NASA plant, bemannte Missionen zum Mars zu schicken im nächsten Jahrzehnt – aber die 140 Millionen Meilen (225 Millionen Kilometer) lange Reise zum Roten Planeten Die Hin- und Rückfahrt kann mehrere Monate bis Jahre dauern.
Diese relativ lange Laufzeit ist auf die Verwendung von herkömmlichem chemischem Raketentreibstoff zurückzuführen. Eine alternative Technologie zu den chemisch angetriebenen Raketen, die die Agentur derzeit entwickelt, heißt nuklearer thermischer Antrieb, der die Kernspaltung nutzt und könnte Eines Tages eine Rakete antreiben Dadurch dauert die Reise nur die Hälfte der Zeit.
Bei der Kernspaltung wird die unglaubliche Energiemenge genutzt, die bei der Spaltung eines Atoms durch ein Neutron freigesetzt wird. Das Die Reaktion wird als Spaltreaktion bezeichnet. Die Spaltungstechnologie ist in der Stromerzeugung und in nuklearbetriebenen U-Booten gut etabliert, und ihre Anwendung zum Antrieb oder Antrieb einer Rakete könnte der NASA eines Tages eine schnellere und leistungsstärkere Alternative zu chemisch angetriebenen Raketen bieten.
Die NASA und die Defense Advanced Research Projects Agency sind es gemeinsame Entwicklung der NTP-Technologie. Sie planen, im Jahr 2027 ein Prototypsystem im Weltraum einzusetzen und dessen Fähigkeiten zu demonstrieren – womit es möglicherweise eines der ersten seiner Art sein könnte, das von den USA gebaut und betrieben wird
Auch ein nuklearer thermischer Antrieb könnte eines Tages Energie liefern manövrierfähige Weltraumplattformen das würde amerikanische Satelliten in und außerhalb der Erdumlaufbahn schützen. Doch die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung.
Ich bin ein außerordentlicher Professor für Nukleartechnik am Georgia Institute of Technology wessen Forschungsgruppe erstellt Modelle und Simulationen zur Verbesserung und Optimierung von Designs für nukleare thermische Antriebssysteme. Meine Hoffnung und Leidenschaft besteht darin, bei der Entwicklung des nuklearen thermischen Antriebsmotors mitzuhelfen, der eine bemannte Mission zum Mars ermöglichen wird.
Nuklearer versus chemischer Antrieb
Herkömmliche chemische Antriebssysteme nutzen eine chemische Reaktion, an der ein leichter Treibstoff wie Wasserstoff und ein Oxidationsmittel beteiligt sind. Wenn diese beiden miteinander vermischt werden, entzünden sie sich, was dazu führt, dass der Treibstoff sehr schnell aus der Düse austritt und die Rakete antreibt.
Diese Systeme benötigen kein Zündsystem und sind daher zuverlässig. Allerdings müssen diese Raketen Sauerstoff in den Weltraum transportieren, was sie belasten kann. Im Gegensatz zu chemischen Antriebssystemen basieren nuklearthermische Antriebssysteme auf Kernspaltungsreaktionen, um den Treibstoff zu erhitzen, der dann aus der Düse ausgestoßen wird, um die Antriebskraft oder den Schub zu erzeugen.
Bei vielen Spaltreaktionen schicken Forscher ein Neutron in Richtung a leichteres UranisotopUran-235. Das Uran absorbiert das Neutron und es entsteht Uran-236. Das Uran-236 zerfällt dann in zwei Fragmente – die Spaltprodukte – und bei der Reaktion werden verschiedene Partikel freigesetzt.
Mehr als 400 Kernreaktoren weltweit im Einsatz nutzen derzeit die Technologie der Kernspaltung. Die meisten dieser Kernreaktoren sind in Betrieb Leichtwasserreaktoren. Diese Kernspaltungsreaktoren nutzen Wasser, um die Neutronen abzubremsen und Wärme aufzunehmen und zu übertragen. Das Wasser kann direkt im Kern oder in einem Dampferzeuger Dampf erzeugen, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt.
Nukleare thermische Antriebssysteme funktionieren auf ähnliche Weise, verwenden jedoch einen anderen Kernbrennstoff, der mehr Uran-235 enthält. Außerdem arbeiten sie bei deutlich höheren Temperaturen, was sie äußerst leistungsstark und kompakt macht. Kernthermische Antriebssysteme haben eine etwa zehnmal höhere Leistungsdichte als ein herkömmlicher Leichtwasserreaktor.
Der nukleare Antrieb könnte dem chemischen Antrieb einen Schritt voraus sein ein paar Gründe.
Ein Kernantrieb würde Treibstoff sehr schnell aus der Düse des Triebwerks ausstoßen und erzeugen hoher Schub. Durch diesen hohen Schub kann die Rakete schneller beschleunigen.
Auch diese Systeme verfügen über einen hohen spezifischen Impuls. Spezifischer Impuls misst, wie effizient der Treibstoff zur Schuberzeugung eingesetzt wird. Nukleare thermische Antriebssysteme haben etwa den doppelten spezifischen Impuls wie chemische Raketen, was bedeutet, dass sie die Reisezeit um den Faktor 2 verkürzen könnten.
Geschichte des nuklearen thermischen Antriebs
Seit Jahrzehnten finanziert die US-Regierung die Entwicklung der nuklearen thermischen Antriebstechnologie. Zwischen 1955 und 1973 wurden Programme bei NASA, General Electric Und Argonne National Laboratories produzierte und testete 20 nukleare thermische Antriebsmotoren.
Doch diese Konstruktionen aus der Zeit vor 1973 beruhten auf hochangereichertem Uran als Brennstoff. Dieser Kraftstoff wird aus diesem Grund nicht mehr verwendet Verbreitungsgefahrenoder Gefahren, die mit der Verbreitung von Nuklearmaterial und -technologie zu tun haben.
Der Globale Initiative zur Bedrohungsreduzierungins Leben gerufen vom Energieministerium und Nationale Behörde für nukleare Sicherheitzielt darauf ab, viele der Forschungsreaktoren, die hochangereicherten Uranbrennstoff verwenden, auf niedrig angereicherten Uranbrennstoff (HALEU) mit hohem Probengehalt umzurüsten.
Hochgeladener, niedrig angereicherter Uranbrennstoff enthält im Vergleich zu hochangereichertem Uranbrennstoff weniger Material, das eine Spaltungsreaktion eingehen kann. Die Raketen müssen also mit mehr HALEU-Treibstoff beladen sein, was den Motor schwerer macht. Um dieses Problem zu lösen, suchen Forscher nach speziellen Materialien, die den Brennstoff in diesen Reaktoren effizienter nutzen könnten.
NASA und die DARPAs Demonstrationsrakete für agile Cislunar-OperationenDas Programm (DRACO) beabsichtigt, diesen hochanalytischen, niedrig angereicherten Uranbrennstoff in seinem nuklearen thermischen Antriebsmotor zu verwenden. Das Programm plant, seine Rakete im Jahr 2027 zu starten.
Im Rahmen des DRACO-Programms ist das Luft- und Raumfahrtunternehmen Lockheed Martin eine Partnerschaft mit BWX Technologies eingegangen Entwicklung der Reaktor- und Brennstoffkonstruktionen.
Die von diesen Gruppen in der Entwicklung befindlichen nuklearen Wärmeantriebsmotoren müssen bestimmte Leistungs- und Sicherheitsstandards erfüllen. Sie benötigen einen Kern, der für die Dauer der Mission einsatzfähig ist und die notwendigen Manöver für eine schnelle Reise zum Mars durchführen kann.
Idealerweise sollte das Triebwerk in der Lage sein, hohe spezifische Impulse zu erzeugen und gleichzeitig den Anforderungen an hohen Schub und geringe Triebwerksmasse gerecht zu werden.
Laufende Forschung
Bevor Ingenieure einen Motor entwerfen können, der alle diese Standards erfüllt, müssen sie mit Modellen und Simulationen beginnen. Diese Modelle helfen Forschern wie denen meiner Gruppe zu verstehen, wie der Motor mit dem Starten und Herunterfahren umgehen würde. Hierbei handelt es sich um Vorgänge, die schnelle, massive Temperatur- und Druckänderungen erfordern.
Der nukleare thermische Antriebsmotor wird sich von allen bestehenden Spaltungsenergiesystemen unterscheiden, daher müssen Ingenieure Softwaretools entwickeln, die mit diesem neuen Motor funktionieren.
Meine Gruppe Entwürfe und Analysen Reaktoren mit thermischem Kernantrieb anhand von Modellen. Wir modellieren diese komplexen Reaktorsysteme, um zu sehen, wie sich Dinge wie Temperaturänderungen auf den Reaktor und die Sicherheit der Rakete auswirken können. Doch die Simulation dieser Effekte kann viel teure Rechenleistung erfordern.
Wir haben daran gearbeitet neue Rechenwerkzeuge entwickeln Dieses Modell zeigt, wie sich diese Reaktoren verhalten, während sie in Betrieb sind Inbetriebnahme und Betrieb ohne so viel Rechenleistung zu verbrauchen.
Meine Kollegen und ich hoffen, dass diese Forschung eines Tages dazu beitragen kann, Modelle zu entwickeln, die die Rakete autonom steuern könnten.
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