Silniki jądrowe – korzyści i ryzyko (cz. III)

19

Zapraszamy na trzecią część przeglądu technologii silników jądrowych. Ta część skupia się na analizie korzyści i ryzyka.

Pierwsza część – ogólny przegląd technologii – jest dostępna pod tym linkiem.
Druga część – projekt Rover oraz silnik NERVA – jest dostępna pod tym linkiem.

Autorem artykułu jest Wojciech Kasprzak – serdecznie dziękujemy za przesłanie!

Zalety napędu jądrowego

Użycie napędów jądrowych oferuje skrócenie czasu podróży na Marsa o mniej więcej połowę (3-4 miesiące w porównaniu z 7-8 miesięcy przy użyciu rakiet chemicznych). Oznacza to mniejsze obciążenie systemów podtrzymywania życia i mniejsze zagrożenie dla astronautów ze strony promieniowania kosmicznego jak również dłuższy czas użyteczny na powierzchni Marsa. Napęd jądrowy umożliwia realne badania i potencjalną kolonizację Czerwonej Planety a nie tylko ‘flagi i odciski stóp’.

Taki napęd miałby zastosowanie nie tylko w wewnętrznym Układzie Słonecznym – Pas Planetoid oraz dalsza przestrzeń stanęłaby otworem przed zaawansowanymi misjami. Takie pojazdy nie musiałyby mieć mocno ograniczonego budżetu energetycznego na instrumenty naukowe, co pozwoliłoby na znaczne poszerzenie naszej wiedzy o odległych interesujących obiektach, takich jak lodowe księżyce Saturna.

Ryzyko napędu jądrowego

Wszystkie te zalety nie pozostają bez kosztów związanych z ryzykiem, zarówno rzeczywistym jak i postrzeganym nie tylko przez ekologów. Mowa tu oczywiście o zagrożeniu promieniowaniem i skażeniem promieniotwórczym podczas wszystkich etapów lotu.

Należy zwrócić uwagę że żaden z potencjalnych planów lotu nie przewiduje uruchomienia reaktora napędowego przed wyjściem poza atmosferę i osiągnięciem stabilnej orbity. Rozważane elementy paliwowe są zwykle bardzo twardymi spiekami ceramicznymi odpornymi na wysokie temperatury. Sama obudowa reaktora jest również bardzo odporna. Przed uruchomieniem reaktora elementy paliwowe nie są specjalnie radioaktywne.

Pierwszym realnym zagrożeniem jest awaria pierwszego stopnia rakiety nośnej na stanowisku startowym lub podczas drogi na orbitę. Przewiduje się że rozrzut elementów radioaktywnych z rdzenia podczas upadku byłby niewielki ze względu na wspomnianą bardzo mocną konstrukcję. W tym świetle eksperyment Kiwi-TNT był bardzo rygorystyczny – zakładał bowiem zmiażdżenie struktury reaktora i niejako przypadkową aktywację rdzenia. Należy również pamiętać że technologie paliwowe lat 60tych były o wiele bardziej prymitywne niż dziś.

Po osiągnięciu stabilnej orbity reaktor działałby na pełnej mocy tylko podczas działania odpaleń silnika. Zważywszy na zasadę ‘każdy gram się liczy’ która rządzi technologiami rakietowymi obecnie nie przewiduje się wyposażenia reaktorów napędowych w pełen zestaw osłon przeciwpromiennych. Przewiduje się natomiast tzw. tarczę biologiczną – dysk chroniący przed promieniowaniem umieszczony bezpośrednio pomiędzy reaktorem i resztą statku. Wytwarza on stożek ‘cienia’ wokół statku (jak umieszczenie przesłony przed żarówką) wewnątrz którego promieniowanie jest poniżej akceptowalnego progu. Żaden z elementów statku nie powinien wychodzić poza ten stożek gdyż trafiające w niego promieniowanie będzie rozpraszane we wszystkich kierunkach – włączając w to sam statek.

Po pierwszym uruchomieniu reaktora będzie postępował proces aktywacji neutronowej elementów paliwowych i samej komory reaktora. Oznacza to że stabilne (nie promieniotwórcze) izotopy atomów z których składają się elementy napędu będą wyłapywać dodatkowe neutrony, przekształcając się w izotopy niestabilne i oddawać ich nadmiar z czasem – jako promieniowanie.

To zjawisko powoduje że obszar poza ‘stożkiem cienia’ tarczy biologicznej jest w późniejszych okresach misji niedostępny dla astronautów wykonujących prace w otwartej przestrzeni. Również podejście innego statku w celu dokowania musi odbywać się z jednego określonego kierunku (z przodu statku wyposażonego w napęd jądrowy). Przeloty obok radioaktywnego napędu poniżej bezpiecznej odległości (kilka – kilkanaście  kilometrów) również nie są bezpieczne. Dokowanie statku do stacji kosmicznej byłoby absolutnie wykluczone.

Być może postępy w dziedzinie lekkich i skutecznych osłon przeciwpromiennych (przykładowo opartych na przesycanych wodorem plastikach) będą mogły znieść to ograniczenie w przyszłości.

Inną kwestią jest zabezpieczenie reaktora napędowego pod koniec misji – deorbitacja jest wykluczona. Zwykłe orbity cmentarne również nie są dobrym wyjściem z powodu stosunkowego zatłoczenia i ryzyka kolizji. Pozostaje zatem ‘wystrzelenie’ reaktora w przestrzeń z dala od Ziemi z jednoczesną korektą trajektorii w późniejszym czasie, tak, aby orbita nie przecinała orbity naszej planety. Wymaga to w pełni działającego systemu napędowego oraz komunikacyjnego (co wymusza także kilka elementów zapasowych poszczególnych systemów pojazdu).

Planowałem na zakończenie tego działu przytoczyć kilka innych argumentów ze strony ekologów ale jest to trudnym zadaniem. Zwykle publikacje tego typu są skierowane do odbiorców nie rozumiejących argumentów technicznych i służą wzbudzaniu paniki i oburzenia. Nie wymagają one wielkiego wysiłku a bardzo zatruwają czy wręcz uniemożliwiają poważną debatę. Tymczasem rzeczowy wkład poważnych środowisk ekologicznych w to zagadnienie przyczyniłby się do polepszenia procedur bezpieczeństwa i lepszej ocenie wpływu stosowania tego typu napędów na środowisko naturalne.

Przyszłość: SLS i rozszerzenie koncepcji

Koncepcja statku międzyplanetarnego MTVN-P02 (NASA_TM-2016-219393)

Koncepcja statku międzyplanetarnego MTVN-P02 (NASA_TM-2016-219393)

Rakieta nośna SLS konstruowana przez NASA i załogowy statek kosmiczny MPCV Orion mają być kluczowymi elementami wstępnego etapu badania Układu Słonecznego przez człowieka. Jednak sam Orion ma stosunkowo niewielki zapas delta-v (maksymalnej zmiany prędkości ) rzędu 1,3 km/s więc jego rola jest ograniczona do podróży w przestrzeni okołoziemskiej (do orbity Księżyca) i sprowadzenia załogi z powrotem na Ziemię – przy wsparciu górnego stopnia rakiety SLS.

Bardziej wymagające misje przewidują użycie statku złożonego na orbicie z szyny napędowej (silniki i zbiorniki paliwa), opcjonalnie habitatu (misje marsjańskie i do asteroid), lądownika (w przypadku misji księżycowych i marsjańskich) i samego Oriona.

Dokument  NASA Design Reference Mission 4.0 z roku 1998 zaczął ponownie analizować przydatność  do misji marsjańskiej napędów jądrowych. Konserwatywnie do projektowania misji wykorzystano napędy Pewee opracowane przez Project Rover pod koniec lat 60tych. Mimo niższych osiągów niż napędy specyfikowane przez Project Timberwind konstrukcje te, jak przewidywano dawno temu, kompletnie zmieniły architekturę misji.

Od tamtego czasu napęd jądrowy jest rozważany przez planistów NASA regularnie. Regularnie wśród autorów publikacji powtarza się nazwisko Stanleya K. Borowskiego z Glenn Research Center. Proponuje on dalsze wykorzystanie potencjału napędu jądrowego – dwufunkcyjności reaktora napędowego.

Tak zwane reaktory bi-modalne podczas orbit transferowych utrzymuje się w stanie niskiej aktywności zamiast je kompletnie wyłączać. Ze względów bezpieczeństwa jest to lepsza alternatywa niż wygaszenie reaktora pomiędzy odpaleniami napędu – naprężenia termiczne podczas chłodzenia i rozgrzewania mogą spowodować zmęczenie materiału elementów paliwowych. Niewielka stała moc (poniżej 1% maksymalnej mocy termicznej podczas działania napędu) jest absorbowana przez wymiennik ciepła i używana przez generator Braytona (turbina gazowa o zamkniętym obiegu) do produkcji energii elektrycznej. Energia elektryczna może być zużyta na kilka sposobów.

Długotrwałe misje z użyciem ciekłego wodoru jako materiału pędnego mają pewną znaczącą niedogodność. Wodór musi być stale utrzymywany w bardzo niskich temperaturach – inaczej zaczyna wrzeć i rozprężać się oraz ulatniać poprzez izolację zbiornika. Możliwe jest nawet uszkodzenie zbiornika. W takich sytuacjach frakcję lotną wypuszcza się w próżnię, obniżając ciśnienie. Aby doprowadzić wodór w zbiorniku do wrzenia wystarczy światło słoneczne lub emisje podczerwone z systemów chłodzenia habitatu. W wypadku wieloletnich misji straty ze zbiorników mogą sięgnąć 10-20% więc lepszą opcją są paliwa hipergoliczne lub jednoskładnikowe, o wiele łatwiejsze w przechowywaniu. Stałe źródło energii elektrycznej pozwala użyć aktywnego systemu chłodzenia w zbiornikach, odprowadzając ciepło do radiatorów poprzez obieg chłodziwa.

Drugim zastosowaniem dostępnej energii elektrycznej jest użycie hybrydowego systemu napędowego, łącząc użycie napędu jądrowego w studniach grawitacyjnych planet (manewry wyjścia z pola przyciągania i przechwycenia) z użyciem napędu jonowego do korekt kursu podczas orbit tranzytowych.

Również sondy automatyczne mogłyby wykonywać o wiele bardziej energochłonne i skomplikowane programy badawcze mając dostępne tak zasobne źródło energii, w dodatku niezależne od odległości od Słońca (misje do Jowisza i dalej). Przesył danych na Ziemię za pomocą mocniejszych nadajników byłby kolejnym plusem.

Należy zaznaczyć że opisany powyżej system jest tylko przedsmakiem możliwości oferowanych przez generację energii za pomocą reaktorów jądrowych. Sprawność generatorów Braytona jest w w warunkach idealnych rzędu 30%, w praktyce 20-25%. Są one również dość ciężkie. Aby pełniej korzystać z mocy termicznej reaktora rozważane są alternatywne metody przechwytywania energii. Między innymi są to indukcja prądu podczas wyhamowywania naładowanych elektrycznie cząstek  w rdzeniu reaktora, instalacja odpornych na wysoką temperaturę wielowarstwowych elementów fotowoltaicznych skalibrowanych na twarde promieniowanie i.t.p. NASA badała niektóre z tych zagadnień w ramach przedwcześnie zakończonej inicjatywy ‘Project Prometheus’ (2003-2005).

W publikacjach Stanleya K. Borowskiego powraca również odmiana napędu jądrowego znana pod skrótem LANTR (LOX Augmented Nuclear Thermal Rocket). Jest to silnik jądrowy w którym, jeśli zajdzie potrzeba, można do rozgrzanego wodoru w dyszy dodać ciekły tlen. Powoduje to wtórne spalanie mieszanki wodór-tlen ale w znacznie wyższych temperaturach. Drastycznie zwiększa to ciąg kosztem impulsu właściwego. Niektóre manewry (jak przechwycenie przez docelowe ciało niebieskie lub odejście na orbitę transferową) wykonuje się najbardziej efektywnie podczas szybkich przelotów w periapsie (najniższym punkcie orbity). Jest to tak zwany efekt Obertha. Niestety silniki jądrowe nie charakteryzują się ciągiem wystarczająco wysokim by zdążyły wykonać manewr przed opuszczeniem optymalnej pozycji. Modyfikacja LANTR znosi to ograniczenie.

Wśród innych zalet silników jądrowych można jeszcze wymienić ich stosunkową ‘niewybredność’ jeśli chodzi o materiał pędny. We wszystkich dotychczasowych rozważaniach materiałem pędnym był ciekły wodór ze względu na najwyższy impuls właściwy. Jednak silniki jądrowe są w stanie działać na takich materiałach pędnych jak woda i metan (z wielu innych możliwości). W pierwszej części artykułu wspomniałem o wizji nowej infrastruktury kosmicznej firmy Deep Space Industries. Firma ta planuje eksploatację bogatych w wodę i węglowodory asteroidów w celu pozyskiwania między innymi paliw na orbicie. Silniki jądrowe mogłyby zadowolić się wodą w sytuacjach gdzie dostępność paliwa przestaje być czynnikiem decydującym a zaczynają być nim koszty (w porównaniu z wymaganą elektrolizą wody i kosztami energetycznymi składowania kriogenicznego mieszanek ciekłego wodoru i tlenu dla rakiet chemicznych).

W październiku 2016 podczas otwartych prezentacji ‘Day of Mars’ w Nowym Orleanie Tony Kim z Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla potwierdził że rozpoczęte zostały prace koncepcyjne nad wskrzeszeniem silników jądrowych z myślą o architekturze Oriona.

Tak jak w latach 60tych los silników jądrowych wydaje się być nierozerwalnie związany z losem wypraw na Marsa. W danej chwili o pierwszeństwo walczą trzy koncepcje wykorzystania Oriona i całej architektury: misja do asteroidy (o nikłym poparciu), plan powrotu na Księżyc i dalsze pracę nad wyprawą marsjańską.

W styczniu 2017 roku Kongres USA jednogłośnie zatwierdził ustawę dodającą ludzka wyprawę na Marsa do statutowych celów NASA. Ustawa cieszy się silnym poparciem Republikanów i ma szansę wejść w życie w przyszłym roku. Prezydent Donald Trump będzie miał prawo weta a jeden z jego doradców Newt Gringrich aktywnie popiera opcję powrotu na Księżyc. Na oficjalną pozycję Białego Domu będziemy musieli poczekać, najprawdopodobniej do wymiany administracji NASA.

Share.

19 komentarzy

  1. Cześć Winged 🙂 (o ile to TEN Winged, jeśli ten, to znamy się z innego forum). No więc ja bym moduł napędowy dał podłączony do statku instalacją dokującą. Po powrocie na orbitę Ziemi odłączałbym go, wysyłał z powierzchni bezzałogowe pudło ze zbiornikiem wodoru, przelewał do modułu napędowego i sru w stronę Słońca. Co z tego, że większe DV potrzebne, jeśli nie ma całego statku, a sam moduł silnikowy. 30 km/s do wyrobienia BEZ całego statku, czyli przedziałów załogowych, magazynów, systemów podtrzymywania życia etc będzie kosztowało wielokrotnie mniej paliwa, niż to, które było potrzebne na przeprowadzenie całej misji. Zawsze można skierować też moduł w kierunku zewnętrznych planet i tam dać ogień, wtedy koszt redukcji prędkości będzie znacznie niższy.
    Oddokowywanie modułu silnikowego ma jeszcze jedną ogromną zaletę. W artykule jest, że odpada podejście do stacji. Ale nie, jeśli zostawimy napęd na orbicie parkingowej i doczłapiemy się chociażby na RCSach do stacji. A potem opuszczając stację przechwytujemy moduł napędowy i podłączamy ponownie.

    • Tak naprawdę reaktory mogą przetrwać kilka misji – wszystkie koncepcje NASA są pod względem utylizacji bardzo konserwatyne. Możnaby tego samego modułu napędowego uzywać kilkakrotnie pod warunkiem że kostrukcja reaktora byłaby z materiałów odpornych ma aktywację neutronową (grafit jest świetny po tym względem ale strukturalnie fatalny – może jakiś kompozyt z grafitem jest odpowiedzią).
      Same pręty paliwowe są tak naprawdę po ‘wyczerpaniu’ zużyte w ok 10%. Przestają działać dlatego że przesycają się ciężkimi pierwiastkami z grupy atkynidów, Te wyłapują neutrony i powstrzymują reakcję łańcuchową. Paliwo można oczyścić w wirówkach. Gdyby sie takiej sztuki udało dokonać na orbicie w jakiejś zrobotyzowanej przetwórni to nawet nie trzebaby było wiele razy ryzykować ładowania rdzeni paliwowych na rakietę.

  2. Takie głupie pytanie: Czy silnik musi być zintegrowany ze statkiem? Chodzi mi o to czy nie można takiego silnika odsunąć np. 200 m na jakiejś “szynie”.

    • Były takie opcje 🙂 Ale powyżej pewnej długości masa kratownicy zaczyna się poważnie wżerać w ładunek użyteczny. A ograniczenia co do przelotów innych statków obok i dokowania też nie znikną. Lekkie tarcze wokół całego reaktora mogłyby rozwiązać problem ale póki co jeszcze nie ma takich materiałów. A to dotyczy tylko emisji neutronów z reaktora. Przed promieniowaniem gamma chroni tylko masa (n.p. pełnych zbiorników z paliwem).

  3. Moja uwaga jest taka.
    Do lotów z sillnikami jądrowymi są potrzebne silne komputery z bardzo silnym oprogramowaniem nawigacji kosmicznej.

    • W dzisiejszych czasach z tym nie powinno być problemu 🙂 . ALe w latach 60tych byli pewni że dadzą radę z elektroniką troszkę lepszą niż ta na pokładzie Apollo. Manewry z napędem jądrowym to wciąż pojedyńcze odpalenia tylko że trwałyby kilkadziesiąt zamiast kilku minut. W skali czasu trasnferów międzyplanetarnych to można to wciąż uprościć do impulsu.
      Przy użyciu napędów jonowych działających całe miesiące nawigacja faktycznie się komplikuje.

      • Manewry byłyby o tyle bardziej skomplikowane, że przewidzieć należy nie tylko odpalenia służące zwiększeniu prędkości ale również te związane z hamowaniem przed celem podróży.

        • Przy ciągłym przyśpieszeniu z dwóch źródeł (Słońce i napęd jonowy) nie da się tego rozwiązać równaniami. Równania da się ułożyć ale nie da się ich rozwiązać jednoznacznie oprócz szczególnych przypadków.
          Radzą sobie z tym problemem siłowo – komputery dzielą czas na małe ułamki, wykonują obliczenia kinematyczne, umieszczają hipotetyczny pojazd na nowej pozycji z nową prędkością i cykl się powtarza.
          Sprawdź sobie program GMAT. To poszło jakiś czas temu jako open source z NASA – program do planowania misji kosmicznych na niskim poziomie. POdejrzewam że w porównaniu z tym czego używają do prawdziwych misji jest to prymitywne ale dla hobbistów opcji jest aż za dużo. Polecam!

  4. Dzięki za bardzo ciekawy temat. z mojej strony jeszcze fajnie by było w następnych częściach napisać coś o impulsowym napędzie jądrowym jak np. projekt ORION z przełomu lat 50 i 60

  5. No trochę mi się rozjaśniło dlaczego tak się ociągają z tymi silnikami. Skoro nawet napromieniowane elementy statku mogą stwarzać zagrożenie, konieczność wybudowania tarczy i jeszcze konieczność utylizacji silnika to są to dość duże problemy które zwiększają stopień skomplikowania i zmniejszają korzyści ich zastosowania.

  6. Z artykułu wywnioskowałem ,że silnik jądrowy w bezpiecznej odległości od Ziemi rozpędzi Statek Transferowy np. na trajektorii do Marsa i zostanie uśpiony na 1% mocy aż doleci na Orbitę Marsa . Po czasie 1-roku na Marsie Załogi gdy powróci do Statku Transferowego na Orbicie Marsa zostanie ten silnik znów załączony na maxa żeby go rozpędzić na trajektorię do Ziemi i znów zostanie uśpiony do 1%. Po zbliżeniu do Ziemi Kapsuła Orion zostanie skierowana na Ziemię do lądowania z Załogą ,a Statek z napędem Jądrowym może być skierowany do p. L-2 Ziemia Księżyc i tam Zaparkowany będzie czekał na następną wyprawę w bezpiecznej odległości od Ziemi. Ja w tym nie widzę po wyprawie Marsjańskiej pozbywania się tak kosztownego pojazdu ze względu na jego silnik Jądrowy i go niszczyć np. posyłając go w stronę Słońca. Jak ta wyprawa na Marsa i powrót na Ziemię ma trwać 3-lata ,to już teraz należy myśleć żeby do tego czasu przygotować następną wyprawę i po przygotowaniu pojazdu Transferowego w p. L-2 do ponownej wyprawy wysłać z Ziemi do tego punktu L-2 następnego Oriona z Załogą. To musi z lotami na Marsa być reakcja Łańcuchowa ,co 3-lata bez przerwy ,bo jak staną na 1-nej wyprawie ,to się tak skończy jak jest z lotami Załogowymi na Księżyc ,prawie 48-lat 0 -ro ,0-ro i jeszcze raz 0-ro , a jest tak blisko,tylko 380-tyś km., co w porównaniu do Marsa – to jest tuż za Rogiem. Jak to będzie 1-na wyprawa w XXI-w. i zniszczenie pojazdu Jądrowego ,to następna będzie w XXII w.

  7. Mam pytanie odnośnie utylizacji reaktora…. Co stoi na przeszkodzie aby taki reaktor skierować w stronę planety WENUS albo naszego SŁOŃCA? Czy taki promieniujacy zlom stwarza jakieś zagrożenie dla planety na której pewnie nigdy nie stanie człowiek czy naszej gwiazdy ???

    • Wysłanie w stronę Słońca wymagałoby wyhamowania całej prędkości orbitalnej jaką ów statek posiada co jest fizycznie niemożliwe. Nie trzeba jednak rozbijać statku, wystarczy skierować go na taką orbitę aby nigdy już nie powrócił na Ziemię np. poprzez asystę grawitacyjną Ziemi, do której dojdzie przy powrocie załogi z misji międzyplanetarnej. Po wykonaniu asysty potrzebne by było jeszcze jedno małe opalenie silnika by mieć pewność, że trajektorie statku i Ziemi nigdy się ze sobą nie zetkną.

      • … to zwykłe śmiecenie w kosmosie… na dodatek radioaktywne.
        Nie lepiej skierować to do wewnątrz układu, w Słońce?

      • WINGED— Coś tu ściemniasz , o jakiej Ty prędkości Orbitalnej do wyhamowania piszesz ,o Orbicie Marsa ,czy Orbicie Ziemi ? i dla czego ta szybkość ma być wyhamowana do 0-ra.? Z tym wysyłaniem Reaktora Atomowego gdzieś tam w U.S. żeby nigdy się ponownie Ziemia z nim Spotkała ,to to jakaś ściema ,nie przemyślana przez ciebie do końca. Przecież mamy aż 9-Planet i masę tzw. Karłowatych ,a i wiele Asteroid,planetoid i Komet, nie mówiąc o pasie pomiędzy Marsem ,a Jowiszem i niech tak gdzieś tam w U.S. ten pojazd z tym Reaktorem się spodka z takim i mamy BUM i skażamy pół U.S. Radioaktywnie.

        • Winged ma rację – chcesz obniżyć orbitę musisz wytracić prędkość. Może nie do zera od razu ale tak żeby statek spłonął w pobliżu Słońca. Prędkość orbitalna Ziemi to 30km/s. Cały budżet delta-V misji marsjańskiej to około 20km/s czyli z tym wysyłaniem na Słońce to się energetycznie nie opłaca. Natomiast istnieją orbity podobne do ziemskiej które mają gwarancję braku kolizji – przecież na tej samej zasadzie ustalamy czy asteroidy typu NEO w nas walną czy nie.