L'énergie nucléaire dans l'espace. Impulsions d'accélération atomique

L'idée d'utiliser l'énergie nucléaire pour propulser des engins spatiaux et de l'utiliser dans de futures bases ou colonies extraterrestres n'est pas nouvelle. Récemment, ils sont arrivés dans une nouvelle vague, et à mesure qu'ils deviennent un champ de rivalité entre grandes puissances, leur mise en œuvre devient plus probable.

La NASA et le département américain de l'énergie ont lancé une recherche parmi les concessionnaires projets de centrales nucléaires sur la Lune et Mars. Cela devrait soutenir la recherche à long terme et peut-être même des projets d'établissement. L'objectif de la NASA est qu'il soit prêt à être lancé d'ici 2026. La centrale doit être entièrement fabriquée et assemblée sur Terre, puis testée pour sa sécurité.

Antoine Calomino, directeur de la technologie nucléaire de la NASA à la Space Technology Administration, a déclaré que Le plan est de développer un système de fission nucléaire de XNUMX kilowatts qui sera éventuellement lancé et placé sur la lune. (une). Il doit être intégré à l'atterrisseur lunaire et le booster l'amènera à orbite de la lune. Chargeur puis ramenez le système à la surface.

On s'attend à ce qu'à son arrivée sur le site, il soit immédiatement prêt à fonctionner, sans nécessiter d'assemblage ou de construction supplémentaire. L'opération est une démonstration des possibilités et sera le point de départ de l'utilisation de la solution et de ses dérivés.

"Une fois que la technologie a été validée lors d'une démonstration, les futurs systèmes peuvent être mis à l'échelle ou plusieurs appareils peuvent être utilisés ensemble pour des missions à long terme sur la Lune et éventuellement sur Mars", a expliqué Calomino sur CNBC. "Quatre unités, chacune produisant 10 kilowatts d'électricité, fourniront une puissance suffisante pour installer un avant-poste sur la Lune ou sur Mars.

La capacité de générer de grandes quantités d'électricité à la surface des planètes à l'aide d'un système de fission au sol permettra des recherches à grande échelle, des avant-postes humains et l'utilisation de ressources in situ, tout en permettant la possibilité de commercialisation.

Comment ça va marcher centrale nucléaire? Forme légèrement enrichie combustible nucléaire volonté noyau nucléaire... Petit réacteur nucléaire il générera de la chaleur, qui sera transférée au système de conversion de puissance. Le système de conversion de puissance sera composé de moteurs conçus pour fonctionner avec la chaleur du réacteur plutôt qu'avec du combustible. Ces moteurs utilisent de la chaleur, la convertissent en électricité, qui est conditionnée et distribuée aux équipements utilisateurs à la surface de la Lune et de Mars. La méthode de dissipation de la chaleur est importante pour maintenir la bonne température de fonctionnement des appareils.

Pouvoir nucléaire est maintenant considérée comme la seule alternative raisonnable où énergie solaire, éolien et hydroélectricité ne sont pas facilement disponibles. Sur Mars, par exemple, la force du soleil varie considérablement avec les saisons et les tempêtes de poussière périodiques peuvent durer des mois.

Sur la Lune lunaire froid la nuit dure 14 jours, la lumière du soleil variant considérablement près des pôles et absente des cratères ombragés en permanence. Dans des conditions aussi difficiles, il est difficile d'obtenir de l'énergie à partir de la lumière du soleil et les réserves de carburant sont limitées. L'énergie de fission de surface offre une solution simple, fiable et efficace.

Contrairement à réacteurs au solil n'est pas prévu de retirer ou de remplacer le carburant. À la fin de la mission de 10 ans, il existe également un plan de démantèlement sûr de l'installation. "À la fin de sa durée de vie, le système sera éteint et le niveau de rayonnement diminuera progressivement jusqu'à un niveau sûr pour l'accès et le fonctionnement humains", a expliqué Calomino. "Les systèmes de déchets peuvent être déplacés vers un lieu de stockage éloigné où ils ne mettront pas en danger l'équipage ou l'environnement."

Réacteur petit, léger mais efficace très demandé

Au fur et à mesure que l'exploration spatiale se développe, nous nous débrouillons déjà assez bien avec systèmes de production d'énergie nucléaire à petite échelle. De tels systèmes ont longtemps propulsé des engins spatiaux sans pilote qui voyagent jusqu'aux confins du système solaire.

En 2019, le vaisseau spatial New Horizons à propulsion nucléaire a survolé l'objet le plus éloigné jamais vu de près, Ultima Thule, bien au-delà de Pluton dans une région connue sous le nom de ceinture de Kuiper. Il n'aurait pas pu le faire sans l'énergie nucléaire. L'énergie solaire n'est pas disponible en quantité suffisante en dehors de l'orbite de Mars. Les sources chimiques ne durent pas longtemps car leur densité d'énergie est trop faible et leur masse est trop importante.

Utilisé pour les missions à longue distance générateurs radiothermiques (RTG) utilise l'isotope du plutonium 238Pu, qui est idéal pour générer de la chaleur permanente à partir de la désintégration radioactive naturelle en émettant des particules alpha, qui sont ensuite converties en électricité. Sa demi-vie de 88 ans signifie qu'il servira une mission à long terme. Cependant, les RTG ne peuvent pas fournir la puissance spécifique élevée requise pour de longues missions, des navires plus massifs, sans parler des bases extraterrestres.

Une solution, par exemple, pour une présence exploratoire et éventuellement une colonie sur Mars ou la Lune pourrait être des conceptions de petits réacteurs que la NASA teste depuis plusieurs années. Ces appareils sont connus sous le nom de Projet d'énergie de fission Kilopower (2), sont conçus pour fournir une puissance électrique de 1 à 10 kW et peuvent être configurés en modules coordonnés pour alimenter des systèmes de propulsion ou pour soutenir la recherche, l'exploitation minière ou les colonies sur des corps spatiaux extraterrestres.

Comme vous le savez, la masse compte dans l'espace. puissance du réacteur il ne doit pas dépasser le poids d'un véhicule moyen. Comme nous le savons, par exemple, grâce à une émission récente Fusées SpaceX Falcon Heavylancer une voiture dans l'espace n'est actuellement pas un problème technique. Ainsi, les réacteurs légers peuvent être facilement placés en orbite autour de la Terre et au-delà.

2. Prototype de réacteur XNUMX kilowatt KIlopower.

Une fusée avec réacteur suscite espoirs et craintes

Ancien administrateur de la NASA Jim Bridenstine il a souligné à plusieurs reprises avantages des moteurs thermiques nucléaires, ajoutant que plus de puissance en orbite pourrait potentiellement permettre aux engins en orbite de réussir à s'échapper s'ils sont attaqués par des armes anti-satellites.

Réacteurs en orbite ils pourraient également alimenter de puissants lasers militaires, ce qui intéresse également les autorités américaines. Cependant, avant qu'un moteur de fusée nucléaire n'effectue son premier vol, la NASA doit modifier ses lois sur l'envoi de matières nucléaires dans l'espace. Si cela est vrai, alors, selon le plan de la NASA, le premier vol d'un moteur nucléaire devrait avoir lieu en 2024.

Cependant, les États-Unis semblent relancer leurs projets nucléaires, en particulier après que la Russie a annoncé un programme d'une décennie pour construire un vaisseau spatial civil à propulsion nucléaire. Ils étaient autrefois le leader incontesté de la technologie spatiale.

Dans les années 60, les États-Unis avaient un projet de missile nucléaire à impulsions Orion, censé être si puissant qu'il pourrait permettre déplacer des villes entières dans l'espaceet même faire un vol habité vers Alpha Centauri. Toutes ces vieilles séries fantastiques américaines sont sur les tablettes depuis les années 70.

Cependant, il est temps de dépoussiérer l'ancien concept. moteur nucléaire dans l'espaceprincipalement parce que des concurrents, en l'occurrence principalement la Russie, ont récemment montré un grand intérêt pour cette technologie. Une fusée thermique nucléaire pourrait réduire de moitié le temps de vol vers Mars, peut-être même à cent jours, ce qui signifie que les astronautes consomment moins de ressources et moins de charge de rayonnement sur l'équipage. De plus, il semble qu'il n'y aura pas une telle dépendance vis-à-vis des "fenêtres", c'est-à-dire l'approche répétée de Mars vers la Terre toutes les quelques années.

Cependant, il existe un risque, qui inclut le fait que le réacteur embarqué serait une source supplémentaire de rayonnement dans une situation où l'espace porte déjà une énorme menace de cette nature. Ce n'est pas tout. Moteur thermique nucléaire il ne peut pas être lancé dans l'atmosphère terrestre par crainte d'une éventuelle explosion et contamination. Par conséquent, des fusées normales sont fournies pour le lancement. Par conséquent, nous ne sautons pas l'étape la plus coûteuse liée au lancement de la masse en orbite depuis la Terre.

Projet de recherche de la NASA appelé Arbres (Nuclear Thermal Rocket Environmental Simulator) est un exemple des efforts de la NASA pour revenir à la propulsion nucléaire. En 2017, avant qu'il ne soit question d'un retour à la technologie, la NASA a attribué à BWX Technologies un contrat de 19 millions de dollars sur trois ans pour développer les composants du combustible et les réacteurs nécessaires à la construction. moteur nucléaire. L'un des concepts de propulsion nucléaire spatiale les plus récents de la NASA est le réacteur Swarm-Probe ATEG, SPEAR(3), qui devrait utiliser un nouveau modérateur de réacteur léger et des générateurs thermoélectriques avancés (ATEG) pour réduire considérablement la masse globale du noyau.

Cela nécessitera d'abaisser la température de fonctionnement et d'abaisser le niveau de puissance global du cœur. Cependant, la masse réduite nécessitera moins de puissance de propulsion, ce qui se traduira par un petit vaisseau spatial électrique à propulsion nucléaire peu coûteux.

3. Visualisation de la sonde développée dans le cadre du projet Swarm-Probe Enabling ATEG Reactor.

Anatoly PerminovCela a été annoncé par le chef de l'Agence spatiale fédérale de Russie. développera un vaisseau spatial à propulsion nucléaire pour voyager dans l'espace lointain, offrant sa propre approche originale. La conception préliminaire a été achevée en 2013 et les 9 prochaines années sont prévues pour le développement. Ce système devrait être une combinaison de production d'énergie nucléaire avec un système de propulsion ionique. Le gaz chaud à 1500°C du réacteur doit faire tourner une turbine qui fait tourner un générateur qui génère de l'électricité pour le moteur ionique.

Selon Perminov, le lecteur pourra prendre en charge une mission habitée vers Marset les astronautes pourraient rester sur la planète rouge pendant 30 jours grâce à l'énergie nucléaire. Au total, un vol vers Mars avec un moteur nucléaire et une accélération constante prendrait six semaines au lieu de huit mois, en supposant une poussée 300 fois supérieure à celle d'un moteur chimique.

Cependant, tout n'est pas si fluide dans le programme russe. En août 2019, un réacteur a explosé à Sarov, en Russie, sur les rives de la mer Blanche, qui faisait partie d'un moteur-fusée en mer Baltique. combustible liquide. On ne sait pas si cette catastrophe est liée au programme de recherche sur la propulsion nucléaire russe décrit ci-dessus.

Sans aucun doute, cependant, un élément de rivalité entre les États-Unis et la Russie, et peut-être la Chine sur le terrain l'utilisation de l'énergie nucléaire dans l'espace donne à la recherche une forte impulsion d'accélération.