Udane próby reaktora jądrowego dla długich załogowych misji kosmicznych

O sukcesie poinformowano media 2 maja br. Podczas konferencji pracowej w Glenn Research Center w Cleveland. Pozytywnymi wynikami prób nowatorskiego reaktora pochwaliły się wtedy wspólnie NASA oraz wchodząca w skład Departamentu Energii USA National Nuclear Security Administration (NNSA).

KRUSTY to skrót od Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY - "reaktor mocy kilowatowej wykorzystujący technikę (silnika cieplnego) Stirlinga". Energię produkuje w oparciu o reakcję rozszczepiania jąder atomowych. Centralnym elementem reaktora jest stały rdzeń wielkości rolki ręcznika kuchennego, zbudowany z uranu-235. Powstałe w wyniku reakcji jądrowych ciepło przesyłane jest poprzez pasywne rurki sodowe i zasila wysokowydajne silniki Stirlinga, które zamieniają to ciepło na prąd. Całość wyposażona jest również w chłodnice, by pozbywać się nadmiaru ciepła.

Do tego by włączyć i wyłączyć system, w projekcie Kilopower wykorzystuje pręt z węglika boru, który pochłania neutrony. Kiedy pręt jest wyciągany, reaktor włącza się – neutrony zaczynają się swobodnie poruszać i dochodzi do rozszczepiania w reakcji łańcuchowej. Kiedy pręt jest wsunięty z powrotem do rdzenia reaktora, reakcja łańcuchowa zostaje zatrzymana.

Technologia skuteczna i bezpieczna

Testy reaktory KRUSTY odbywały się od listopada 2017 r. do marca 2018 r. w należącym do NNSA obiekcie w Nevadzie. W ramach prób symulowano m. in. awarię jednego lub większej liczby silników Stirlinga, czy uszkodzenie rur sodowych. System poradził sobie z tymi wyzwaniami bardzo dobrze.

Na koniec inżynierowie zaaranżowali 28 godzinną próbę, mającą przypominać pracę generatora energii podczas rzeczywistej misji kosmicznej. W ramach zadania włączono reaktor, rozgrzano go do pełnej mocy, a następnie wyłączono.

Przeprowadzone próby pokazały, że niewielki i lekki reaktor KRUSTY działa i może być optymalnym rozwiązaniem do stosowania podczas misji kosmicznych. Jednocześnie urządzenie pracuje stabilnie i jest bezpieczne. W przypadku wystrzeliwania w kosmos pojazdów wyposażonych w tego rodzaju urządzenie, nie będzie ono też stwarzać niebezpieczeństwa skażenia dla terenów otaczających kosmodrom. Reaktor można bowiem uruchomić dopiero wówczas, kiedy będzie on już w znacznej odległości od Ziemi.

W porównaniu do wykorzystywanych w niektórych bezzałogowych sondach kosmicznych radioizotopowych generatorów termoelektrycznych (RTG) KRUSTY jest rozwiązaniem bardziej efektywnym. Przede wszystkim jednak ten reaktor, w przeciwieństwie do RTG, można włączać i wyłączać w zależności od potrzeb, co stanowi jego ogromną zaletę.

Do czego?

Chociaż testy w Nevadzie prowadzono z wykorzystaniem reaktora o mocy na poziomie maksymalnie 1 kW, nic nie stoi na przeszkodzie by tę konstrukcję skalować, otrzymując urządzenie zdolne generować do 10 kW. Pojedynczy reaktor mógłby funkcjonować przez co najmniej 10 lat. Naukowcy szacują, że już cztery urządzenia KRUSTY wystarczyłyby do zaopatrzenia w prąd zamieszkiwanej przez ludzi bazy na Księżycu lub na Marsie.

Na powierzchni Srebrnego Globu posiadanie takiego źródła prądu dobrze zabezpieczałoby potrzeby astronautów podczas trwającej około 14 dni ziemskich księżycowej nocy, kiedy to używanie paneli fotowoltaicznych nie wchodzi w grę. Z tego samego powodu koncept ułatwi badania wnętrz wiecznie zacienionych kraterów w pobliżu biegunów naturalnego satelity Ziemi.

Kilopower daje nam możliwość wykonywania misji znacznie wyższych mocy i odkrywania zacienionych kraterów Księżyca. Kiedy zaczniemy wysyłać astronautów na długie pobyty na Księżycu i innych planetach, będzie to wymagało nowej klasy mocy, której nigdy wcześniej nie potrzebowaliśmy.

Na Marsie z kolei KRUSTY przyda się nie tylko nocą, ale również podczas burz pyłowych, które w znaczącym stopniu ograniczają dostęp światła słonecznego do powierzchni planety. Niemniej astronautów trzeba będzie chronić przed szkodliwym promieniowaniem takich reaktorów, bądź to obudowując je odpowiednimi materiałami, bądź też chowając je pod powierzchnią gruntu.

Kiedy udamy się na Księżyc, a ostatecznie na Marsa, prawdopodobnie będziemy potrzebować dużych źródeł energii niezależnych od Słońca, szczególnie jeśli chcemy żyć pod ziemią.

Przyszłość

Na razie nie są planowane dalsze testy naziemne systemu KRUSTY. Pracujący nad nim zespół chce natomiast w najbliższych latach przetestować jego działanie już podczas faktycznej misji kosmicznej. Być może dojdzie do tego przy okazji posadzenia średniej wielkości lądownika NASA na Księżycu około roku 2025.

W przyszłości oparte na tej koncepcji reaktory mają szanse zasilać również stację kosmiczną na orbicie okołoksiężycowej czy silniki jonowe sond kosmicznych badających odległe rejony Układu Słonecznego.

Do tej pory na rozwój projektu Kilopower Amerykanie wydali około 20 mln USD.