Projekt Kilopower - jak reaktory jądrowe zapewnią przyszłość misji kosmicznych

Skąd wziąć energię potrzebna do zasilenia sondy kosmicznej, pojazdu załogowego, stacji badawczej na odległym ciele niebieskim? To tylko jedno z wielu, ale bardzo ważne pytanie, które stawiane jest przez zespoły planujące misje kosmiczne. Energii powinno być dużo, powinna być uzyskiwana w wygodny, najlepiej tani i bezawaryjny sposób. Te proste do spełnienia na Ziemi wymogi w Kosmosie stają się poważnymi wyzwaniami. Naukowcy próbują je pokonać na różne sposoby, a jednym z nich jest przywołanie do łask reaktorów jądrowych. Te oraz technologia, której początki sięgają 1816 roku, stanowią podstawy projektu o nazwie Kilopower.

Kosmiczne reaktory jądrowe - reaktywacja

Kosmiczne reaktory jądrowe, wydajne nawet jeśli w tyciej wersji w porównaniu z tymi, które stosowane są na Ziemi, od kilkudziesięciu lat stanowią przedmiot rozważań. Niestety dość szybko okazało się, że jest to technologia droga, a i nasza wiedza o niej jest zbyt skąpa. Pierwszą i ostatnią pełną próbę z kosmicznym reaktorem jądrowym USA przeprowadziło w 1965.

Reaktor SNAP-10A z 1965 roku (źródło: U.S. DoE)

Od 1970 do 2010 roku niewiele się zmieniło. Poza wiedzą na temat funkcjonowania reaktorów jądrowych. Ta zaowocowała w 2012 pierwszym koncepcyjnym reaktorem kosmicznym o mocy zaledwie 24 W. Był to sukces z innego powodu - okazało się, że potrafimy zrobić coś takiego za rozsądne z finansowego punktu widzenia pieniądze.

Projekt Kilopower, który ruszył w 2015 ma zmienić ostatecznie przywrócić jądrowe reaktory kosmiczne do łask, ale przypomnijmy sobie jak dotychczas radzono sobie gdy sondy opuściły Ziemię.

Skąd bierzemy energię w Kosmosie?

Ogniwa paliwowe to źródło energii, które wykorzystywane było w trakcie załogowych misji kosmicznych na Księżyc. W sondach i lądownikach, stosuje się również akumulatory. Oba te rozwiązania mają jedną wadę, przy wykorzystaniu pełnej mocy zapewniają energię na kilka, kilkanaście dni. A misje kosmiczne trwają miesiące i lata.

Naturalnym źródłem energii jest nasze Słońce. Dlatego bardzo duża liczba sond wyposażana jest w panele zwane potocznie bateriami słonecznymi. To one stanowią kluczowe źródło energii w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, większości obecnych na orbicie wokółziemskiej (tej bliższej i dalszej) satelitów, a także pojazdów, które badają inne planety. Ale nie wszystkich. Im dalej tym trudniej pozyskać prąd z ogniw fotowoltaicznych. Obecnie najdalszym obiektem, który korzysta z tego typu zasilania jest sonda Juno, która krąży wokół Jowisza, a i tak jest to duże wyzwanie. Sondy lecące dalej muszą polegać na innym źródle energii.

Tylko około 450 W - tyle mocy do dyspozycji ma Sonda Juno na orbicie Jowisza

Od początku dalekosiężnych misji planetarnych źródłem tej energii są radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG). Wykorzystują one promieniotwórczy rozpad materii, który generuje ciepło zamieniane potem na energię elektryczną. Teoretycznie niezawodne i bezpieczne. A jednak budzące spore obawy, co spędzało sen z powiek projektantom niejednej misji.

Aparatura pozostawiona na Księżycu wymagała do pracy grzejników - rolę tę pełniły RTG - na zdjęciu montowanie zapasu paliwa w osłonie generatora

Grzejniki z materiałem jądrowym znalazły się w każdym z marsjańskich łazików - również w tych, które zasilane były przede wszystkim energią słoneczną

RTG ma zalety, zapewnia energię przez długi czas co pozwoliło wysłać nam pojazdy poza Układ Słoneczny i ku jego rubieżom, ale nadal nie są tak wydajne jak tego byśmy chcieli. Szczególnie biorąc pod uwagę ambicje przyszłych misji badawczych i eksploracyjnych.

Dla przykładu stacja na powierzchni Marsa będzie potrzebowała więcej niż zwykła jednostka RTG jest w stanie zapewnić. Energia posłuży zasileniu bazy w trakcie pobytu astronautów, zasili też urządzenia, które zajmą się produkcją potrzebnych produktów, w tym paliwa do zasilenia statku powrotnego.

Owszem można podpierać się magazynowaniem energii zbieranej przez farmy słoneczne w akumulatorach (które w przypadku sond zapewniają zapas energii na czas gdy Słońce nie oświetla sondy), ale to wymagające dużo większej przestrzeni rozwiązanie. Przestrzeni, którą może na powierzchni planety by się znalazło, ale o którą w pojeździe kosmicznym trzeba walczyć. Poza tym na Marsie występują burze pyłowe, które mogą uczynić panele słoneczne bezużytecznymi nawet na wiele miesięcy. Dlatego energii słonecznej nie mówimy "nie", ale jest ona dużo mniej odporna na ekstremalne warunki pogodowe i nie da się jej zastosować w każdym miejscu. Na przykład w stale zacienionych kraterach czy w strefach podbiegunowych.

A czy można czymś zastąpić RTG? Inżynierowie z narodowego laboratorium w Los Alamos we współpracy NASA, którzy poszukują optymalnego jak na nasze dzisiejsze możliwości techniczne rozwiązania, przywołują pomysł kosmicznych reaktorów jądrowych. Tym razem mniejszych, bezpieczniejszych i wspierających się na etapie generowania energii elektrycznej dziewiętnastowieczną ideą. Ideą silnika Stirlinga, który potrafi ciepło zamienić na energię mechaniczną, a od tej do elektryczności już niedaleka droga.

Warto przy okazji wspomnieć, że NASA pracuje też nad zasilaniem typu ASRG czyli generatorem elektryczności z silnikiem Stirlinga czerpiącym ciepło z tradycyjnego modułu RTG. Niestety te prace mocno się opóźniają.

Projekt Kilopower

Pod tą nazwą kryje się stosunkowo niewielkie i wedle zapewnień tanie w produkcji urządzenie, które zapewni moc od około 1 (stąd nazwa) do 10 kilowatów. Wszystko zależy od sprawności systemu chłodzącego.

Szacuje się, że prosty marsjański habitat z 4-6 osobami będzie miał potrzeby, które zaspokoi źródło energii o mocy 40 kW. Osiągnie się ją stosując kilka (lub więcej) reaktorów Kilopower.

Jak działa taki reaktor? Jest to niewielki reaktor jądrowy na paliwo rozszczepialne, z którego ciepło jest odprowadzane przez system rurek cieplnych (de facto wymyślonych 55 lat temu w Los Alamos) do zmodyfikowanego na potrzeby projektu silnika Stirlinga.

W uproszczeniu - docierające do silnika ciepło podgrzeje zgodnie z zasadą działania takiego silnika, czynnik roboczy, który następnie, również z zasadą działania silnika Stirlinga, ulegnie schłodzeniu w wystawionych na marsjański (księżycowy lub kosmiczny) mróz chłodnicach. Silnik stanowić będzie cześć generatora elektryczności i gotowe.

Zastosowanie materiału rozszczepialnego, którym w tym przypadku będzie wysoko wzbogacony uran 235, zapewni reaktorom wysoką sprawność przez długie lata. Cała konstrukcja będzie miała stosunkowo niewielkie rozmiary w stosunku do wydajności energetycznej, ale też trzeba pamiętać, że nie będzie lekka. Czyli jak to się mówi coś za coś. Mimo to transport reaktorów byłby prostszy niż rozbudowanych systemów baterii słonecznych.

Skuteczne chłodzenie to klucz to sukcesu

Testy prototypowych reaktorów są już prowadzone w stanie Nevada, w ramach eksperymentu KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology), który z kolei bazuje na wcześniejszych doświadczeniach zespołu z Los Alamos. Dowodzą one, że chłodzenie reaktora jądrowego za pomocą rurek cieplnych jest możliwe. To właśnie ten etap prac, opracowanie skutecznego chłodzenia, kosztował szczególnie wiele czasu.

Prototypowy reaktor

Teraz trzeba tylko udowodnić, że taki silnik jest w stanie pracować w konfiguracji przeznaczonej do lotu i transportu na inne ciało niebieskie.

Odpowiedni 28-godzinny eksperyment przeprowadzony zostanie w marcu tego roku. W trakcie testu reaktor będzie pracował z pełną mocą. Dotychczas stosowano rdzeń z niewzbogaconego uranu, w teście będzie to już rdzeń w pełni wzbogacony. Rozgrzeje się on do temperatury 800 stopni Celsjusza.

Kilopower - gdzie znajdzie zastosowanie

Mars to cel, który najbardziej rozbudza emocje, i jemu poświęcone jest poniższe wideo nawiązujące do problemów jakie staną przed pierwszymi marsjańskimi misjami, a których mimo entuzjazmu nie da się rozwiązać bez wydajnego źródła energii.

Lecz reaktory Kilopower mogą znaleźć zastosowanie również na Księżycu, innych ciałach niebieskich, ale także w pojazdach kosmicznych. Bo te potrzebują nie tylko efektywnego napędu (może to być napęd wymagający energii elektrycznej), ale też energii do zasilenia modułów pokładowych. Szczególnie gdy będą to pojazdy załogowe.

Zaletą zastosowania wydajnego źródła energii w sondach kosmicznych jest zmniejszenie czasu wymaganego dla wykonania eksperymentów (można je przeprowadzać jednocześnie, gdyż zapas energii nie jest wąskim gardłem - jest jej o rząd więcej niż w przypadku RTG), a wyższej mocy anteny nadawcze będą mniejsze i zapewnią szybszy transfer informacji.

Wizja sondy z zasilaniem typu Kilopower - wystająca część, przypominająca nierozłożony parasol, to radiator 

Do planowanych misji, w których znalazłaby zastosowanie technologia kosmicznych reaktorów jądrowych, należy projekt Titan Saturn System Mission, Chiron Orbiter oraz Kuiper Belt Object Orbiter.

Źródło: NASA, inf. własna