Energia jądrowa w kosmosie. Atomowe impulsy przyspieszające
NASA i Departament Energii USA zaczęły szukać wśród firm zajmujących się techniką jądrową projektów siłowni nuklearnych na Księżycu i Marsie. Ma to być wsparcie dla długofalowych przedsięwzięć badawczych i być może nawet osiedleńczych. Celem NASA jest pozyskanie do użytku systemu lotu w przestrzeń kosmiczną, lądownika i reaktora gotowego do uruchomienia do 2026 roku. Obiekt ma być wyprodukowany i zmontowany w całości na Ziemi, a następnie przetestowany pod kątem bezpieczeństwa.
Anthony Calomino, dyrektor NASA ds. technologii jądrowych w Dyrekcji Misji Technologii Kosmicznych, informował, że plan zakłada opracowanie dziesięciokilowatowego systemu rozszczepienia jądrowego docelowo z przeznaczeniem wyniesienia i umieszczenia na Księżycu (1). Ma on być zintegrowany z lądownikiem księżycowym, a rakieta nośna przetransportuje go na orbitę Księżyca. Lądownik następnie sprowadzi system na powierzchnię.
Założenie jest takie, że po dotarciu na miejsce będzie gotowy do pracy od razu, bez konieczności dodatkowego montażu czy budowy. Operacja ma charakter demonstracji możliwości i być punktem wyjścia do wykorzystania rozwiązania i pochodnych w dalszej eksploracji Księżyca i Marsa.
"Gdy technologia zostanie sprawdzona podczas demonstracji, przyszłe systemy będą mogły być skalowane lub wiele jednostek będzie mogło być używanych razem do długotrwałych misji na Księżyc i ewentualnie na Marsa", wyjaśniał Calomino w serwisie CNBC. "Cztery jednostki, dostarczające po 10 kilowatów energii elektrycznej każda, zapewniłyby wystarczającą moc do założenia placówki na Księżycu lub Marsie.
Zdolność do produkcji dużych ilości energii elektrycznej na powierzchniach planetarnych przy użyciu systemu rozszczepienia powierzchniowego umożliwiłaby eksplorację na dużą skalę, ustanowienie ludzkich placówek i wykorzystanie zasobów in situ, pozwalając jednocześnie na możliwość komercjalizacji".
Jak będzie działać taka elektrownia jądrowa? Mało wzbogacona forma paliwa jądrowego będzie zasilać rdzeń jądrowy. Mały reaktor jądrowy będzie wytwarzał ciepło, które zostanie przekazane do systemu konwersji mocy. System konwersji mocy będzie się składał z silników, które zostały zaprojektowane tak, aby działać na ciepło reaktora, a nie na paliwo palne. Silniki te wykorzystują ciepło, zamieniają je na energię elektryczną, która jest klimatyzowana i dystrybuowana do urządzeń użytkownika na powierzchni Księżyca i Marsa. Ważna dla utrzymania właściwej temperatury pracy urządzeń jest tu technika odprowadzania ciepła.
Energia jądrowa jest postrzegana w tej chwili jako jedyna sensowna alternatywa w miejscach, gdzie energia słoneczna, wiatr i energia wodna nie są łatwo dostępne. Na Marsie, na przykład, moc Słońca zmienia się bardzo w zależności od pory roku, a okresowe burze pyłowe mogą trwać miesiącami.
Na Księżycu zimna księżycowa noc utrzymuje się przez 14 dni, podczas gdy światło słoneczne różni się znacznie w pobliżu biegunów i jest nieobecne w stale zacienionych kraterach. W tak trudnych warunkach wytwarzanie energii ze światła słonecznego jest trudne, a dostawy paliwa ograniczone. Powierzchniowa energia rozszczepienia oferuje lekkie, niezawodne i wydajne rozwiązanie.
W przeciwieństwie do reaktorów naziemnych, nie ma zamiaru usuwania lub wymiany paliwa. Pod koniec 10-letniej misji, istnieje również plan bezpiecznego wycofania obiektu z eksploatacji. "Pod koniec życia system zostanie wyłączony, a poziom promieniowania będzie stopniowo malał do poziomu bezpiecznego dla dostępu ludzi i obsługi", wyjaśniał Calomino. "Zużyte systemy mogłyby zostać przeniesione do odległego miejsca przechowywania, gdzie nie stanowiłyby zagrożenia dla załogi ani środowiska".
Mały, lekki, ale wydajny reaktor, pilnie poszukiwany
W ramach postępów eksploracji kosmosu dość dobrze radzimy sobie już z systemami generowania energii jądrowej w małej skali. Takie systemy od dawna zasilają bezzałogowe statki kosmiczne w misjach do odległych zakątków Układu Słonecznego.
W 2019 r. statek kosmiczny New Horizons z zasilaniem jądrowym poleciał przez najdalszy obiekt, jaki kiedykolwiek zaobserwowano z bliska - Ultima Thule, daleko poza Plutonem, w regionie zwanym pasem Kuipera na rubieżach Układu Słonecznego. Nie mógłby tego zrobić bez energii jądrowej. Energia słoneczna nie jest dostępna w odpowiednim natężeniu już poza orbitą Marsa. Źródła chemiczne nie działają zbyt długo, ponieważ ich gęstość energii jest zbyt mała, a masa zbyt duża.
W używanych w dalekich misjach generatorach radiotermalnych (RTG) wykorzystywany jest izotop plutonu 238Pu, który doskonale się sprawdza, emitując stałe ciepło z naturalnego rozpadu radioaktywnego przez emisję cząsteczek alfa, które następnie przekształcane są w energię elektryczną. Jego 88-letni okres połowicznego rozpadu oznacza, że obsłuży długotrwałą misję. Jednak RTG nie są w stanie osiągnąć dużej gęstości mocy potrzebnej w długich misjach, masywniejszych statkach, nie mówiąc już o pozaziemskich bazach.
Rozwiązaniem np. dla obecności badawczej i może osiedleńczej na Marsie czy na Księżycu mogą być konstrukcje niewielkich reaktorów testowanych od kilku lat przez NASA. Urządzenia te, znane pod nazwą Kilopower Fission Power Project (2), są zaprojektowane tak, aby dostarczać od 1 do 10 kW energii elektrycznej i mogą być konfigurowane w skoordynowanych modułach do zasilania układów napędowych lub do wspierania ludzkich poszukiwań, wydobycia lub kolonii na obcych ciałach kosmicznych.
Masa, jak wiadomo, ma w kosmosie znaczenie. Reaktor Kilopower ma nie przekraczać masy przeciętnego samochodu. Jak wiemy, chociażby z niedawnego pokazu rakiety Falcon Heavy firmy SpaceX, wystrzelenie samochodu w kosmos nie stanowi obecnie problemu technicznego. Zatem lekkie reaktory bez problemu można przenieść na orbitę wokół Ziemi i dalej.
Rakieta z reaktorem budzi nadzieje i lęki
Poprzedni administrator NASA Jim Bridenstine wiele razy podkreślał zalety jądrowego napędu termicznego, dodając, że więcej mocy na orbicie może potencjalnie pozwolić okrążającym Ziemię statkom skutecznie robić uniki w wypadku ataku broni antysatelitarnej.
Reaktory na orbicie mogłyby również zasilać wojskowe lasery o dużej mocy, co również okazuje się bardzo interesujące dla amerykańskich władz. Zanim jednak jądrowy silnik rakietowy wzbije się w swój pierwszy lot, NASA musi zmienić swoje przepisy dotyczące wprowadzania materiałów jądrowych do przestrzeni kosmicznej. Jeśli tak będzie, to zgodnie z planem NASA pierwszy lot silnika jądrowego odbyłby się w 2024 roku.
Jednak wydaje się, że USA nadadzą impet swoim projektom jądrowego napędu, zwłaszcza po ogłoszeniu przez Rosję dziesięcioletniego programu budowy cywilnego statku kosmicznego napędzanego energią jądrową. Były niegdyś niekwestionowanym liderem technologii kosmicznej.
W latach 60. USA miały Projekt Orion rakiet napędzanych pulsami eksplozji jądrowych, który miał być tak potężny, że mógł pozwolić na przenoszenie całych miast w przestrzeń kosmiczną, a nawet na podjęcie załogowej misji na Alfa Centauri. Wszystkie te dawne, fantastyczne amerykańskie programy zostały odłożone na półkę i leżą tam od lat 70.
Nadszedł jednak czas na odkurzenie starej koncepcji jądrowego napędu w kosmosie, głównie dlatego, że konkurencja, czyli głównie Rosja w tym przypadku, jest ostatnio mocno zainteresowana tą technologią. Jądrowa rakieta termiczna mogłaby skrócić czas przelotu na Marsa o połowę, być może nawet do stu dni, co oznacza mniej zasobów zużywanych przez astronautów i mniejsze obciążenie załogi promieniowaniem. W dodatku, jak się wydaje, nie będzie takiego uzależnienia od "okienek", czyli powtarzających się co parę lata zbliżeń Marsa z Ziemią.
Jest jednak ryzyko, które polega m.in. na tym, że reaktor na pokładzie byłby dodatkowym źródłem promieniowania w sytuacji, gdy przestrzeń kosmiczna już i tak niesie ogromne zagrożenie podobnego rodzaju. To nie wszystko. Silnik jądrowo-termiczny nie może zostać odpalony w atmosferze ziemskiej ze względu na obawę przed możliwą eksplozją i skażeniem. Do startu przewiduje się zatem zwykłe rakiety. Zatem nie omijamy najkosztowniejszego etapu, związanego z wynoszeniem mas na orbitę z Ziemi.
Projekt badawczy NASA, nazywany NTREES (Nuclear Thermal Rocket Element Environmental Simulator), to jeden z przykładów działań na rzecz powrotu NASA do napędu jądrowego. W 2017 r., zanim zaczęto głośno mówić o konieczności powrotu do tej technologii, NASA przyznała firmie BWX Technologies trzyletni kontrakt o wartości 19 mln USD na opracowanie komponentów paliwowych i reaktorów niezbędnych do budowy silnika jądrowego. Jednym z nowszych konceptów kosmicznego napędu nuklearnego NASA jest Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor, SPEAR (3), który ma wykorzystywać nowy, lekki moderator reaktora i zaawansowane generatory termoelektryczne (ATEG) w celu znacznego zmniejszenia ogólnej masy rdzenia.
Będzie to następnie wymagało obniżenia temperatury pracy i obniżenia całkowitego poziomu mocy osiąganego przez rdzeń. Zredukowana masa będzie jednak wymagała mniejszej mocy napędowej, co doprowadzi do powstania małego, niedrogiego, elektrycznego statku kosmicznego o napędzie jądrowym.
Anatolij Perminow, szef Rosyjskiej Federalnej Agencji Kosmicznej, zapowiada, że opracuje napędzany energią jądrową statek kosmiczny do podróży w głąb kosmosu, proponując własne, oryginalne podejście. Wstępny projekt wykonano do 2013 roku, a na rozwój zaplanowano kolejne 9 lat. System ten ma być połączeniem nuklearnej generacji energii z silnikiem jonowym. Gorący gaz o temperaturze 1500°C z reaktora ma obracać turbinę, która obraca generator wytwarzający energię elektryczną dla silnika jonowego.
Według Perminowa, napęd będzie w stanie wesprzeć ludzką misję na Marsa, a kosmonauci mogliby dzięki energii jądrowej pozostać na Czerwonej Planecie przez 30 dni. Łącznie podróż na Marsa z napędem jądrowym i stałym przyspieszeniem trwałaby sześć tygodni, zamiast ośmiu miesięcy, zakładając ciąg 300 razy większy niż w przypadku napędu chemicznego.
Jednak nie wszystko chyba idzie tak całkiem gładko w rosyjskim programie. W sierpniu 2019 r. w rosyjskim Sarowie nad Morzem Białym doszło do eksplozji prawdopodobnie reaktora, który był częścią silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Czy katastrofa ta ma związek z opisywanym wyżej rosyjskim programem badawczym nad napędem jądrowym - nie jest pewne.
Niewątpliwie jednak element rywalizacji USA i Rosji a być może także Chin w dziedzinie wykorzystania energii nuklearnej w kosmosie nadaje badaniom silny impuls przyspieszający.
Mirosław Usidus
