Apetyt Pentagonu na komercyjny napęd nuklearny dla satelitów. Nabór koncepcji

28 września 2021, 16:48
Artystyczna wizja statku kosmicznego wykorzystującego silnik NTP. Ilustracja: NASA [nasa.gov]

Amerykańska rządowa instytucja zajmująca się poszukiwaniem innowacyjnych rozwiązań dla armii amerykańskiej wszczęła postępowanie, którego celem jest wyłonienie komercyjnych projektów w segmencie niewielkich cieplnych silników nuklearnych do zastosowań kosmicznych. Według tego zamysłu, satelity wyposażone w napęd jądrowy mogłyby swobodnie i długoterminowo operować na znacznie wyższych orbitach, jak i sprawnie unikać wielu zagrożeń, jakie znajdują się w przestrzeni kosmicznej.

Podlegająca Departamentowi Obrony Stanów Zjednoczonych komórka Defense Innovation Unit (DIU) prowadziła we wrześniu br. postępowanie, w którym można było składać wstępne koncepcje niewielkiego (o masie do dwóch ton) nuklearnego silnika cieplnego (Nuclear Thermal Propulsion - NTP) do zastosowania w przestrzeni kosmicznej. Chodzić ma o system umożliwiający swobodne funkcjonowanie przyszłym satelitom na orbitach znacznie wyższych niż dotychczas użytkowo wykorzystywane.

Silnik NTP w tym schemacie zakłada generowanie ciągu poprzez wyrzucanie z dużą prędkością gazu (zasadniczo, wodoru) podgrzanego pośrednio, w wyniku przechwytywania energii wydzielanej przez reaktor jądrowy. Za nadanie odpowiedniej temperatury materiałowi pędnemu odpowiedzialny byłby reaktor atomowy z prętami uranowymi.

Celem zamkniętego postępowania jest wyłonienie „dojrzałego” projektu, który wykaże osiągalny sposób opracowania i produkcji prototypu, działającego w warunkach laboratoryjnych (czyli ziemskich). Rezultat w postaci sprawdzonego laboratoryjnie mechanizmu działania ma zostać wypracowany w ciągu od trzech do pięciu lat od przyznania kontraktu oraz przedstawienia dalszych koncepcji odnoszących się do ścieżki uzyskania pierwszych lotnych egzemplarzy. Wyniki samego wstępnego przetargu powinny być znane najwcześniej za dwa miesiące, aczkolwiek możliwe jest, że pojawią się miesiąc później.

Zminiaturyzowana wersja silnika NTP byłaby w swoim zamyśle podobna do projektu DRACO, rozwijanego przez NASA i DARPA, którego celem jest opracowanie nie tyle jednostki napędowej, lecz również i nosiciela takowego elementu, czyli odpowiednio przystosowanego statku kosmicznego. W ten projekt zaangażowane są firmy takie jak Lockheed Martin, Blue Origin oraz General Atomics, przy czym pracami koncepcyjnymi dotyczącymi reaktora zajmie się ta ostatnia firma.

Spoglądając na to, dlaczego DIU eksploruje od podstaw rozpatrywany zamysł nuklearnego napędu cieplnego, należałoby wspomnieć o dotychczasowych trudnościach w stworzeniu tego rodzaju systemu dla satelitów i pojazdów kosmicznych. Niemniej wysiłki te nadal są podejmowane - głównie z tego powodu, że klasyczny napęd chemiczny bądź silniki elektryczne (jonowe) są zbyt mało wydajne i efektywne na dalekich kosmicznych dystansach. Rakiety z napędem chemicznym muszą zabrać dużą ilość paliwa, by wynieść niewielki ładunek na LEO, nie mówiąc o wyższych orbitach. Z kolei silniki jonowe, pomimo wysokiego impulsu właściwego generują zbyt mało ciągu, przez co niemożliwe jest uzyskanie maksymalnych prędkości dochodzących do kilkudziesięciu kilometrów na sekundę w rozsądnym przedziale czasowym.

Ten problem natomiast okazał się punktem zainteresowania DIU, który oczekuje, że nowy miniaturowy silnik NTP pozwoli na sprawne prowadzenie operacji w rozszerzonej domenie aktywności nowego rodzaju Sił Zbrojnych USA, czyli Sił Kosmicznych USA.

Reklama
Reklama

Dzięki termicznym silnikom jądrowym przeprowadzanie manewrów w stanie nieważkości powinno być znacznie sprawniejsze, szybsze oraz płynniejsze, co mogłoby przysłużyć się w celach wojskowych np. w szybkim reagowaniu na nadchodzące zagrożenia. Ponadto wobec rosnącej ilości kosmicznych śmieci możliwe byłoby płynniejsze omijanie ewentualnych przeszkód bez ryzykowania zbędnych kolizji pojazdu kosmicznego z tego typu przedmiotami. Możliwa byłaby w krótkim czasie płynna modyfikacja orbity, co biorąc pod uwagę militarne podłoże przetargu, w niedalekiej przyszłości wpływałoby na zdolności prowadzenie operacji w kosmosie.

Natomiast interesującym zagadnieniem dotyczącym silników NTP dla nauki oraz ludności cywilnej byłaby szybkość, z jaką poruszałby się statek kosmiczny napędzany nuklearnym silnikiem termicznym. Zdaniem NASA przykładowa podróż na Marsa mogłaby zostać skrócona do czterech lub trzech miesięcy, co znacząco ograniczyłoby zgubny wpływ podróży na zdrowie załogi m.in. poprzez redukcję narażenia na niebezpieczne promieniowanie kosmiczne. Z kolei sam napęd, pomimo tego, że wykorzystywałby reaktory jądrowe, byłby bezpieczny dla osób znajdujących się na statku, dzięki odpowiedniemu ekranowaniu rdzenia.

Niemniej z powodu dość specyficznego działania wyżej wymienionego silnika, start takowej rakiety z użyciem NTP z powierzchni Ziemi byłby nieakceptowalny pod względem środowiskowym. Z tego powodu uruchomienie silnika nuklearnego następowałoby dopiero na niskiej orbicie okołoziemskiej, po opuszczeniu gęstych warstw atmosfery.

KomentarzeLiczba komentarzy: 28
PiotrEl
wtorek, 5 października 2021, 13:47

Z tego co czytałem na runecie pierwsza wersja HOLOWNIKA będzie miała napęd jonowy z gazem roboczym ksenonem (10 ton). Mają ogromne doświadczenie w tym obszarze 80 procent silników jonowych latających w kosmosie jest ich produkcji. Tutaj im dalej tym szybciej 10 ton ładunku na orbitę wokół księżyca 200 dni. Lot na orbitę Jowisza przez Wenus (żeby było szybciej). Jednocześnie opracowują plazmowy i tutaj paliwo ma postać stałą walca o masie 10 ton charakterystyki mają być znacznie lepsze. Jeśli zdążą poleci ten. Oficjalny lot 30 - tym ale próby w kosmosie w połowie 20-tych. Acha Imperator Darth Putin ;) oglądał postępy budowy na przełomie września i października 2021 i był bardzo zadowolony.

Davien
piątek, 8 października 2021, 17:19

Pietia i dalej opowiadasz bajki jak zwykle:) Silniki jonowe to akurat domena zachodu, a nei zacofanej Rosji. A rosyjski silnik VASIMIR nie ma paliwa stałego ale ciekle( wodór) , no ale czego sie spodziewac....

a
środa, 13 października 2021, 20:48

A ty zanim się wypowiesz to poczytaj ale ze zrozumieniem - nie wiesz o czym piszesz.

Eytu
wtorek, 5 października 2021, 17:20

Jedna uwaga - zasada trzech liter - ach, aha. Nie acha. Pęd za prędkością w przypadku układu słonecznego uważam za bezowocny. Trzeba zmarnować tę samą energię na hamowanie. Natomiast szybki lot przyda się do podróży międzygwiezdnych satelitów z androidami na pokładzie. Wraz z prędkością rośnie ryzyko trafienia w międzygwiezdne "skały". Może pewnym pomysłem będzie umieszczenie wielkich statków kosmicznych z paliwem na L3, L4, oraz L5. Oraz statków pomocniczych na orbicie ziemskiej ( ich lot nie będzie stabilny, będą musiały marnować paliwo do korygowania znoszenia na punkty libracyjne). Po co te statki kosmiczne? Jeżeli mamy mieć jakąś misję na Marsa, dobrze byłoby zabezpieczyć się 100-ma zapasowymi statkami. Inaczej to misja raczej samobójcza albo rosyjska ruletka. Margines bezpieczeństwa pasażerskiej wyprawy jest dużo bardziej wymagający nawet od drogich satelitów.

PiotrEl
poniedziałek, 4 października 2021, 12:08

Łatwo polemizować z ludźmi którzy "wiedzą wszystko" a lenią się wpisać w wujka Google np "radzieckie reaktory jądrowe na satelitach" albo krócej RORSAT albo jak ktoś zna żuczki yo YC-A. Nie istniejących satelitów z reaktorem było około 35. Masa 3,8 tony reaktor 1,25 tony.

Davien
piątek, 8 października 2021, 17:20

I zaden z tych przestarzałych i dawno wyłaczonych satelitów nie miał reaktora na ciekły metal:) Energię zapewniał im generator termoelektryczny BE-5

Eytu
poniedziałek, 4 października 2021, 21:52

Tak, ale w tym przypadku Rorsaty miały reaktor atomowy do produkcji prądu. Niestety samym prądem nie da się podróżować (potrzebne jest medium napędowe). I tutaj jest główne pole do popisu co będziemy rozpędzać do wielkich prędkości - czy gaz szlachetny czy inny.

PiotrEl
piątek, 1 października 2021, 11:16

ZSRR wysyłał satelity do nadzorowania oceanów z reaktorem chłodzonym ciekłym metalem i mocy 10 kW w 70-tych i 80-tych. Amerykanie takich mocy nie do ciągali dlatego kupili w latach 90-tych za 20 mln USD. Zmodernizowali i obecnie prezentują jako zasilanie bazy księżycowej i zapewne tych rakiet o mocy cieplnej 15 kW. To że Francja czy USA coś pierwsze zrobiła na ziemi nie mówi nic o tym że potrafi samodzielnie zrobić w kosmosie. Co do Zues (poprzednio Nukleon) jego głównym celem jest orbita Jupitera (Zeus dla Rzymian), Wenus, Księżyc itd. Wszystkie jego elementy były testowane (w mniejszej skali) w kosmosie. Koszt samego Zeusa (wg kursu rubel / dolar z 2019) to 1,2 mld USD. Pieniądze z budżetu poszły - jest budowany w metalu z określonymi datami lotów próbnych. Poleci szybciej niż USA wróci na księżyc. Masa 20 ton z tego 10 ton paliwo. Okres użytkowania reaktora do 10 lat. Możliwość wielokrotnego tankowania paliwa. Moc cieplna reaktora 2 MW, elektryczna 0,5 MW. Chłodzenie gazem (rosjanie wiedzą dlaczego metal jest gorszy - USA się dowie w praktyce).

GB
sobota, 2 października 2021, 23:44

Póki co to jedyny postęp w Rosji to zmiana nazwy holownika z Nukleon na Zeus. Podobnie było z nowym statkiem kosmicznym - najpierw nazywał się Federacja, obecnie Orzeł. I nadal go nie widać w realu.

bender
piątek, 1 października 2021, 16:44

"Poleci szybciej niż USA wróci na księżyc". Załogowa i powtarzalna misja na Księżyc, to o wiele większy stopień komplikacji niż bezzałogowy holownik kosmiczny, ale i tak Amerykanie mają szansę być szybsi. Wg. najnowszych planów misja Artemis 1 z SLS i statkiem kosmicznym Orion zostanie wystrzelona w styczniu 2022. Poleci sobie za Księżyc i wróci na Ziemię. Artemis 2 w 2023 i Artemis 3 z lądowaniem na Księżycu w 2024.

Davien
piątek, 1 października 2021, 14:48

Dziecko, pierwszy reaktor na ciekły metal powstał w USA w 1951r wiec to raczej rosja wykradła technike takich reaktorów. USA zaawansowane reaktory na ciekły metal USa opracowało samo w latach 80-tych i to na poziomie dla Rosji ciagle nieosiagalnym. Żaden rosyjski reaktor na ciekły metal nie był uzywany w kosmosie, Rosjanie używali ogniw RTG a satelity US-A o jakich piszesz zasilał generator termoelektryczny BES-5 a nie ajkiś reaktor na ciekły metal . Miał moc 100kW( cieplną) i 1-5kW(elektryczna) Masz cos jeszcze do dodania?

Eytu
czwartek, 30 września 2021, 18:22

PS> Przyszłością może być napęd laserowy. Dwie wielkie elektrownie nuklearne przy biegunach Księżyca mogą stanowić zasilanie laserów. Lasery celując w satelity ze specjalnymi osłonami odbijającymi laser będą przyśpieszać - ciśnienie promieniowania. Obracając lustra pod symetrycznymi kątami będzie można hamować. Efektywność hamowania będzie dużo mniejsze od przyśpieszania ( kąt nachylenia lustra do hamowania będzie bardzo ostry) Dlaczego lasery na biegunach? Księżyc stosunkowo wolno obraca się wokół Ziemi oraz wokół swojej osi - łatwo celować laserami na biegunach dodatkowo nie ma atmosfery, rozpraszającej promienie lasera.

Eytu
środa, 29 września 2021, 17:42

Tu jest pole do zastosowania satelitów na dwa napędy nuklearno-termonuklearny - combo:). Mały reaktor podgrzewałby wodę która tradycyjnie poruszałaby turbiną. Woda stygłaby w rurach oddając promieniowanie cieplne w kosmos. Prąd napędzałby elektromagnesy HTS - nadprzewodniki. W tokamaku ściśnięta plazma z wodoru ( deuteru i trytu ) podgrzana byłaby do bardzo dużej temperatury , anie niższej od fuzji. Do stabilizacji plazmy tradycyjnie prąd przepuszczony przez plazmę. W pewnym momencie otwierałyby się pewne segmenty tego tokamaka i w pewnym sensie niekontrolowane rozbryzgi plazmy, które stanowią probelm na Ziemi, w kosmosie mogłyby tworzyć siłę odrzutu o wielkiej energii i małej masie.

Tweets Space24