กำลังสร้างเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์สำหรับเที่ยวบินไปยังดาวอังคาร อันตรายอย่างไร?

เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์คืออะไร?

เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ (NRE) เป็นจรวดประเภทหนึ่ง

เครื่องยนต์ซึ่งใช้พลังงานฟิชชันหรือฟิวชันของนิวเคลียสเพื่อสร้างแรงขับของไอพ่น

ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์แบบดั้งเดิมโดยรวมก็คือการออกแบบประกอบด้วยห้องทำความร้อนที่มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งความร้อน ระบบจ่ายของไหลทำงาน และหัวฉีด สารทำงาน (โดยปกติคือไฮโดรเจน) จะถูกส่งจากถังไปยังแกนเครื่องปฏิกรณ์ โดยที่เมื่อผ่านช่องที่ได้รับความร้อนจากปฏิกิริยาการสลายตัวของนิวเคลียร์ จะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง จากนั้นจึงถูกโยนออกทางหัวฉีด ทำให้เกิดแรงขับของไอพ่น

การออกแบบ NRE มีหลากหลาย:เฟสของแข็งเฟสของเหลวและเฟสก๊าซ - สอดคล้องกับสถานะรวมของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ - ของแข็งละลายหรือก๊าซอุณหภูมิสูง (หรือแม้กระทั่งพลาสมา)

สนาม NERVA

เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์สถานะของแข็ง

ในเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ระยะโซลิด (SPNRD) จะมีสารฟิสไซล์อยู่เช่นเดียวกับในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทั่วไป มันถูกวางไว้ในส่วนประกอบแท่ง (แท่งเชื้อเพลิง) ที่มีรูปร่างซับซ้อนพร้อมพื้นผิวที่พัฒนาแล้ว ซึ่งทำให้สามารถให้ความร้อนกับของเหลวในการทำงานของก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพ (โดยปกติคือไฮโดรเจน แอมโมเนียน้อยกว่า) ซึ่งเป็นสารหล่อเย็นด้วย ทำให้องค์ประกอบโครงสร้างและส่วนประกอบเย็นลง

อุณหภูมิความร้อนถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิการหลอมละลายขององค์ประกอบโครงสร้าง (ไม่เกิน 3,000 K) ตามการประมาณการสมัยใหม่ แรงกระตุ้นเฉพาะของเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์โซลิดเฟสจะอยู่ที่ 850–900 วินาที ซึ่งสูงมากกว่าสองเท่าของเครื่องยนต์จรวดเคมีที่ทันสมัยที่สุด

ผู้ประท้วงภาคพื้นดินของเทคโนโลยี TfNRD ในศตวรรษที่ 20 ถูกสร้างขึ้นและประสบความสำเร็จในการทดสอบที่อัฒจันทร์ (โปรแกรม NERVA ในสหรัฐอเมริกา RD-0410 ในสหภาพโซเวียต)

TFYARD

เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์เฟสแก๊ส

เครื่องยนต์ไอพ่นนิวเคลียร์แบบใช้แก๊ส (GNRE) -เครื่องยนต์ไอพ่นประเภทแนวความคิดซึ่งแรงปฏิกิริยาถูกสร้างขึ้นโดยการปล่อยสารหล่อเย็น (สารทำงาน) จากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเชื้อเพลิงอยู่ในรูปก๊าซหรือพลาสมา เชื่อกันว่าในเครื่องยนต์ดังกล่าว แรงกระตุ้นจำเพาะจะอยู่ที่ 30–50,000 m/s

การถ่ายเทความร้อนจากเชื้อเพลิงไปยังสารหล่อเย็นส่วนใหญ่เกิดจากการแผ่รังสีซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในบริเวณอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม (ที่อุณหภูมิเชื้อเพลิงประมาณ 25,000 ° C)

เครื่องยนต์พัลส์นิวเคลียร์

ประจุอะตอมมีกำลังประมาณหนึ่งกิโลตันต่อในระหว่างการบินขึ้น พวกมันควรจะระเบิดด้วยอัตราหนึ่งประจุต่อวินาที คลื่นกระแทกซึ่งเป็นพลาสมาคลาวด์ที่กำลังขยายตัวนั้นควรจะได้รับโดย "ตัวดัน" ซึ่งเป็นแผ่นโลหะทรงพลังที่มีการเคลือบป้องกันความร้อน จากนั้นจึงสะท้อนออกมาเพื่อสร้างแรงผลักดันของไอพ่น

แรงกระตุ้นที่ได้รับจากแผ่นดันผ่านต้องถ่ายโอนองค์ประกอบโครงสร้างไปยังเรือ จากนั้นเมื่อระดับความสูงและความเร็วเพิ่มขึ้นความถี่ของการระเบิดจะลดลง ในระหว่างการบินขึ้นยานอวกาศต้องบินในแนวตั้งอย่างเคร่งครัดเพื่อลดพื้นที่การปนเปื้อนของกัมมันตภาพรังสีในชั้นบรรยากาศ

ในสหรัฐอเมริกาการพัฒนาอวกาศโดยใช้เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์พัลซิ่งดำเนินการตั้งแต่ปีพ. ศ. 2501 ถึง พ.ศ. 2508 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Orion โดย General Atomics ตามคำสั่งของกองทัพอากาศสหรัฐฯ

สำหรับโครงการ Orion ไม่เพียง แต่ทำการคำนวณเท่านั้นแต่ยังทดสอบเต็มรูปแบบ การทดสอบการบินของโมเดลเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยแรงกระตุ้น (วัตถุระเบิดเคมีทั่วไปใช้สำหรับการระเบิด)

ยานอวกาศ Orion project ภาพวาดของศิลปิน

ได้รับผลลัพธ์ที่เป็นบวกเกี่ยวกับความเป็นไปได้พื้นฐานของการควบคุมการบินของอุปกรณ์ด้วยพัลส์เอ็นจิ้น นอกจากนี้ เพื่อศึกษาความแข็งแกร่งของแผ่นฉุด ได้ทำการทดสอบกับ Enewetak Atoll

ในระหว่างการทดสอบนิวเคลียร์บนเกาะปะการังนี้ทรงกลมเหล็กเคลือบกราไฟต์วางอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของการระเบิด 9 ม. พบว่าทรงกลมยังคงสภาพเดิมหลังจากการระเบิดกราไฟต์ชั้นบาง ๆ ระเหย (ระเหย) ออกจากพื้นผิว

ในสหภาพโซเวียตมีการพัฒนาโครงการที่คล้ายกันพ.ศ. 2493–2513 อุปกรณ์ดังกล่าวมีเครื่องยนต์ไอพ่นเคมีเพิ่มเติมซึ่งขับเคลื่อนมันจากพื้นผิวโลก 30–40 กม. จากนั้นมันก็ควรจะเปิดเครื่องยนต์พัลส์นิวเคลียร์หลัก

ความทนทานเป็นปัญหาหลักหน้าจอดันที่ไม่สามารถทนต่อความร้อนมหาศาลจากการระเบิดของนิวเคลียร์ในบริเวณใกล้เคียง ในเวลาเดียวกันมีการเสนอวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคหลายอย่างเพื่อให้สามารถพัฒนาการออกแบบแผ่นดันที่มีทรัพยากรเพียงพอ โครงการไม่แล้วเสร็จ ไม่มีการทดสอบ NRM แบบพัลซิ่งจริงกับการระเบิดของอุปกรณ์นิวเคลียร์

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์ (NPP) ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าซึ่งในทางกลับกันจะใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องยนต์จรวดไฟฟ้า

โปรแกรมที่คล้ายกันในสหรัฐอเมริกา (โครงการ NERVA) คือปิดในปี 1971 แต่ในปี 2020 ชาวอเมริกันกลับมาที่หัวข้อนี้โดยสั่งให้มีการพัฒนาระบบขับเคลื่อนด้วยความร้อนนิวเคลียร์ (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) จาก Gryphon Technologies สำหรับผู้จู่โจมอวกาศทางทหารด้วยเครื่องยนต์นิวเคลียร์เพื่อลาดตระเวนในอวกาศบนดวงจันทร์และใกล้โลกด้วย ตั้งแต่ปี 2558 ทำงานในโครงการ Kilopower

ตั้งแต่ปี 2010 งานในโครงการนี้ได้เริ่มขึ้นในรัสเซียระบบขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์ระดับเมกะวัตต์สำหรับระบบขนส่งอวกาศ (ลากอวกาศ "Nuclon") เค้าโครงกำลังพัฒนาสำหรับปี 2021 ภายในปี 2568 มีการวางแผนที่จะสร้างต้นแบบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นี้ มีการประกาศวันที่วางแผนการทดสอบการบินของรถแทรกเตอร์อวกาศพร้อมโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ - พ.ศ. 2573

อำนาจ

ตามข้อมูลของ A.V. Bagrov, M.A. Smirnov และ S.A.Smirnov เครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์สามารถไปถึงดาวพลูโตได้ภายใน 2 เดือนและเดินทางกลับได้ใน 4 เดือนโดยมีค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิง 75 ตัน ไปยัง Alpha Centauri ใน 12 ปี และไปยัง Epsilon Eridani ใน 24.8 ปี

เครื่องยนต์นิวเคลียร์เป็นอันตรายหรือไม่?

ข้อเสียเปรียบหลักคืออันตรายจากรังสีสูงของระบบขับเคลื่อน:

• ฟลักซ์ของรังสีทะลุทะลวง (รังสีแกมมานิวตรอน) ในปฏิกิริยานิวเคลียร์
• การบรรทุกสารประกอบยูเรเนียมกัมมันตภาพรังสีสูงและโลหะผสม
• การไหลออกของก๊าซกัมมันตภาพรังสีด้วยของเหลวที่ใช้งานได้

การใช้การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์รัสเซียในภาคพลเรือนเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความปลอดภัยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จำเป็นต้องตรวจสอบความปลอดภัยของไอเสีย

การป้องกันของเครื่องยนต์นิวเคลียร์ขนาดเล็กนั้นน้อยกว่ายิ่งมีขนาดใหญ่ นิวตรอนก็จะทะลุเข้าไปใน "ห้องเผาไหม้" ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดทุกสิ่งที่อยู่รอบๆ กัมมันตภาพรังสี

ไนโตรเจนและออกซิเจนมีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตสั้นและไม่เป็นอันตราย คาร์บอนกัมมันตภาพรังสีเป็นสิ่งที่มีอายุยืนยาว แต่ก็มีข่าวดีเช่นกัน

คาร์บอนกัมมันตภาพรังสีถูกสร้างขึ้นในบรรยากาศชั้นบนโดยรังสีคอสมิก แต่ที่สำคัญที่สุดคือความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศแห้งเพียง 0.02 ÷ 0.04%

พิจารณาว่าเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีค่านี้ยังคงมีขนาดเล็กกว่าหลายคำสั่งเบื้องต้นสามารถสันนิษฐานได้ว่าไอเสียของเครื่องยนต์นิวเคลียร์ไม่อันตรายไปกว่าไอเสียของโรงไฟฟ้าถ่านหิน

พวกเขาจะใช้เครื่องยนต์นิวเคลียร์ในการบินอวกาศครั้งล่าสุดหรือไม่  

ใช่เมื่อต้นเดือนกุมภาพันธ์เป็นที่รู้กันว่า NASAจะทดสอบเครื่องยนต์นิวเคลียร์ล่าสุดสำหรับเที่ยวบินไปยังดาวอังคาร คาดว่าด้วยความช่วยเหลือจะสามารถไปถึงดาวเคราะห์สีแดงได้ในเวลาเพียงสามเดือน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจาก NASA และหน่วยงานอวกาศอื่น ๆ ทั่วโลกได้หารือเกี่ยวกับแผนการสร้างฐานที่อยู่อาศัยถาวรบนพื้นผิวของดวงจันทร์และดาวอังคาร

• ข้อดีของมันคืออะไร?

กุญแจสำคัญในการรับรองความเป็นอิสระและเพื่อลดต้นทุนในการก่อสร้างผู้เชี่ยวชาญของ NASA จึงพิจารณาเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติที่ทำให้สามารถใช้น้ำและทรัพยากรในท้องถิ่น ได้แก่ ดินหินและก๊าซจากชั้นบรรยากาศเพื่อสร้างอาคารฐานในสถานที่

เครื่องพิมพ์ที่คล้ายกันตามที่แสดงโดยประสบการณ์บนเครื่องบินสถานีอวกาศนานาชาติและบนโลกทำให้สามารถพิมพ์ได้เกือบทุกอย่างที่จำเป็นสำหรับชีวิตของชาวอาณานิคมบนดาวอังคารยกเว้นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของฐาน - แหล่งพลังงานซึ่งมีกำลังเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับเครื่องพิมพ์สามมิติ เช่นเดียวกับพลังงานและความร้อนฐานทั้งหมด

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของการเตรียมการของ NASA สำหรับการลงจอดบนดาวอังคารในปี 2035 บริษัท Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) ของอเมริกาจากซีแอตเทิลได้เสนอวิธีแก้ปัญหานั่นคือเครื่องยนต์ระบายความร้อนนิวเคลียร์ (NTP)

• เครื่องยนต์นิวเคลียร์จะเป็นอย่างไร?

USNT นำเสนอโซลูชันแบบคลาสสิก - นิวเคลียร์เครื่องยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นของไหลทำงาน: เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ผลิตความร้อนจากเชื้อเพลิงยูเรเนียม พลังงานนี้ให้ความร้อนไฮโดรเจนเหลวที่ไหลผ่านสารหล่อเย็น ซึ่งขยายตัวเป็นก๊าซและถูกไล่ออกผ่านหัวฉีดของเครื่องยนต์ ทำให้เกิดแรงขับ

หนึ่งในปัญหาหลักเมื่อสร้างประเภทนี้เครื่องยนต์ - ค้นหาเชื้อเพลิงยูเรเนียมที่สามารถทนต่อความผันผวนของอุณหภูมิภายในเครื่องยนต์อย่างกะทันหัน USNT กล่าวว่าได้แก้ไขปัญหานี้ด้วยการพัฒนาเชื้อเพลิงที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 2,400 องศาเซลเซียส

ชุดเชื้อเพลิงประกอบด้วยซิลิกอนคาร์ไบด์:วัสดุนี้ซึ่งใช้ในชั้นของการเคลือบโครงสร้างแบบไอโซทรอปิกทั้งสามจะสร้างกำแพงกั้นก๊าซที่ป้องกันการรั่วไหลของผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อปกป้องนักบินอวกาศ

• ความปลอดภัย

นอกจากนี้เพื่อป้องกันลูกเรือและในกรณีในสถานการณ์ที่ไม่คาดฝันเครื่องยนต์นิวเคลียร์จะไม่ถูกใช้ในระหว่างการส่งตัวจากโลก - มันจะเริ่มทำงานในวงโคจรเพื่อลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุหรือการทำงานที่ผิดปกติ

อ่านเพิ่มเติม

ดูภาพดาวอังคาร 8 ล้านล้านพิกเซล

การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด

นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าเหตุใดพืช Wolfia จึงเติบโตเร็วที่สุด