 на 2023 рік NASA обрало ядерну концепцію для першої фази розробки.){kind=link}
We leven in een tijdperk van hernieuwde verkenning van de ruimte, waarbij verschillende bureaus van plan zijn om de komende jaren astronauten naar de maan te sturen. In het komende decennium zullen NASA en China bemanningen naar Mars sturen, en binnenkort kunnen andere landen zich bij hen voegen. Deze en andere missies die astronauten voorbij de lage baan om de aarde (LOO) en het aarde-maansysteem brengen, vereisen nieuwe technologieën, variërend van levensondersteuning en stralingsbescherming tot energie en voortstuwing. En wat dat laatste betreft, is Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) de belangrijkste kanshebber voor de overwinning!
Als onderdeel van het 2023 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) -programma heeft NASA een nucleair concept geselecteerd voor de eerste ontwikkelingsfase. Deze nieuwe klasse van bimodale kerncentrales maakt gebruik van een "rotorversnellingsgolfcyclus" en kan de vluchttijd naar Mars terugbrengen tot 45 dagen.
Het voorstel, genaamd Bimodal NTP/NEP with Wave Rotor Acceleration Cycle, werd naar voren gebracht door professor Ryan Gosse, directeur van het hypersonics-programma aan de Universiteit van Florida en lid van het Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE)-team. Gosse's voorstel is een van de 14 die dit jaar door de NAIC zijn geselecteerd voor de eerste ontwikkelingsfase, inclusief een subsidie van $ 12 om de technologieën en methoden te helpen ontwikkelen die bij het project horen. Andere aanbiedingen omvatten innovatieve sensoren, instrumentatie, productietechnologieën, voedingssystemen en meer.
Kernenergie komt in wezen neer op twee concepten, die beide berusten op technologieën die grondig zijn getest en geverifieerd. Voor Nuclear Thermal Propulsion (NTP) bestaat de cyclus uit een kernreactor die vloeibare waterstof (LH2) verwarmt en verandert in geïoniseerd waterstofgas (plasma), dat vervolgens door mondstukken wordt geleid om stuwkracht te creëren. Er zijn verschillende pogingen gedaan om een testversie van dit voortstuwingssysteem te maken, inclusief het project zwerver, een gezamenlijk project van de Amerikaanse luchtmacht en de Atomic Energy Commission dat in 1955 werd gelanceerd.
In 1959 nam NASA het stokje over van de Amerikaanse luchtmacht, en het programma ging een nieuwe fase in, gewijd aan ruimtevluchttoepassingen. Uiteindelijk leidde dit tot de Nuclear Propulsion for Rocket Vehicles (NERVA), een solid-core kernreactor die met succes werd getest. Met het einde van het Apollo-tijdperk in 1973 werd de financiering van het programma drastisch verlaagd, wat leidde tot de annulering ervan voordat er vliegproeven waren uitgevoerd.
Nucleaire elektrische voortstuwing (NEP), aan de andere kant, vertrouwt op een kernreactor om een Hall-effect-thruster (ionenthruster) aan te drijven die een elektromagnetisch veld genereert dat een inert gas (zoals xenon) ioniseert en versnelt om stuwkracht te creëren. Pogingen om deze technologie te ontwikkelen omvatten het Prometheus-project van NASA onder het Nuclear Systems Initiative (NSI).
Beide systemen hebben aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele chemische motoren, waaronder een hogere specifieke impuls (Isp), brandstofefficiëntie en vrijwel onbeperkte energiedichtheid. Hoewel de concepten verschillen doordat ze een specifieke impuls van meer dan 10 seconden geven, dat wil zeggen dat ze bijna drie uur stuwkracht kunnen behouden, is het stuwkrachtniveau vrij laag in vergelijking met conventionele raketten en NTP's.
De behoefte aan een elektrische stroombron, zei Gosse, roept ook de kwestie op van warmtedissipatie in de ruimte, waar de thermische energie-omzetting 30-40% is onder ideale omstandigheden. En hoewel de NTP-ontwerpen van NERVA de beste methode zijn voor bemande missies naar Mars en daarbuiten, heeft deze methode ook problemen met het leveren van adequate begin- en eindmassafracties voor missies met hoge deltagolven.
Daarom hebben voorstellen die beide bewegingsmethoden (bimodaal) bevatten de voorkeur, aangezien ze de voordelen van beide combineren. Het voorstel van Gosse omvat een bimodaal ontwerp op basis van de NERVA-reactor met vaste brandstof, die een specifieke impuls (Isp) van 900 seconden zou geven, tweemaal de huidige prestatie van chemische raketten.
De door Gosse voorgestelde cyclus omvat ook een golfdrukversterker of golfrotor (WR), een technologie die wordt gebruikt in verbrandingsmotoren die drukgolven gebruikt die worden gecreëerd door de compressiereactie van de inlaatlucht.
In combinatie met een NTP-motor gebruikt de WR de druk die wordt gecreëerd door de LH2-brandstof in de reactor te verwarmen om de reactiemassa verder te comprimeren. Zoals Gosse belooft, zal dit stuwkrachtniveaus opleveren die vergelijkbaar zijn met die van het NERVA-klasse NTP-concept, maar met een lanceringstijd van 1400-2000 seconden. In combinatie met de NEP-cyclus, zegt Gosse, neemt het verlangen nog meer toe.
Als conventionele motoren worden gebruikt, kan een bemande missie naar Mars tot drie jaar duren. Deze missies worden elke 26 maanden gelanceerd wanneer de aarde en Mars het dichtst bij elkaar staan (de zogenaamde oppositie van Mars), en zullen minstens zes tot negen maanden onderweg zijn.
Een transit van 45 dagen (zes en een halve week) zou de totale missietijd terugbrengen tot maanden in plaats van jaren. Dit zou de belangrijkste risico's die gepaard gaan met missies naar Mars aanzienlijk verminderen, waaronder blootstelling aan straling, tijd doorgebracht in microzwaartekracht en gerelateerde gezondheidsproblemen.
Naast energiecentrales zijn er voorstellen voor nieuwe reactorontwerpen die een stabiele stroomvoorziening zouden bieden voor langdurige grondmissies waar zonne- en windenergie niet altijd beschikbaar zijn.
Voorbeelden zijn NASA's Kilowatt Reactor met behulp van Sterling Technology (KRUSTY) en de Fission/Fusion Hybrid Reactor geselecteerd voor NASA's eerste ontwikkelingsfase onder het programma NAIC 2023. Deze en andere nucleaire technologieën kunnen op een dag bemande missies naar Mars en andere plaatsen in de verre ruimte mogelijk maken. , misschien eerder dan we denken!
Ook interessant: