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
...
środa, 29 września 2021, 11:28

To stary odgrzany projekt z lat 50/60. Reaktory tego typu nie maja sensu w kosmosie. Czekamy na ITER?

AB
środa, 29 września 2021, 14:40

I dlatego bo to nie ma sensu, Rosjanie budują jonowowy holownik o napędzie nuklearnym?

NE
środa, 29 września 2021, 22:36

Trudno powiedzieć co to jest sam zobacz NUKLON SPACESHIP cześć ma być uzbrojona w laser czy maser

AB
czwartek, 30 września 2021, 21:28

Prawdopodobnie przykrywka dla konstrukcji broni mikrofalowej do obezwładniania satelitów, to w pierwszej kolejności. Potem po 2030 ewentualnie holownik opartu o większy reaktor.

PiotrEl
środa, 29 września 2021, 10:53

Rosjanie na holownik Zeus będą mieli reaktor o mocy cieplnej 2 Mw i elektrycznej 0,5 MW. Silnik jonowym albo plazmowy - w archaiczne technologie nie idą. USA w dziewięćdziesiątych kupili z Rosji planu sowieckiego reaktora 10 kW chłodzonego ciekłym metalem (Zeus ma chłodzenie gazem). Pewnie "własny" będzie miał naście kW.

Davien
środa, 29 września 2021, 14:46

To obalamy mity: Pierwszy reaktor chłodzony ciekłym metalem to USA rok 1951. Wiec czyzby to ZSRS musiało wykradac plany takiego reaktora ze Stanów? Francuzi w 1980r mieli reaktor na ciekły metal o mocy 1200MW wiec cosnie tak ci wyszło:)) A Zeus to jak na razie czysta fantaztyka bo rosyjski silnik nuklearny ma ciąg 11N wiec może latarke by poruszył:))

franek
czwartek, 30 września 2021, 23:13

Dokładnie jak piszesz Davien- Pierwsza energia elektryczna z reaktora typu LMFR/LMFBR (ang. Liquid Metal Fast Breeding Reactor (LMFBR)została wygenerowania 20 grudnia 1951 w badawczej instalacji EBR-I w Argonne National Laboratory w USA

AB
środa, 29 września 2021, 14:41

Na razie nie będą mieli. Może po 2030.

robercik
czwartek, 30 września 2021, 23:14

W Rosji z kasą cienko ciężko dyszą z nowinkami za USA i Chinami

kaczkodan
środa, 29 września 2021, 00:10

Nie ma niczego w niebezpiecznego w starcie takich rakiet z powierzchni Ziemi. Ilość odpadów która się wytworzy w tak krótkim czasie pracy jest mikroskopijna, przy wielokrotnych startach paliwo można często wymieniać i zużywać do końca w normalnej elektrowni. Przy starcie z oceanu praktyczne ryzyko skażenia wynosi 0. Tylko że rakiety chemiczne są tańsze. I drobny reality check. ISP uzyskiwany za pomocą wodoru to około 1000 sekund, ale sam reaktor dodaje 2 tony. Czyli dla napędu poniżej 4 ton napęd tlenowo-wodorowy jest lepszy. Uwzględniając cenę - znacznie lepszy. Ponieważ największym ograniczeniem autonomiczności jest przechowywanie wodoru w stanie ciekłym, nie ulegnie ona poprawie. Aby ją zwiększyć warto skorzystać z silników na ciekły metan. Wygląda to na akcję wykaszania SpaceX z rynku usług aerokosmicznych: przy obecnych cenach wynoszenia znacznie lepiej jest wykorzystać paliwo chemiczne.

sowa
środa, 29 września 2021, 10:04

Chodzi o potencjalne skażenie paliwem jądrowym (ziemi i morza ...). Gdyby awaria nastąpiła na kosmodromie, to trzeba by wybudować nowy, a stary przykryć sarkofagiem. Gdyby rakieta spadła do morza organizacje ekologiczne (i nie tylko) doprowadziłyby do tak wielkich odszkodowań, że całą NASA trzeba by przykryć sarkofagiem i na dłuższy czas zapomieć o jej istnieniu.

olo
wtorek, 28 września 2021, 23:05

Silniki jonowe są bardzo efektywne na dalekich dystansach. Kwestia tylko czasu przeznaczonego na podróż. Dlatego nadają się do transportu cargo.

;)))
środa, 29 września 2021, 11:21

Np gdyby ktoś zamówił pizzę na Ganimedesa albo Plutona...

czesioczesław
wtorek, 28 września 2021, 21:03

Ten kto wróci na księżyc zyska sporą przewagę,takie napędy mogą być odpalane z jego powierzchni bez troski o środowisko.Jakaś winda lub inny tani transport na księżyc,tam budowa na miejscu pojazdu który zyska przewagę nad wystrzelonym z ziemi przez olbrzymią oszczędność energii.

Davien
niedziela, 3 października 2021, 14:39

Na Ksiezyc wrócic moze jedynie USA, ani Rosja, ani Chiny nigdy tam nie były.

Tweets Space24