle kosmicznym i ta sytuacja raczej się nie zmieni. Jednocześnie okazują się przydatne i obiecujące w pewnych obszarach i projektach. I właśnie w tych niszach realizowany jest już dostępny potencjał.
informacja