In den kommenden Jahren werden die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) zwei Robotermissionen entsenden, um den Jupiter-Eismond Europa zu erkunden. Dies sind keine anderen als der Europa Clipper der NASA und der Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) der ESA, die 2024 bzw. 2023 starten werden. Sobald sie in den 2030er Jahren ankommen, werden sie die Oberfläche Europas mit einer Reihe von Vorbeiflügen untersuchen, um festzustellen, ob ihr innerer Ozean Leben unterstützen könnte. Dies werden die ersten astrobiologischen Missionen zu einem eisigen Mond im äußeren Sonnensystem sein, die zusammen als „Meereswelten“ bekannt sind.
Eine der vielen Herausforderungen für diese Missionen besteht darin, wie man durch die dicken Eiskrusten abbaut und Proben aus dem inneren Ozean zur Analyse erhält. Nach einem Vorschlag von Dr. Theresa Benyo (Physikerin und Hauptforscherin des Gittereinschlussfusionsprojekts am Glenn Research Center der NASA) besteht eine mögliche Lösung darin, einen speziellen Reaktor zu verwenden, der auf Spaltungs- und Fusionsreaktionen beruht. Dieser Vorschlag wurde vom NASA-Programm Innovative Advanced Concepts (NIAC) für Phase-I-Entwicklung ausgewählt.
Die Liste der Ozeanwelten ist lang und vielfältig und reicht von Ceres im Asteroidenhauptgürtel, den Monden von Jupiter (Kallisto, Ganymed und Europa), Saturn (Titan, Enceladus und Dione), Neptuns größtem Mond (Triton) und Pluto und andere Körper im Kuipergürtel. Es wird angenommen, dass diese Welten alle innere Ozeane haben, die durch Gezeitenbiegung aufgrund der Gravitationswechselwirkung mit ihrem Mutterkörper oder (im Fall von Ceres und Pluto) dem Zerfall radioaktiver Elemente erwärmt werden. Weitere Beweise für diese Ozeane und Aktivitäten sind Oberflächenfahnen und gestreifte Merkmale, die auf einen Austausch zwischen der Oberfläche und dem Inneren hinweisen.
Die größte Herausforderung bei der Erforschung des Inneren dieser Welten ist die Dicke ihrer Eisschilde, die bis zu 40 km tief sein können. Im Fall von Europa haben verschiedene Modelle Schätzungen zwischen 15 und 25 km (10 und 15 Meilen) ergeben. Darüber hinaus muss die vorgeschlagene Sonde mit hydrostatischem Eis mit unterschiedlichen Zusammensetzungen (wie Ammoniak und Silikatgestein) in unterschiedlichen Tiefen, Drücken, Temperaturen und Dichten fertig werden. Es muss auch mit dem Wasserdruck fertig werden, die Kommunikation mit der Oberfläche aufrechterhalten und Proben an die Oberfläche zurückbringen.
Die NASA hat die Möglichkeit untersucht, eine Heiz- oder Bohrsonde zu verwenden, um durch die Eisdecke zu gelangen und Zugang zum inneren Ozean zu erhalten. Insbesondere haben Forscher vorgeschlagen, eine nuklearbetriebene Sonde zu verwenden, die sich auf radioaktiven Zerfall stützt, um Wärme zu erzeugen und durch das Oberflächeneis zu schmelzen. Ein Team von NASA-Forschern unter der Leitung von Dr. Benyo hat jedoch eine neue Methode vorgeschlagen, die sich auf etwas anderes als herkömmliche radioaktive Isotope stützt – Plutonium-238 oder angereichertes Uran-235. Stattdessen würde ihre Methode darin bestehen, Kernfusionsreaktionen zwischen den Atomen eines festen Metalls auszulösen.
Ihre als Lattice Confinement Fusion bekannte Methode wurde in zwei Artikeln beschrieben, die in der Ausgabe vom April 2020 von veröffentlicht wurden Körperliche Überprüfung Cmit dem Titel „Kernfusionsreaktionen in deuterierten Metallen“ und „Neuartige Kernreaktionen in mit Bremsstrahlung bestrahlten deuterierten Metallen beobachtet.“ Wie Dr. Benyo kürzlich in einer Presseerklärung des NASA Glenn Research Center erklärte:
„Wissenschaftler sind an der Fusion interessiert, weil sie enorme Energiemengen erzeugen könnte, ohne lang anhaltende radioaktive Nebenprodukte zu erzeugen. Konventionelle Fusionsreaktionen sind jedoch schwer zu erreichen und aufrechtzuerhalten, da sie auf so extreme Temperaturen angewiesen sind, um die starke elektrostatische Abstoßung zwischen positiv geladenen zu überwinden Kerne, dass der Prozess unpraktisch war.“
Herkömmliche Fusionsmethoden laufen im Allgemeinen auf einen Trägheits- oder magnetischen Einschluss hinaus. Mit Trägheitseinschluss werden Brennstoffe wie Deuterium oder Tritium (Wasserstoff-2 oder -3) auf extreme Drücke (für Nanosekunden) komprimiert, bei denen eine Fusion stattfinden kann. In magnetischen Einschlüssen (Tokamak-Reaktoren) wird der Brennstoff erhitzt, bis er Temperaturen erreicht, die über dem liegen, was im Zentrum der Sonne auftritt – 15 Millionen ° C (27 Millionen ° F) -, um eine Kernfusion zu erreichen. Diese neue Methode erzeugt Fusionsreaktionen innerhalb der Grenzen eines mit Deuteriumbrennstoff beladenen Metallgitters bei Umgebungstemperatur.
Diese neue Methode schafft eine energetische Umgebung innerhalb des Gitters, in der einzelne Atome äquivalente kinetische Energien auf Fusionsebene erreichen. Dies wird erreicht, indem die Gitter mit Deuterium in einer Milliarde Mal höheren Dichte als in Tokamak-Reaktoren gepackt werden, wo eine Neutronenquelle Deuteriumatome (Deuteronen) bis zu dem Punkt beschleunigt, an dem sie mit benachbarten Deuteronen kollidieren und Fusionsreaktionen verursachen. Für ihre Experimente setzten Dr. Benyo und ihre Kollegen Deuteronen einem 2,9+MeV energiereichen Röntgenstrahl aus, wodurch energiereiche Neutronen und Protonen erzeugt wurden.
Dieser Prozess könnte schnelle Spaltungsreaktionen unter Verwendung von Gittern ermöglichen, die aus Metallen wie abgereichertem Uran, Thorium oder Erbium (Er68) in einer geschmolzenen Lithiummatrix aufgebaut sind. Das Team beobachtete auch die Produktion von energiereicheren Neutronen, was darauf hinweist, dass die Fusionsreaktionen beschleunigt wurden – auch bekannt als. Dabei treten auch gescreente Oppenheimer-Phillips (OP) Kernstripping-Reaktionen auf. Laut Dr. Benyo ist jeder Fusionsprozess skalierbar und könnte ein Weg zu einem neuen Typ von nuklearbetriebenem Raumfahrzeug sein:
„Der resultierende Hybrid-Fusions-Schnellspaltungs-Kernreaktor wird kleiner sein als ein herkömmlicher Spaltungsreaktor, bei dem eine Stromquelle mit geringerer Masse benötigt wird, und einen effizienten Betrieb mit thermischer Abwärme von der Reaktorwärmesonde bieten, um durch Schelfeis zu untereisigen Ozeanen zu schmelzen.“
Ein Bonus dieses neuen Prozesses ist die kritische Rolle, die Metallgitterelektronen spielen, deren negative Ladungen dabei helfen, positiv geladene Deuteronen zu „abschirmen“. Nach der Theorie des projekttheoretischen Physikers Dr. Vladimir Pines ermöglicht diese Abschirmung eine engere Annäherung benachbarter Deuteronen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sie streuen, während es die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie durch die elektrostatische Barriere tunneln und Fusionsreaktionen fördern. Laut NASA-Projektleiter Dr. Bruce Steinetz gibt es noch Hürden zu überwinden, aber das Projekt hat einen guten Start hingelegt:
„Die aktuellen Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg zur Initiierung von Fusionsreaktionen für weitere Studien innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Die Reaktionsgeschwindigkeiten müssen jedoch erheblich erhöht werden, um nennenswerte Leistungsniveaus zu erreichen, was unter Verwendung verschiedener in Betracht gezogener Reaktionsvervielfachungsmethoden möglich sein könnte.“
Diese Art von Nuklearprozess könnte Teil eines Europa Lander sein, einer vorgeschlagenen NASA-Mission, die auf der von Europa Clipper und JUICE durchgeführten Forschung aufbauen würde. Mit mehr Studien und Entwicklung könnte diese Technologie auch verwendet werden, um Energiesysteme für Langzeit-Erkundungsmissionen zu schaffen, ähnlich dem Projekt Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) der NASA. Dieselbe Technologie könnte neue Triebwerkskonzepte wie den Nuclear-Thermal and Nuclear-Electric Propulsion (NTP/NEP) ermöglichen, den die NASA und andere Raumfahrtagenturen untersuchen.
Schließlich könnte diese vorgeschlagene Methode Anwendungen für das Leben hier auf der Erde haben, indem sie eine neue Art von Kernenergie und medizinische Isotope für die Nuklearmedizin bereitstellt. Wie Leonard Dudzinski, Chief Technologist for Planetary Science beim Science Mission Directorate (SMD) der NASA, sagte:
„Der Schlüssel zu dieser Entdeckung war das talentierte, multidisziplinäre Team, das NASA Glenn zusammengestellt hat, um Temperaturanomalien und Materialumwandlungen zu untersuchen, die bei stark deuterierten Metallen beobachtet wurden. Wir werden diesen Ansatz brauchen, um bedeutende technische Herausforderungen zu lösen, bevor eine praktische Anwendung möglich ist gestaltet werden.“