Czy energia jądrowa to przyszłość misji kosmicznych? [WYWIAD]

Wojciech Kaczanowski, redaktor Space24.pl: Na czym polega zasada działania napędów NEP (Nuclear Electric Propulsion) i NTP (Nuclear Thermal Propulsion) i jakie są kluczowe różnice między tymi dwoma systemami?

Zacznijmy od przyziemnego przykładu, który wprowadzi nas do tematyki napędów odrzutowych, wykorzystywanych w przestrzeni kosmicznej. Jeśli człowiek chce wstać z fotela i przejść kawałek używa do tego nóg, które odpychają nas od ziemi. Wywołując nacisk jesteśmy w stanie się unieść. Następnie, aby przejść określony dystans nasze stopy odpychają się od płaszczyzny i zaczynamy przyspieszać. Odepchnięcie się jest w tym procesie kluczowe – dzięki niemu jesteśmy w stanie się poruszyć.

Na Ziemi jest to łatwo sobie wyobrazić, ale co w przestrzeni kosmicznej? Konstantin Ciołkowski udowodnił, że można się odpychać od rzeczy, które są na pokładzie pojazdu. Przeprowadził eksperyment myślowy: stojąc w łódce pełnej kamieni, po kolei je wyrzucał, odpychając od nich łódkę.

Doprowadziło to do budowy silników rakietowych, w których materiał pędny (paliwo – red.) jest spalany, a wyrzucana materia sprawia, że ciało przemieszcza się w stronę przeciwną. Ilość materiału pędnego w statkach kosmicznych jest jednak ograniczona przez pojemność zbiorników, przez co jego wykorzystanie musi być jak najbardziej efektywne. Miarą jakości zużycia materiału pędnego jest prędkość, z którą wyrzucamy materię. Nazywamy to impulsem właściwym.

W katalogach silników rakietowych impuls właściwy jest podawany w dwóch jednostkach: metry na sekundę (prędkość) oraz sekundy, które wynikają z podzielenia przez współczynnik „g” = 9,81 m/s² (przyspieszenie ziemskie – red.). Im większy jest impuls właściwy, tym lepiej.

Drugą miarą, która charakteryzuje silniki kosmiczne, jest ciąg, czyli z jaką działa siłą. Wśród technologii kosmicznych są silniki, które mają bardzo wysoki impuls właściwy, ale z bardzo małym ciągiem. Takim przykładem są silniki jonowe. Z kolei dobrze nam znane chemiczne silniki rakietowe mają mały impuls właściwy, ale wytwarzają bardzo duży ciąg. Nie mamy obecnie technologii, która zapewnia wysokie parametry w obu przypadkach.

Wróćmy teraz do naszych silników NEP i NTP, które różnią się m.in. wspomnianymi wyżej parametrami. Pierwszy ma duży impuls właściwy, ale wytwarza mały ciąg, a drugi odwrotnie. Wspólnym mianownikiem jest źródło energii, którym są reakcje jądrowe. Zasada rozpędzania materiału pędnego jest jednak inna, a zatem przechodzimy do różnicy w sposobie działania tych silników.

W NTP ciepło powstaje dzięki kontrolowanemu rozszczepieniu uranu. Ciepło to ogrzewa gaz lub paliwo ciekłe, przechodzące przemianę fazową w gaz. W obu przypadkach prowadzi to do powstania gazu o wysokim ciśnieniu.

Następuje rozprężenie i wyrzucenie przez dyszę silnika, co powoduje wytworzenie ciągu. Ciąg jest duży, ale impuls właściwy pozostaje mały.

W NEP natomiast reaktor jądrowy generuje energię cieplną, która następnie jest przetwarzana na energię elektryczną. Ta z kolei zasila silniki przyspieszające cząstki materii siłą elektryczną; które wyrzucane, wytwarzają ciąg. W tym przypadku impuls właściwy jest wysoki, ale ciąg niewielki.

W jakich typach misji kosmicznych NEP sprawdza się lepiej, a w jakich NTP ma przewagę, i z czego wynikają te różnice?

W kontekście napędów kosmicznych należy przypomnieć zasadę, że energia, która dociera do paneli słonecznych, maleje z kwadratem odległości statku kosmicznego od Słońca. W nauce bardzo popularne są misje międzyplanetarne, podczas których badamy ciała niebieskie bliższe i dalsze Słońcu. Wyobraźmy sobie misję na Saturna – znajdujemy się bardzo daleko od naszej gwiazdy, więc musimy mieć inne źródło energii. Chcemy ponadto, aby była ona jak najefektywniej wykorzystana. NEP jest w tym przypadku genialnym rozwiązaniem, ponieważ charakteryzuje się wysokim impulsem właściwym, więc zużywa niewiele paliwa, posiadając jednocześnie niemal niewyczerpane źródło energii na pokładzie.

NTP natomiast sprawdziłby się, startując z różnych planet Układu Słonecznego. Potrzebujemy wówczas dużego ciągu, a na tym polu NTP ma przewagę nad NEP. Zużycie paliwa jest tu jednak gorsze. Zaznaczę jednak, że przygotowanie każdej misji kosmicznej wymaga starannego projektowania i badania, również w kontekście napędu. Każde rozwiązanie inżynierskie wiąże się z ryzykiem.

Przykładowo, napęd NEP w teorii mógłby nam ograniczyć wielkość paneli słonecznych, które mogą nie rozłożyć się w pełni lub zostać uszkodzone przez mikrometeoryty. Z drugiej strony NEP jest systemem bardzo skomplikowanym. Ale współczesna inżynieria to gra ryzykiem.

Często podkreśla się, że napędy nuklearne mogą znacząco skrócić czas podróży na Marsa. Obecnie taki lot trwa około 8–9 miesięcy, co wynika głównie z ograniczonej ilości paliwa. Nie jesteśmy w stanie przyspieszać statku kosmicznego przez cały czas lotu, ponieważ silniki mogą pracować jedynie przez krótki okres, na jaki pozwalają zasoby paliwa. Należy również pamiętać o drodze powrotnej.

Napędy nuklearne umożliwiają skrócenie czasu podróży nawet o połowę, ponieważ pozwalają na uzyskanie większych przyspieszeń. Jest to możliwe dzięki efektywniejszemu wykorzystaniu tego samego paliwa, co ponownie prowadzi do kluczowego pojęcia impulsu właściwego.

Czy są jakieś inne wyzwania technologiczne?

W obu przypadkach wyzwaniem technologicznym jest maksymalizacja wydajności przekształcania energii – od wytworzenia po wyrzucenie materii. Energia użyteczna reaktora jądrowego wydziela się w formie ciepła, które trzeba przetworzyć w energię kinetyczną.

W przypadku NTP proces ten jest relatywnie prosty: ciepło bezpośrednio powoduje wzrost ciśnienia gazu, co prowadzi do zwiększenia prędkości wyrzutu przez dyszę. Liczba etapów pośrednich jest mniejsza.

W NEP natomiast łańcuch konwersji energii jest dłuższy: najpierw ciepło z reaktora musi zostać zamienione na energię elektryczną, która następnie jest wykorzystywana do wytworzenia pola elektrycznego. W tym polu jony są rozpędzane, by zostać wyrzucane z dyszy z dużą prędkością. Każdy dodatkowy etap zwiększa złożoność systemu.

Wyzwaniem technologicznym może być również przegrzanie systemu. W obu przypadkach reaktor jądrowy wytwarza ciepło, a dodatkową dawkę zapewniają promienie słoneczne. Jak wspomniałem, wyżej, każda misja kosmiczna wymaga starannego projektowania i zadbania o najdrobniejsze szczegóły. W trosce inżynierów powinno leżeć zbilansowanie parametrów. Elektronika, z którą pracujemy, najlepiej radzi sobie między około -10°C a 50°C. Temperatura w wybranych elementach statków kosmicznych nie powinna zatem przekraczać temperatury pokojowej.

Jak wygląda kwestia bezpieczeństwa przy projektowaniu, testowaniu i eksploatacji tych napędów?

Biorąc pod uwagę wyłącznie sam reaktor jądrowy, w obu przypadkach występuje pewne zagrożenie. Moim zdaniem większe ryzyko uszkodzenia reaktora, np. w wyniku wybuchu, jest w przypadku napędu NTP, w którym praca opiera się na podgrzewaniu. Dbając o bezpieczeństwo, inżynierowie muszą zastosować odpowiednie materiały, które będą odporne na wysokie temperatury powstające w wyniku kontrolowanego rozszczepienia uranu. Silniki NEP są spokojniejsze i ryzyko wybuchu jest mniejsze.

Zanim zbudujemy napęd kosmiczny, przeprowadzane są testy na podsystemach. W przypadku NEP możemy przetestować segment elektryczny zupełnie niezależnie, podłączając do źródła prądu. Cały system integruje się dopiero na sam koniec. W NTP natomiast trudniej jest wyodrębnić poszczególne elementy, więc liczba testów może być większa.

Zarówno Stany Zjednoczone, jak i Chiny we współpracy z Rosją planują umieścić reaktor jądrowy na Księżycu do 2030 roku. Czy Pana zdaniem ta data jest osiągalna?

Moim zdaniem jest to możliwe, a wszystko sprowadza się do finansowania (śmiech). Po co nam elektrownia jądrowa na naturalnym satelicie? Na Księżycu dzień i noc trwają po 14 dni. W nocy jest bardzo zimno i nie ma skąd czerpać energii. Jeśli ludzkość chce zbudować stałą infrastrukturę badawczą, w której astronauci będą mogli pracować, niezbędne będzie źródło energii, tj. reaktor nuklearny.

Na Księżycu są jednak obszary okołobiegunowe, gdzie mamy bardzo długi dostęp do światła słonecznego. Możliwe byłoby wówczas rozstawienie paneli słonecznych w pozycji pionowej, które pobierałyby promienie. Moim zdaniem kluczowa w pracach nad źródłami energii na Księżycu będzie analiza korzyści i kosztów. Tak ambitne projekty wymagają starannej analizy technicznej, ekonomicznej, aby w dłuższym terminie zapewnić opłacalność i bezpieczeństwo.

Dziękuję za rozmowę!