Čtvrtek, Červen 21

Návrat jaderných pohonů pro vesmírné cestování

Myšlenka jaderných pohonů vesmírných lodí je tu s námi již od 60. let minulého století. V poslední době se od vývoje jaderných pohonů ustupovalo a vývoj se ubíral směrem k vylepšování těch chemických. To se ale nyní, aspoň částečně, mění. V srpnu roku 2017 podepsala NASA kontrakt s firmou BWXT na vývoj a testování jaderného tepelného pohonu pro vesmírné rakety (NTP – Nuclear Thermal Propulsion).

Kosmická loď plánované mise JIMO poháněná iontovým pohonem. (Zdroj: NASA)

BWX Technologies je nástupcem společnosti Babcock & Wilcox a má velké zkušenosti s vývojem a výrobou jaderného paliva pro Americké námořnictvo (U.S. Navy). Zmíněný kontrakt je uzavřen na tři roky s celkovou hodnotou 18,8 milionů dolarů. Hlavním úkolem BWXT je vývoj nízko-obohaceného uranového paliva v tzv. „cermet“ formě pro použití k jadernému pohonu vesmírných raket. Jedná se o keramicko-kovovou formu paliva, v originále nazvanou ceramic metallic rods, ze které vychází i samotná zkratka cermet. [15], [16], [17]

 

Nuclear Thermal Propulsion

Jaderný tepelný pohon vesmírných raket, v angličtině označovaný jako Nuclear Thermal Propulsion, je vyvíjený vesmírný pohon využívající ohřevu pracovní látky v jaderném reaktoru. Pracovní látka, nejčastěji kapalný vodík, je ohřáta na velmi vysokou teplotu v jaderném reaktoru a poté expanduje skrz raketovou trysku. Tím je vytvářen tah motoru. [15]

Design koncept termálního jaderného pohonu BWXT. (Zdroj: BWXT.com)

Jak již bylo zmíněno, myšlenky využití jaderných reaktorů k pohonu vesmírných lodí jsou tu s námi již více než půl století. První vyvíjené prototypy vznikly v rámci amerického projektu Rover, který byl pod záštitou Komise pro atomovou energii zahájen v roce 1955. V roce 1961 byl projekt převeden pod Space Nuclear Propulsion Office patřící pod NASA a přejmenován na projekt NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications). [2], [11]

Nákres pohonu NERVA. (Zdroj: NASA)

Dalším projektem NASA na využití jaderného pohonu ve vesmíru byl projekt Prometheus. V rámci tohoto projektu, který probíhal pod taktovkou JPL (Jet Propulsion Laboratory) od roku 2002 do roku 2005, byly studovány možnosti využití jaderných pohonů k meziplanetárním letům. A to jak přímo jaderné tepelné pohony (NTP), tak i iontové pohony získávající elektrickou energii z „běžných“ jaderných reaktorů. Projekt byl ukončen v roce 2005 po úspěšném dokončení Fáze A: Definice systémů a misí. Fáze B: Předběžný design se nikdy neuskutečnila. [9], [10]

Nejen Spojené státy americké, ale i Sovětský svaz pracoval na využití jaderných reaktorů ve vesmíru, a to hlavně v rámci projektu TOPAZ. Ten nebyl zaměřen na pohon vesmírných raket, ale na výzkum a vývoj reaktorů určených k obstarávání elektrické energie pro satelity umístěné na oběžné dráze. V rámci tohoto projektu byl například jeden reaktor testován po dobu přibližně 1300 hodin. Jednalo se o reaktor Krasnaja Zvezda o hmotnosti přibližně 320 kg, který by byl schopen dodávat 5 kW elektrického výkonu po dobu 3-5 let. Na rozdíl od amerických projektů byl projekt TOPAZ završen využitím jaderných reaktorů k získávání elektrické energie na oběžné dráze v několika sovětských družicích. [12], [13]

Zmenšený model reaktoru TOPAZ. (Zdroj: Wikipedia.org)

Využití jaderné energie ve vesmíru má i jiné podoby. Touto podobou může být například využívání rozpadu polonia, či jiného vhodného radioaktivního materiálu, k získávání elektrické energie, nebo spisovateli vědecko-fantastické literatury navrhovaný pohon spočívající v mikrovýbuších jaderných bomb. Tento navrhovaný pohon by byl realizovaný výbuchy malých jaderných bomb za zádí vesmírné rakety. Každý jaderný výbuch by vesmírné lodi udělil další hybnost, a tím i zvýšil její rychlost letu.

 

Srovnání jaderného, chemického a elektrického pohonu

V současnosti se k pohonu vesmírných raket používají převážně dva typy. Prvním je Chemický pohon, který má velmi vysoký tah, ale za cenu velmi vysoké spotřeby paliva. Druhým typem je iontový pohon, který má malý tah s velmi nízkou spotřebou paliva. Jaderný tepelný pohon má vlastnosti někde mezi. Má relativně vysoký tah, ale menší než chemické pohony, a jeho spotřeba je znatelně menší než u chemických pohonů.

Pro porovnávání raketových pohonů se nejčastěji využívají dva parametry. Prvním parametrem je tah motoru, který je roven výtokové rychlosti plynu z trysky násobené změnou hmotnosti za čas. Fyzikální smysl tahu je identický se silou a stejně tak se pro něj používá jednotka newton. Druhým parametrem je specifický impuls. Specifický impuls popisuje, jak efektivně nakládá raketa s palivem a je definován jako celkový impuls dělený množstvím použitého paliva. Jednotkou specifického impulsu je sekunda, pokud množství paliva měříme v newtonech, nebo metr za sekundu, pokud množství paliva měříme v kilogramech. [14]

V tabulce níže je porovnání specifických impulsů a tahů chemických, iontových a jaderných pohonů. Za zástupce chemických pohonů jsme vybrali 1. a 2. stupeň v současnosti nejvýkonnější vesmírné rakety Falcon Heavy firmy SpaceX. Její první stupeň je tvořen dvaceti sedmi motory Merlin 1D a druhý stupeň jedním motorem Merlin 1D Vacuum. [3], [4]

Jako zástupce iontových motorů jsou pro porovnání vybrány motory NEXT (The NASA Evolutionary Volutionary Xenon Thruster). NEXT je vyvíjený iontový pohon nové generace. Jeho první dva kusy by měla mít NASA k dispozici v roce 2019. Pokud bude schválen projekt CAESAR k získání vzorku z komety 67P/Churyumov–Gerasimenko a jeho návratu na Zemi, bude k jeho pohonu použit právě motor NEXT. [5], [21] Druhým zástupcem iontových motorů je VASMIR. Zcela nová koncepce motoru VASMIR má kombinovat velmi velký specifický impuls běžných iontových motorů s řádově větším tahem, než mají běžné iontové pohony. [6], [7]

Chemické a iontové pohony jsou porovnány s jaderným tepelným pohonem NERVA z minulého století a plánovaným jaderným tepelným pohonem, případně raketou tvořenou třemi plánovanými jadernými tepelnými pohony.

Pohon Specifický Impuls [s] Tah [kN]
Falcon Heavy – 1.stupeň (27x Merlin 1D) [3], [4] 310 22819
Falcon Heavy – 2.stupeň (Merlin 1D Vacuum) [3], [4] 348 934
Iontový pohon NEXT [5] 4190 0,000236
Iontový pohon VASMIR [6], [7] 3000–12000 0,005
NTP: NERVA Derivative/1 [2], [11] 915 333
Plánovaný NTP [1] 900 66,7–111
Spojené tři plánované NTP [1] 900 200–333

 

Michal Cihlář

 

Zdroje:
[1] NASA’s Nuclear Thermal Engine Is a Blast From the Cold War Past, POPULAR MECHANICS
https://www.popularmechanics.com/space/moon-mars/a18345717/nasa-ntp-nuclear-engines-mars/
[2] The Rationale/Benefits of Nuclear Thermal Rocket Propulsion for NASA’s Lunar Space Transportation Systém, NASA
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19950009268
[3] SpaceX Unveils Plans To Be World’s Top Rocket Maker, Aviation Week
http://aviationweek.com/awin/spacex-unveils-plans-be-world-s-top-rocket-maker
[4] Falcon Heavy, SpaceX
http://www.spacex.com/falcon-heavy
[5] The NASA Evolutionary Volutionary Xenon Thruster (NEXT): The next step for U.S. deep space propulsion, Aviation Week
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080047732.pdf
[6] Ad Astra Rocket Company (AARC), více o VASMIR
http://www.adastrarocket.com/aarc/
[7] Experimental research progress toward the VASMIR engine, NASA
https://spaceflight.nasa.gov/shuttle/support/researching/aspl/reference/iepc03.pdf
[8] About Nuclear Thermal Propulsion (NTP) Project, BWX Technologies, Inc. (BWXT)
https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-ntp
[9] Prometheus Project: Final Report, NASA JLP
http://large.stanford.edu/courses/2017/ph241/mangram2/docs/982-R120461.pdf
[10] Experiences in Managing the Prometheus Project, NASA JPL
https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/38573/05-3366.pdf?sequence=1
[11] An historical perspective of the NERVA nuclear rocket engine technology program
https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.1991-3451
[12] History of Soviet Topaz Reactors
http://fti.neep.wisc.edu/neep602/SPRING00/lecture35.pdf
[13] Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space, World Nuclear Association
http://www.world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/transport/nuclear-reactors-for-space.aspx
[14] Specific Impulse, NASA
https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/specimp.html
[15] Space Technology, Game Changing Development, Nuclear Thermal Propulsion (NTP), NASA
https://gameon.nasa.gov/gcd/files/2016/05/FS_NTP_160525.pdf
[16] NASA’s Game Changing Development Program, NASA
https://gameon.nasa.gov/
[17] NASA Contracts with BWXT Nuclear Energy to Advance Nuclear Thermal Propulsion Technology, NASA
https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/news/releases/2017/nasa-contracts-with-bwxt-nuclear-energy-to-advance-nuclear-thermal-propulsion-technology.html
[18] fotografie: TOPAZ model
https://en.wikipedia.org/wiki/TOPAZ_nuclear_reactor#/media/File:Topaz_nuclear_reactor.jpg
[19] obrázek: NERVA – nuclear rocket engine
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nerva_-_nuclear_rocket_engine.jpg
[20] ilustrace JIMO (Projekt Prometheus)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JIMO_illustration.jpg
[21] CAESAR Project Overview, NASA
https://www.lpi.usra.edu/sbag/meetings/jan2018/presentations/3-15pm-Squyres.pdf

 

Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.