Ядерный реактор для марсианской заставы может быть готов к запуску к 2022 году

Художник

Художественная иллюстрация системы деления энергии на поверхности Марса, использующей четыре 10-киловаттных блока. (Изображение предоставлено НАСА)



Члены проектной группы заявили, что новый тип ядерного реактора, предназначенный для обеспечения энергией форпостов на Луне и Марсе, может быть готов к первому космическому испытанию всего через несколько лет.



Летные испытания - это следующий большой шаг для экспериментального реактора деления Kilopower, который прошел серию критических наземных испытаний с ноября 2017 года по март 2018 года. Демонстрация за пределами Земли еще не запланирована, но Kilopower должна быть готова к работе к 2022 году. Или так, если потребуется, - сказал Патрик МакКлюр, руководитель проекта Kilopower в Национальной лаборатории Лос-Аламоса Министерства энергетики (DOE) в Нью-Мексико.

«Я думаю, что мы сможем сделать это за три года и будем готовы к полету», - сказал МакКлюр в конце прошлого месяца во время презентации с рабочей группой НАСА по будущим космическим операциям.



«Я думаю, что три года - это вполне выполнимые сроки», - добавил он, подчеркнув, что это его мнение, не обязательно мнение НАСА, которое вместе с Министерством энергетики разрабатывает проект Kilopower.

Связанный: См. Следующее поколение ядерной энергии для миссий на Марс (видео)

Другой вид ядерной энергетики в космосе

Ядерная энергия использовалась в космических аппаратах на протяжении десятилетий. Зонды НАСА Voyager 1 и Voyager 2, космические аппараты New Horizons и марсоход Curiosity, наряду со многими другими роботами-исследователями, используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG), которые преобразуют тепло, выделяемое при радиоактивном распаде плутония-238, в электричество.



Выходная мощность РИТЭГов относительно невысока. Например, тот, который используется Curiosity и предстоящим марсоходом NASA Mars 2020, генерирует около 110 Вт электроэнергии в начале миссии. (Этот результат со временем медленно снижается.)

К марсианский форпост с экипажем будет иметь значительно более высокие потребности в энергии, чем это: около 40 киловатт постоянно доступной электроэнергии (40 кВтэ), даже для небольшой исследовательской станции, которую НАСА планирует создать к концу 2030-х годов, сказал МакКлюр. В конце концов, пионерам понадобится электричество для очистки воды и получения кислорода из углекислого газа. Марсианская атмосфера , заряжать вездеходы, обогревать жилища и т. д.

Поэтому исследование Марса человеком потребует иной стратегии производства энергии. И здесь на помощь приходит Kilopower.



Подобно атомным электростанциям, спроектированным так, чтобы оставаться на Земле, Kilopower - это реактор деления . Он преобразует тепло, выделяемое при расщеплении атомов, в электричество с помощью устройств, называемых двигателями Стирлинга. (А атомные электростанции, напротив, обычно используют это тепло для создания пара, вращающего турбину.)

По словам МакКлюра, в серии наземных испытаний, завершившихся в марте 2018 года, которая была известна как KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology), реактор преобразовал 30% тепла деления в электричество. Этот КПД превосходит эффективность РИТЭГов, которые преобразуют около 7% доступного тепла.

«Это было чрезвычайно успешное испытание», - сказал МакКлюр.

Проект Kilopower официально стартовал в 2015 году, но его архитекторы подтвердили основную концепцию еще в 2012 году с помощью эксперимента под названием «Демонстрация с использованием расщепления с плоской вершиной» (DUFF). И да, любители «Симпсонов», ребята из Kilopower - ваши люди: DUFF и KRUSTY - это отсылки к культовому анимационному телешоу. Член команды проекта Дэйв Постон - большой поклонник, сказал МакКлюр. (Для непосвященных Дафф - пиво, любимое Гомером Симпсоном, а дегенеративный, уклоняющийся от налогов клоун Красти ведет детское телешоу во вселенной «Симпсонов».)

Связанный: Человеческая миссия НАСА на Марс потребует жизни за пределами земли

Собираетесь на Марс?

Как следует из названия, реактор Kilopower разработан для выработки не менее 1 киловатта электроэнергии (1 кВтэ). По словам МакКлюра, его мощность масштабируется примерно до 10 кВтэ, и он может работать около 15 лет.

Таким образом, четыре увеличенных реактора Kilopower могут удовлетворить потребности исследователей НАСА в энергии, а пятый реактор, вероятно, приземлится в качестве запасного. Эти устройства меньше, чем вы думаете. Вся машина мощностью 10 кВт будет иметь высоту всего 11 футов (3,4 метра), а компонент реактора будет размером с металлический мусорный бак старой школы. По словам МакКлюра, одна активная зона реактора без какой-либо защиты была бы размером с рулон бумажных полотенец.

Тем не менее, эти штуки тяжелые. С защитой весь реактор мощностью 10 кВт, вероятно, будет весить около 4400 фунтов. (2000 килограмм). По словам МакКлюра, часть этой массы можно было бы уменьшить, если бы реактор был заглублен и, следовательно, не требовал бы такой большой защиты астронавтов. (Без защиты реактор мощностью 10 кВт весил бы около 3300 фунтов или 1500 кг.)

Он подчеркнул, что реакторы Kilopower будут вполне безопасными. Устройства не будут включены, пока они не достигнут глубокого космоса, поэтому не будет угрозы опасного радиационного облучения, даже если ракеты реакторов рухнут обратно на Землю. (Между прочим, переключение переключателя не обязательно всегда происходит на поверхности Луны или Марса; реактор Kilopower достаточно гибок, чтобы его можно было включить в зонд дальнего космоса без особых модификаций, что значительно помогает электрическая силовая установка - сказал МакКлюр.)

Кроме того, Kilopower саморегулируется, сказал МакКлюр. Если реактор становится слишком горячим, его двигатели Стирлинга отводят больше тепла от урановой активной зоны. А если температура падает слишком сильно, ядро ​​естественным образом сжимается, захватывая больше нейтронов и вызывая больше столкновений при расщеплении атомов.

Между прочим, квартет действующих реакторов может дать марсианскому форпосту ощущение настоящего отпуска. Эти устройства должны будут сбрасывать много «лишнего» тепла в воздух Красной планеты; эффективность преобразования 30% означает, что в конце концов остается 70% тепла деления. Так что они будут оснащены радиаторами. Выдающийся дизайн предусматривает широкие круглые радиаторы в верхней части реакторов, что придает им вид пляжного зонтика.

Скоро будет?

Команда Kilopower начала расследование возможных демонстрационных миссий вскоре после того, как KRUSTY завершил свою работу, сказал МакКлюр.

«Первое, что нам бросили, - это потенциальный посадочный модуль на Луну, поэтому мы действительно рассмотрели, какой будет потенциальная лунная система», - сказал он.

Эта концептуальная миссия, вероятно, не закончится полетом, добавил МакКлюр; он нацелился на северный полюс Луны, тогда как внимание НАСА к исследованиям с экипажем теперь сосредоточено на южном полюсе Луны. (Агентство планирует высадить космонавтов в южном полярном регионе к 2024 году в рамках Программа Artemis «Но команда приветствовала бы космическую миссию, если НАСА действительно ее запустит», - сказал МакКлюр.

«Мы взволнованы», - сказал он. «Мы с нетерпением ждем возможности сделать что-нибудь новое, помимо этого».

По его словам, Kilopower - это первый по-настоящему новый реактор деления, разработанный в США за последние 40 лет. Доставить его в космос, безусловно, было бы важной вехой, но проект не проложил бы совершенно новую землю.

В конце концов, реакторы деления покинули Землю. США запустили на орбиту один реактор на борту экспериментального спутника SNAP-10A в апреле 1965 года (отказ электрического компонента остановил этот реактор всего через 43 дня). А Советский Союз запустил более 30 реакторов деления на борту спутников из разных стран. 1967 - конец 1980-х гг.

Книга Майка Уолла о поисках инопланетной жизни », Там '(Grand Central Publishing, 2018; иллюстрировано Карл Тейт ), сейчас нет. Следуйте за ним в Твиттере @michaeldwall . Следуйте за нами на Twitter @Spacedotcom или Facebook .