Будучи доцентом кафедры ядерной инженерии в Технологическом институте Джорджии, я совершенно очарован перспективой ядерного теплового движения и его потенциалом совершить революцию в космических путешествиях. Учитывая, что Марс находится в пределах нашего поля зрения, было бы немалым подвигом представить себе день, когда миссия с экипажем сможет добраться до Красной планеты вдвое быстрее, чем это потребовалось бы с обычными химическими ракетами.
НАСА намерено запустить пилотируемую экспедицию на Марс в течение следующих десяти лет, протяженность путешествия составит около 140 миллионов миль (или около 225 миллионов километров). Этот обширный путь на Марс может продлиться несколько месяцев или даже лет, если путешествовать туда и обратно.
Увеличенная продолжительность полета обусловлена традиционным использованием химического ракетного топлива. Однако инновационная технология, разрабатываемая агентством, известная как ядерная тепловая двигательная установка, использует ядерное деление и потенциально может значительно сократить время путешествия, потенциально сократив его вдвое.
Ядерное деление предполагает сбор невероятного количества энергии, выделяющейся при расщеплении атома нейтроном. Эта реакция известна как реакция деления. Технология деления хорошо зарекомендовала себя в производстве электроэнергии и на атомных подводных лодках, и ее применение для привода ракеты однажды может дать НАСА более быструю и мощную альтернативу ракетам с химическим приводом.
НАСА вместе с Агентством передовых оборонных исследовательских проектов (DARPA) совместно работают над разработкой технологии NTP. Их цель — запустить и продемонстрировать функциональные возможности прототипа системы в космосе к 2027 году, что может сделать его одной из новаторских моделей в своей категории, которые будут созданы и управляться Соединенными Штатами.
Космический корабль, оснащенный ядерным тепловым двигателем, может когда-нибудь защитить американские спутники как на орбите Земли, так и за ее пределами. Однако эта технология все еще находится в стадии активных исследований и разработок.
Будучи доцентом ядерной инженерии в Технологическом институте Джорджии, я и моя команда разрабатываем модели и симуляции для улучшения и точной настройки конструкций ядерных тепловых двигательных установок. Моя мечта и энтузиазм заключаются в том, чтобы внести свой вклад в разработку ядерного теплового двигателя, который мог бы обеспечить пилотируемую миссию на Марс.
Ядерная и химическая двигательная установка
Традиционные двигатели с химической тягой работают за счет сочетания топлива (например, водорода) с окислителем. Эта смесь воспламеняется, заставляя топливо выходить из сопла на высокой скорости, тем самым продвигая ракету вперед.
Эти системы работают без необходимости использования механизма зажигания, что делает их надежными. Однако этим космическим кораблям необходимо нести с собой кислород, что может увеличить их вес. В отличие от традиционных химических методов движения, ядерная тепловая двигательная установка использует реакции ядерного деления для нагрева топлива, которое выбрасывается из сопла для создания тяги или движения вперед.
В многочисленных процессах деления ученые направляют нейтрон к более легкой версии урана, называемой ураном-235. Этот атом урана поглощает нейтрон, в результате чего образуется уран-236. Уран-236 впоследствии распадается на две части – побочные продукты деления – и в результате этого процесса выделяются различные частицы.
Около 400 атомных электростанций, работающих сегодня во всем мире, в основном используют технологию ядерного деления. Большинство из этих действующих атомных электростанций используют легководные реакторы. В этих реакторах вода действует как замедлитель нейтронов, а также поглотитель и передатчик тепла. Эта вода может генерировать пар либо внутри активной зоны, либо в парогенераторе, который впоследствии приводит в действие турбину для выработки электроэнергии.
Термоядерные двигательные установки функционируют аналогично своим аналогам, но используют специальное ядерное топливо, содержащее более высокую концентрацию урана-235. Более того, они работают при значительно более высоких температурах, что обеспечивает им невероятную мощность и более компактную конструкцию. Примечательно, что плотность энергии термоядерных двигательных установок примерно в десять раз превышает плотность энергии обычных водоохлаждаемых реакторов.
Ядерные двигатели могут иметь преимущество перед химическими двигателями по нескольким причинам.
Быстрый выброс топлива через выхлоп двигателя создает сильную силу, которую мы называем высокой тягой. Этот интенсивный толчок позволяет ракете ускоряться быстрее.
Эти системы могут похвастаться значительной эффективностью использования топлива для создания тяги, о чем свидетельствует их высокий удельный импульс. Удельный импульс — это мера, позволяющая сравнить, насколько эффективно топливо используется для создания тяги. Примечательно, что ядерные тепловые двигательные установки демонстрируют примерно вдвое больший удельный импульс по сравнению с химическими ракетами, что потенциально сокращает время полета вдвое.
История ядерных тепловых двигателей
Как энтузиаст игр, погружающийся в увлекательный мир космических исследований, я был заинтригован развитием технологии ядерных тепловых двигателей. На протяжении более четырех десятилетий наше правительство США было движущей силой его развития. За этот период между 1955 и 1973 годами были достигнуты замечательные успехи. НАСА, General Electric и Аргоннские национальные лаборатории сотрудничали для создания и наземных испытаний впечатляющих в общей сложности 20 ядерных тепловых двигательных установок.
Вместо этого в моделях до 1973 года в качестве топлива в основном использовался высокообогащенный уран. Сегодня этот тип топлива используется редко из-за опасений по поводу распространения ядерного оружия и распространения ядерных материалов и знаний.
Инициатива по уменьшению глобальной угрозы, инициированная Министерством энергетики и Национальной администрацией по ядерной безопасности, направлена на модернизацию многочисленных исследовательских реакторов, использующих высокообогащенное урановое топливо, для использования вместо него высококонцентрированного низкообогащенного урана (HALEU).
Проще говоря, высокопробный низкообогащенный уран (HALEU) содержит меньше расщепляющегося материала по сравнению с высокообогащенным ураном. Это означает, что для ракет требуется больше топлива HALEU, что делает двигатель тяжелее. Чтобы смягчить эту проблему, ученые изучают современные материалы, которые могут более эффективно оптимизировать использование топлива в этих реакторах.
Проект НАСА и DARPA «Демонстрационная ракета для маневренных цилунарных операций» (DRACO) направлен на использование высококонцентрированного невысокообогащенного урана в качестве топлива для своего ядерного двигательного двигателя. Ракету DRACO планируется запустить в 2027 году.
В рамках проекта DRACO Lockheed Martin сотрудничает с BWX Technologies в разработке реактора и ядерного топлива.
Чтобы обеспечить эффективность и безопасность, прототипы ядерных двигателей, созданные этими командами, должны соответствовать строгим стандартам производительности и безопасности. В частности, они должны содержать стабильное ядро, способное поддерживать работу на протяжении всей миссии и выполнять важные маневры, необходимые для быстрого путешествия на Марс.
Было бы идеально, если бы двигатель мог обеспечивать высокую тягу при небольшом весе, сохраняя при этом высокий уровень эффективности, о чем свидетельствует его способность достигать значительных изменений импульса с использованием меньшего количества топлива.
Текущие исследования
Чтобы создать двигатель, отвечающий всем этим требованиям, инженерам изначально приходится работать с теоретическими моделями и моделированием. Используя эти модели, такие эксперты, как члены моей команды, могут понять, как ведет себя двигатель во время процессов запуска и остановки. Эти процедуры включают резкие изменения уровней температуры и давления.
Чтобы разработать программное обеспечение для нового ядерного теплового двигателя, который отличается от существующих энергетических систем ядерного деления, инженерам придется разработать соответствующие инструменты, адаптированные к этому инновационному двигателю.
Наша команда отвечает за создание и исследование конструкций ядерных ракетных двигателей или тепловых реакторов с использованием математических моделей. Мы используем эти модели, чтобы предсказать, как такие факторы, как колебания температуры, могут повлиять на реактор и общую безопасность ракеты. Моделирование таких воздействий часто требует значительных вычислительных ресурсов, что может быть весьма дорогостоящим.
Мы сосредоточились на создании инновационных вычислительных методов, которые моделируют поведение этих реакторов во время запуска и нормальной работы, требуя при этом меньше вычислительных ресурсов.
Моя команда и я оптимистичны в отношении того, что наши исследования могут когда-нибудь привести к созданию самоуправляемых моделей, способных автономно управлять ракетой.
Смотрите также
- Что сказал Jaguar Wright о связи Бейонсе и Jay-Z с Diddy? Все, что мы знаем: пара отправляет юридическое уведомление с просьбой отстранить ее от интервью Пирса Моргана
- «Моя жизнь менялась»: Дэниел Калуя вспоминает встречу с коллегой по фильму «Черная пантера» Чедвиком Боузманом и то, как покойный актер помог ему
- Имеют ли Шон Дидди Комбс, Джей-Зи и Бейонсе какое-либо отношение к смерти Алии? Вирусная теория изучена
- Спойлеры больницы общего профиля: признается ли Сонни в убийстве?
- Оценка Metacritic ремейка Silent Hill 2 пугающе близка к оригиналу
- Пэрис Хилтон объясняет, почему СДВГ — ее суперсила, которая помогла ей добиться успеха; «Дал мне творческий потенциал, чтобы построить империю»
- Был ли Джон Амос уволен из хороших времен? Покойный актер рассказал о шокирующем уходе из шоу в старом интервью
- 10 лет спустя шедевр ужасов на выживание достиг совершенства в своей сдержанности
- Исследования показывают, что в ранней Вселенной было гораздо больше черных дыр, чем мы думали
- HBO только что тихо выпустил самое умное супергеройское шоу года
2024-10-13 18:58