Korisnici nuklearne energije u kosmosu uglavnom su radioizotopski generatori (RTG) koji pretvaraju toplotu nastalu raspadanjem nekog radioaktivnog izotopa u električnu energiju. Nasuprot tome, upotreba nuklearnog fisionog reaktora bi nosila mnoga ograničenija. Sovjetski Savez je lansirao gotovo 35 reaktora[1]tipa 'Бук'(БЭС-5) i 'Tопаз'(TЭУ-5 Tополь), uglavnom namenjenih za napajanje satelita 'УС-А'koji su imali za cilj otkrivanje američkih brodova (uglavnom nosača aviona) uz pomoć radara. Poređenja radi, Sjedinjene Države su zvanično poslali u orbitu samo nuklearni reaktor SNAP-10A,1965. godine. Međutim, uprkos svom potencijalu i mom navijanju, nuklearna fisiona energija je decenijama marginalizovana po pitanju osvajanja svemira (i to bez ulaženja u nesretni san o nuklearnom termalnom pogonu, koji zaslužuje posebnu analizu).

k1
Koncept nuklearne sonde za proučavanje Saturna.

U Sjedinjenim Američkim Državama, pokušaj oživljavanja upotrebe nuklearnih reaktora za interplanetarne sonde u okviru projekta 'Prometheus's početka ovog stoleća završio se snažnim neuspehom. Trenutno, jedino Rusija zvanično razvija nuklearni reaktor za kosmičko korišćenje, ali nažalost, nedostatak jasnog cilja i njegova visoka cene spriječili su ga da postane realnost (poslednje što smo načuli o projektu je njegova moguća primena na vojnim elektronskim satelitima[2]). Ali novi vetrovi duvaju preko Atlantika, koji ukazuju na ponovno zanimanje za fisione reaktore. Krivac je program'Kilopower'[3].

k2
Konstrukcija reaktora 'Kilopower'.

Pre svega, budi oprezan, jer ne govorimo o jednostavnoj studiji na papiru. Program 'Kilopower' vode NASA-in 'Glenn Center' i poznata nuklearna laboratorija u Los Alamosu (LANL). Rođen 2015. godine, projekt je ubrzano napredovao, te se očekuje da će fisioni sistem biti testiran na zaštićenoj lokaciji u Nevadi do kraja ove godine. Cilj je stvaranje fisionog reaktora koji će moći da proizvede između 1 i 10 kilovata električne energije koja bi potom mogla da napaja sve vrste kosmičkih sondi i, kasnije, baze s posadom na Mesecu ili Marsu. Nesumnjivo, NASA-in cilj da pošalje ljude na površinu Marsa do 2040. godine pomogao je oživljavanju ove tehnologije. Još jedna prednost je u tome što je projekat omogućio NASA-i da se ne oslanja više na skromnu proizvodnju plutonijuma-238 za RTG, što je vrlo redak i skup izotop koji može da se koristi samo u tu svrhu[4].

k3
Termički prototip reaktora (bez nuklearne reakcije) tokom ispitivanja vakuuma sa natrijumovim šipkama na više od 800°C.

Fisioni reaktor bi omogućio zadovoljavanje ogromnih energetskih potreba hipotetičkih lunarnih ili Marsovskih kolonija, osobito ako se koristi ISRU tehnologija, zahvaljujući kompaktnijim sistemima koji se lakše dopremaju na površinu od solarnih panela. Ali šta to ovaj projekt poseduje što ga razlikuje od svih propalih prethodnika? Uglavnom bi se koristila manja količina obogaćenog uranijuma (tj. sa visokim udelom uranijuma-235 u odnosu na uranijum-238), čime bi se izbegle mnoge političke i vojne barijere povezane s rukovanjem velikim količinama obogaćenog urana (HEU) ). Druga razlika je u električnom sistemu za konverziju koji bi se temeljio na motorima Stirlingovog tipa (dakle, bez pokretnih delova). Ovo objašnjava zašto je prototip reaktora dobio ime 'KRUSTY'(Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY).

k4
Predlog sonde za istraživanje Saturna, Enceladusa i Titana sa reaktorom od 1 kW. Solarni paneli na donjem kraju napajaju električni solarni pogonski stepen (SEP) sa jonskim ili plazmenim motorima.

Pored lunarnih i marsovskih kolonija, ovaj reaktor bi bio idealan za interplanetne sonde. Naprimer, NASA-in 'Glenn Center' je proučio varijantu predloga misije 'TSSM'iz 2010. godine ('Titan Saturn System Mission') s kilovatnim 'Kilopower'električnim reaktorom. Reaktor bi bio neaktivan sve do poslednjeg fly-byaiznad Zemlje, čime bi se izbegao rizik od kontaminacije naše planete. Stigavši do Saturna, sonda bi 15 godina proučavala sistem, izvodeći 16 preleta iznad Titana i 7 iznad Enceladusa, tokom kojih bi se ka Titanu lansirao jedan lender i jedan balon. Sonda bi završila svoju misiju u orbiti oko Titana za oko 20 meseci, tokom kojih bi pomoću radara u visokoj rezoluciji mapirala površinu meseca. Korištenje reaktora bi omogućilo istovremeno korištenje svih instrumenata na brodu, iako je nedostatak to što bi sonda bila teža te bi joj stoga bilo potrebno još dvije dodatne godine da stigne do Saturna. Jedno rešenje bi bilo da koristi reaktor od deset kilovata koji bi usput napajao dodatni modul jonskog pogona kako bi se došlo do prstenaste planete, te se ne bi koristio SEP (solarni) modul koji je bio planiran.

k5
Predlog nuklearne sonde za proučavanje asteroida Chiron.

Drugi predlog je orbiter oko Chirona, objekta koji se nalazi na pola puta između asteroida i komete, sa vrlo ekscentričnom orbitom, čije proučavanje obećava da je u stanju da rasvetli tajnu formiranja Sunčevog sistema. U ovom slučaju, reaktor od 8 kW (sa 75 kg urana) omogućio bi da se dođe do Chirona za 13 godina i detaljno ga proučiti godinu dana, još jednom zahvaljujući upotrebi modula sa jonskim ili plazma motorima. Sonda bi imala masu od četiri tone i bila bi lansirana raketom 'Atlas V' (551). Izvedba sa radioizotopskim generatorom bi bila lakša (1300 kg) ali skuplja i skromnija od varijante s nuklearnim reaktorom. Slična prednost se može pratiti u predlogu misije za proučavanje objekta Kajperovog pojasa (131697) 2001 XH255. Konkretno, upotreba nuklearnog fisionog reaktora bi omogućila postizanje 100% dodatne snage uz samo 20% dodatne mase.

k6
Nuklearna sonda za proučavanje objekata Kajperovog pojasa.

Ali možda je najzanimljivija uporaba ove vrste reaktora na Marsu. Deset-kilovatni reaktor bi pomogao posadi od 4 do 6 astronauta da preživi na Marsu oko pet stotina dana (zahtevi stare DRA 5.0 arhitekture posljednje decenije), a uz to bi poslužio za dobijanje tečnog kiseonika kao oksidatora za raketne motore iz ugljnikovog dioksida iz atmosfere. U idealnom slučaju, četiri reaktora od po 10 kilovata, teška po 1800 kg, omogućila bi proizvodnju celokupne potrebne struje u pomenutoj Marsovoj bazu (ili samo jedan od 40 kW).

k7
Prototip Marsovog lendera sa ISRU nuklearnom centralom koja će stvarati tečni kiseonik iz CO2u Marsovoj atmosferi.

k8
Četiri 10-kilovatna reaktora biće dovoljna za sve potrebe baze na Marsu.

k9
Detalj reaktora 'Kilopover' od 10 kW sa raširenim hladnjakom.

kk
Koncept Marsovog mobilnog reaktora od 40 kW.

Što se tiče sigurnosti, koja je uvek pitanje koje se razmatra kada se govori o nuklearnim reaktorima u svemiru, imaj na umu da je neaktivni reaktor, u zavisnosti o količini fisionog materijala, manje 'opasan' i radioaktivan od RTG-a. Izloženost astronauta zračenju reaktora očito jeste problem, ali doze prirodnog zračenja koje će posada primiti tokom putovanja na Mars već su toliko visoke da bi doprinos pravilno zaštićenog reaktora bio gotovo zanemariv (gotovo). U svakom slučaju, glavnu prepreku ovim prekrasnim projektima treba gledati u svetlu ekonomije. Da ne govorimo o snažnom protivljenju fisionoj energiji koje postoji u zapadnom javnom mnenju. Iako upotreba nuklearnih reaktora u svemiru nema nikakve veze s njihovom upotrebom na Zemlji, bojim se da se bitka za njihovo korišćenje ne završi prije nego što je i počela.

k10
Još jedan koncept Nasine nuklearne sonde za istraživanje Saturna.


https://youtu.be/PcmZ554_-zE


https://youtu.be/DcdfMcjUy_U

 

[1]Naivan kakav jesam, oduvek sam mislio da je nuklearna energija jako zgodna za istraživanje kosmosa, te me je tema njenog korišćenja oduvek interesovala. Zato sam do sada napisao desetak interesantnih tekstova na ovu temu. Ako te interesuje, pogledaj ovdeovde,ovdeovdeovdeitd. Iz nekog jezivog razloga, nuklearna energija je interesantnija za korišćenje (destrukciju) ovde na Zemlji nego za napajanje raketa i sondi u kosmosu.

[2]Reaktor 'ЯАУ' kompanije KB 'Arsenal'stvarao bi energiju (45 MW) za pokretanje jonskih ili plazmenih motora baziranih na ksenonu.

[3]Njega sam pominjao u priči o potrazi za okeanom na Jupiterovoj Evropi, što me je i nagnalo da se malo upoznamo sa ovim nuklearnim reaktorom.

[4]Skoro zvuči kao anegdota da NASA nema dovoljno tog uranijumskog izotopa (mislim da su počeli ponovo da ga proizvode, ali nešto sitno), te su mnoge deep-space misije izvisile jer nemaju goriva za generatore struje. 'New Horizons' koristi plutonijum koji je NASA morala da kupi od Rusa.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Komentari   
Miki
-1 #4 Miki 23-05-2019 12:50
Pa da, pravi stirling motor ima klipove, klipnjače, radilicu...
Bilo bi zanimljivo videti kako je NASA rešila stirling motor bez tolikog broja pokretnih delova. Možda nešto slično LG-jevim linearnim kompresorima?!?
U svakom slučaju, potpuno bez pokretnih delova, neće da može, a da radi na stirling principu.
Direktno, efikasno i jednostavno pretvaranje toplote u el.energiju (bez kotla, vode, pare i turbine :P ) bilo bi veoma značajno otkriće.
Drago D
0 #3 Drago D 23-05-2019 09:58
P.S.
Sad sam video da je prvi link pogrešan. Treba ovo:
https://www.sciencedaily.com/releases/1999/05/990527043210.htm
Drago D
+1 #2 Drago D 23-05-2019 09:42
Da, dobro si to primetio, ali stvari su malo komplikovanije. Recimo ovde https://mars.nasa.gov/participate/send-your-name/mars2020 kaže sledeće:
'...Because the thermoacoustic Stirling heat engine contains no moving parts and is constructed of common materials, it requires little or no maintenance and can be manufactured inexpensively...'
Sterlingov konvertor ima klip koji se kreće itd. i više puta je efikasniji od klasičnog RTG-a. Zabuna, ili 'zabuna' koju si ti super uočio, nastala je zato što je to JEDINI pokretni deo na motoru, pa su valjda hteli da kažu da u odnosu na klasične motore sa stotinom mrdajućih delova, ovaj nema (skoro) nijedan. Tako otprilike kaže i sajt https://hackaday.com/2017/01/03/thermoacoustic-engine-has-only-one-moving-part/
Hvala na korekciji i što pažljivo čitaš.
Evo ti nagrada:
https://mars.nasa.gov/participate/send-your-name/mars2020
Miki
+2 #1 Miki 22-05-2019 22:16
Drago, spominjete da bi neki od ovakvih reaktora radiili na principu "električnog sistema za konverziju koji bi se temeljio na motorima Stirlingovog tipa (dakle, bez pokretnih delova)."
Ali koliko znam Stirling motor radi baš kao mehanička sprava, na principu razlike temperatura, i promene pritiska gasova sa promenom temperature. Ne postoji stirling motor bez pokretnih delova.
Dodaj komentar


 

akl2019 l
Ko dolazi na kamp? (16.06)

leksikon 190


 

stranica posmatraci2019


 

CURRENT MOON


tvastronomija18