فناوری هسته ای ما را سریعتر از همیشه به مریخ می رساند

لاکهید مارتین و BWX Technologies برنده جایزه 500 میلیون دلاری برای ساخت موتور موشک هسته ای شدند، این یک دنیای جدید برای انرژی هسته ای در فضا است.

دو سال پیش آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) تصمیم گرفت به جایی برود که قبلاً هیچ مردی نرفته است - و به طور خاص‌تر، به جایی برود که هیچ مرد (یا زنی) قبلاً نرفته است، به گونه‌ای که هیچ انسانی هرگز سفر نکرده است.

سفر به مریخ توسط سفینه فضایی هسته ای!

دارپا با ارائه 27.6 میلیون دلار شرکت های General Atomics ،Blue Origin و Lockheed Martin (LMT 0.32%) را در یک پروژه 18 ماهه برای طراحی موشک آزمایشی برای عملیات چابک سیسلونار (DRACO) به خدمت گرفت.

در این تلاش Blue Origin برای توسعه طراحی فضاپیما با لاکهید مارتین رقابت خواهد کرد، در حالی که جنرال اتمیکس بر توسعه موتور مبتنی بر انرژی حرارتی هسته ای (NTP) برای تامین انرژی آن تمرکز خواهد کرد. (موتور از سوخت هسته ای برای گرم کردن پیشرانه هیدروژنی استفاده می کند که با بیرون راندن، فضاپیما را در فضا به پیش می برد)

دو سال پس از آغاز تلاش ها پیشرفت هایی برای گزارش وجود دارد...

اول از همه اینکه، پروژه تنها تلاشی توسط دارپا نیست.

دارپا در ماه ژانویه با ناسا همکاری کرد تا به طور مشترک روی این پروژه کار کنند، تا حداکثر تا سال 2027 یک فضاپیمای هسته‌ای را در مداری بلند بالای زمین نشان دهند.

لاکهید مارتین این تلاش را رهبری خواهد کرد که ظاهراً Blue Origin را برای کسب این افتخار شکست داده است و در همین حال، شرکت خصوصی جنرال اتمیکس - پیمانکار مورد علاقه دارپا برای ساخت موتور - به نفع سازنده قطعات هسته ای مورد علاقه ناسا BWX Technologies (BWXT 1.75٪) تغییر یافته است.

چرا موتور هسته ای؟

هدف از این پروژه توسعه یک موتور فضایی هسته ای، دو تا پنج برابر کارآمدتر از موشک های شیمیایی است که نیروی محرکه سفینه های فضایی فعلی را تامین می کنند.

در حال حاضر می بینید، هنگامی که ناسا می خواهد یک سفینه فضایی به مریخ بفرستد، باید منتظر بماند تا زمین و مریخ در مجاورت یکدیگر قرار گیرند، تا زمان سفر را به حدود هفت ماه کاهش دهد، نیاز سوخت را کاهش دهد و حمل محموله های بزرگتر را امکان پذیر کند.

با این حال تغییر از موشک های شیمیایی به انرژی هسته ای امکان سفر بین سیارات را در هر زمانی از سال فراهم می کند، در حالی که زمان سفر را به سه ماه کاهش می دهد.

این امر زمان قرار گرفتن فضانوردان در معرض تشعشعات خطرناک خورشیدی در هنگام سفر به مریخ و بازگشت از مریخ را کاهش می دهد و باعث صرفه جویی بیشتر در هزینه های غذا و حفظ جان فضانوردان می شود.

اما در ابتدا دارپا باید آزمایش کند که این موتورهای هسته‌ای جدید تا چه اندازه در فضا کار می‌کنند.

معرفی HALEU

موتور خاصی که BWX Technologies برای ادغام با فضاپیمای لاکهید مارتین توسعه خواهد داد، موتوری با سوخت اورانیوم با غنای پایین و با سنجش بالا که موتور HALEU نام دارد.

هفته گذشته در یک کنفرانس خبری در مورد موتور، ناسا و مدیران شرکت اقداماتی را که برای اطمینان از ایمن بودن این آزمایش انجام می دهند، از جمله خنثی نگه داشتن موتور در هنگام پرتاب از زمین و سپس قرار دادن آن در مدار حداقل 700 مایل را توضیح دادند.

کیلومتر ها بالاتر از زمین. (حتی اگر کنترل فضاپیما از بین برود، 300 سال طول می کشد تا آن مدار از بین برود و سفینه فضایی دوباره روی سیاره بیفتد)

فضاپیمای مورد بحث کوچک خواهد بود، به اندازه ای که در یک موشک معمولی متوسط تا سنگین مانند SpaceX Falcon 9 یا موشک جدید Vulcan Centaur جانمایی گردد. (به زودی توسط شرکت های بوئینگ و لاکهید مارتین یونایتد به فضا پرتاب شود)

لاکهید مارتین و BWX انتظار دارند تا اواخر سال 2025 یا اوایل سال 2026 بتوانند فضاپیمای DRACO را به فضا پرتاب کنند و زمان زیادی برای رسیدن به مهلت 2027 برای شروع آزمایش موتور در مدار فراهم کنند.

سپس آزمایش تا زمانی که عرضه سوخت سفینه فضایی انجام شود ادامه داشته باشد - احتمالاً چند ماه ادامه خواهد داشت.

زیرا این اولین آزمایش مداری HALEU خواهد بود.

ناسا و دارپا احتمالاً بعداً طراحی را (شاید چندین بار) قبل از استفاده از آن برای ساخت فضاپیمای هسته‌ای بزرگتر تغییر خواهند داد و با توجه به سرعت پیشرفت پروژه، ممکن است زمان زیادی طول نکشد تا موتورهای HALEU در فضاپیماهای درون خورشیدی نصب شوند.

و در آن صورت منطقی است که لاکهید مارتین و BWX به سازندگان منتخب چنین فضاپیماهایی تبدیل شوند.

حتی در این بین DRACO قرارداد کوچکی برای لاکهید مارتین و شریک آن نیست و همانطور که در کنفرانس فاش شد، لاکهید و BWX در مجموع 499 میلیون دلار برای کار خود در DRACO تقسیم خواهند کرد.

برای BWX که در سال گذشته تنها 2.2 میلیارد دلار درآمد داشت، بدیهی است که این معامله بزرگتر از لاکهید است، اما حتی برای غول دفاعی مانند لاکهید مارتین، 250 میلیون دلار یک مبلغ هنگفت است - و با پتانسیل تبدیل شدن به یک جریان درآمد خوب در سال های آینده در صورت موفقیت DRACO خواهد بود.

فضاپیمای DRACO با انرژی هسته ای

ما به زودی پرواز (هسته ای) خواهیم داشت! پس از اولین مرحله از برنامه موشک آزمایشی برای عملیات سیسلونار (DRACO)، دارپا به لاکهید مارتین اطلاع داد که برنده قرارداد توسعه و آزمایش یک فضاپیمای هسته‌ای شده است.

این پروژه نشان دهنده یک پیشرفت سریع در فناوری نیروی محرکه به نفع اکتشاف و دفاع ملی (استفاده در صنایع نظامی آمریکا) خواهد بود.

دارپا با اداره ماموریت فناوری فضایی ناسا در پروژه DRACO همکاری کرد زیرا هر دو آژانس از این فناوری برتر بهره مند خواهند شد.

کرک شیرمن، معاون کمپین‌های اکتشاف ماه در فضاپیمای لاکهید مارتین گفت: این یک فناوری اولیه است که می‌تواند برای انتقال انسان و مواد به ماه استفاده شود و یک فضاپیمای یدک کش هسته ای ایمن و قابل استفاده مجدد، انقلابی در عملیات سیسلونار (عملیات در سطح ماه و سایر مقاصد اعماق فضا) ایجاد می کند.

موتوری با سرعت، چابکی و مانورپذیری بیشتر خواهد بود و در نتیجه پیشرانه حرارتی هسته‌ای، کاربردهای امنیت ملی زیادی برای فضای سیسلونار دارد.

لاکهید مارتین علاوه بر سابقه طولانی و تخصص در کنترل‌های هسته‌ای، مشتاق همکاری با BWX Technologies در DRACO برای توسعه راکتور هسته‌ای و تولید سوخت اورانیوم با غنای کم با سنجش بالا یا سوخت موتور HALEU است.

آزمایش پرواز در فضا از وسیله نقلیه موتور موشک حرارتی هسته ای قرار است حداکثر تا سال 2027 پرتاب شود.

شما نمی توانید بدون مقدار بسیار زیادی سوخت به مریخ برسید...

پیشرانه های شیمیایی برای چندین دهه استاندارد پروازهای فضایی بوده است، اما اگر انسان ها بخواهند به مریخ سفر کند، به یک فناوری نیروی محرکه بسیار قوی تر نیاز دارند.

راب چمبرز، مدیر استراتژی فضای مدنی تجاری و توسعه کسب و کار در این باره می گوید: وقتی برای پیشبرد اکتشاف ماه و فرستادن انسان به مریخ نیاز به قدرت دارید، تنها راه برای انجام این کار انرژی هسته ای است.

اگر می خواهید بتوانید به طور مقرون به صرفه اکتشاف کنید، از زمین مستقل باشید و رفتن به مریخ را امکان پذیر کنید، به سیستم های هسته ای نیاز دارید.

سیستم های انرژی هسته ای چگونه کار می کنند (نکته: آنها ایمن هستند)

اگرچه آنها نسبتا جدید هستند - سیستم های هسته ای برای نیروی محرکه یا نیروی الکتریکی ساده هستند.

سیستم های مبتنی بر شکافت با تقسیم اتم های اورانیوم با غنای پایین در یک راکتور برای ایجاد گرما کار می کنند و هیدروژن فوق خنک به داخل راکتور جریان می یابد و گرمای اورانیوم به سرعت هیدروژن را به گاز بسیار داغ و تحت فشار تبدیل می کند.

در نیروی محرکه حرارتی هسته ای (NTP)، هیدروژن تحت فشار فوق داغ از یک نازل خارج می شود تا یک رانش قدرتمند ایجاد کند و مکانیک یک موتور NTP بسیار ساده تر و بسیار کارآمدتر از موتورهای پیشران شیمیایی است.

در اینگونه سیستم ها گرمای حاصل از شکافتن اتم های اورانیوم به الکتریسیته تبدیل می شود و این سیستم ها می توانند حداقل 40 کیلووات برق تولید کنند و می توانند در مناطق دائمی سایه ماه کار کنند.

یک وسیله نقلیه پرتاب پیشران شیمیایی سنتی یک فضاپیما را از سطح زمین بلند می کند و آن را به یک مدار امن زمینی دور از جو زمین هدایت می کند و با قرار گرفتن در این مدار، راکتور هسته ای روشن می شود و فرآیند شکافت هسته ای آغاز می شود.

این امر کارکرد و راه اندازی راکتوری با سوخت اورانیوم با غنای پایین (HALEU) را بسیار ایمن می کند.

تعیین سطح آزمایش زمینی که برای اثبات عملیات ایمن و موثر در فضا لازم است، بخشی از تلاش‌های فعلی لاکهید مارتین نیز هست.

جان بندل، مدیر ارشد استراتژی و توسعه کسب و کار، Human گفت: آزمایش زمینی به ما کمک می‌کند تا بفهمیم رفتار و محدودیت‌های مورد انتظار راکتور هسته‌ای چیست و چگونه انتظار داریم که با سیستم‌های کنترلی که در حال توسعه آنها هستیم، واکنش نشان دهد و تعامل داشته باشد.

چرا پیشرانه حرارتی هسته ای؟

به طور خلاصه: سرعت، کارایی و قابلیت استفاده مجدد، یک موتور NTP سفر فضایی سریعتر از همیشه را امکان پذیر می کند.

افزایش سرعت NTP به معنای مزایایی مانند پنجره‌های پرتاب طولانی‌تر، قرار گرفتن کمتر خدمه در معرض تشعشعات کیهانی در فضا و ماهواره‌ها و رسیدن فضاپیماهای روباتیک به مقصد سریع‌تر یا با جرم بسیار بالاتر است.

سرعت NTP از رانش با راندمان بالا ناشی می شود - دو برابر بیشتر از سیستم های پیشرانه معمولی کارآمد است.

چمبرز می‌گوید: ممکن است صدها پرتاب طول بکشد تا انسان‌ها با یک سیستم رانش شیمیایی به مریخ برسند، اما ما می‌توانیم آن را با یک سیستم رانش حرارتی هسته‌ای به پنج برسانیم.

کارایی NTP همچنین می‌تواند گزینه‌های سقط بیشتری را در طول ماموریت فعال کند.

مزایای دیگر شامل حداکثر قابلیت استفاده مجدد و توسعه پذیری برای ماموریت های دیگر است، NTP امکان استفاده از سوخت رسان‌های کمتری را نسبت به سایر سیستم‌ها فراهم می‌کند - و آن را به روشی پاک‌تر و کارآمدتر برای سوخت‌رسانی از نظر زیست محیطی تبدیل می‌کند.

بندل گفت: اگر می‌خواهیم اکتشافات اعماق فضا را جدی بگیریم، یک سیستم هسته‌ای قابل استفاده مجدد راهی تمیزتر و کارآمدتر برای دستیابی به اهدافمان است و NTP ما را قادر می‌سازد تا اکتشافات خود را به فراسوی ماه سریع‌تر از سایر جایگزین‌ها گسترش دهیم.

واقعیت بخشیدن به سیستم های هسته ای ایمن در دسترس ما است – و به همراه آن، تغییرات بزرگی در نحوه انجام اکتشافات فضایی نیز وجود دارد.

لیزا می، مهندس اصلی و رهبر استراتژی نسل بعدی، لاکهید مارتین، گفت: قدرت شکافت هسته ای، سطحی به معنای یک منبع انرژی پایدار و مستقل از زمین در ماه و مریخ است.

سیستم‌های مبتنی بر شکافت پرقدرت در ماه می‌توانند آب ماه را به هیدروژن تبدیل کنند که می‌تواند برای پیشرانه و اکسیژن برای تنفس فضانوردان استفاده شود.

چمبرز گفت: ما یک اقتصاد مبتنی بر آب را در ماه متصور هستیم، جایی که آنچه ما برای سوخت سفرهای فضایی نیاز داریم می تواند در ماه استخراج، تجارت و استفاده شود.

زمان تبدیل چشم انداز به واقعیت

کار سیستم‌های هسته‌ای فضایی لاکهید مارتین شامل سه قرارداد است - مشارکت با BWXT Technologies در هر دو مفهوم رآکتور حرارتی هسته‌ای و قدرت شکافت سطحی برای ناسا و وزارت انرژی، و قرارداد با آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (دارپا) برای توسعه طرح مفهومی فضاپیما.

می گفت: تمایز کننده لاکهید مارتین همچنین سرمایه‌گذاری زیادی در ذخیره‌سازی و انتقال هیدروژن برودتی و همچنین کنترل‌های کلی راکتور هسته‌ای انجام داده است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.