NASA投資太空工程的未來,發展核動力火箭登陸火星

NASA投資太空工程的未來,發展核動力火箭登陸火星

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儘管核反應堆在地球上引起了很多爭議,但它可以產生將大型太空飛行器迅速送上火星並在需要時送上更遠的地方所需的能量和推進力。

核火箭發動機的想法可以追溯到20世紀40年代。不過,這次以核裂變和核聚變為動力的星際飛行任務計畫得到了新設計的支持,這些新設計更有可能使火箭升空。

重要的是,核發動機只用於星際旅行,而不在地球大氣層中使用。化學火箭將太空船發射到低地球軌道之外。只有在那時,核推進系統才會啟動。

當前面臨的挑戰是如何讓這些核發動機既安全又輕便。新的燃料和反應堆設計似乎可以勝任這項任務,因為美國太空總署(NASA)現在正與工業夥伴合作,為未來可能的核動力載人太空任務而努力。

由核裂變或核聚變提供動力的火箭正在爭奪成為太陽系行進的首選(且速度更快)的手段。圖片來源:NASA

「如果你想去火星,並在兩年內返回,核推進將是更好的選擇,」NASA空間技術任務局的首席工程師Jeff Sheehy說:「為了實現這種任務能力,尚需升級的一項關鍵技術就是燃料」。

具體來說,燃料需要承受核熱機內的超高溫和揮發性條件。現在有兩家公司表示,他們的燃料足夠可靠,可用於安全、緊湊、高性能的反應堆。並且,其中一家公司已經向美國太空總署提交了詳細的概念設計。

核熱推進利用核反應釋放的能量將液態氫加熱到約2,430℃——約為核電站核心溫度的8倍。推進劑膨脹並以極快的速度從噴嘴中噴出。這與化學火箭相比,單位質量的推進劑可以產生兩倍的推力,使核動力太空船的飛行時間更長,速度更快。另外,一旦到達目的地,無論是土星的衛星土衛六還是冥王星,核反應堆可以從推進系統切換到動力源,使太空船能夠在數年內發回高品質的數據。

要使核火箭獲得足夠的推力,過去需要武器級的高濃縮鈾。商業發電廠使用的低濃縮鈾燃料,使用起來比較安全,但在極活性氫的高溫和化學攻擊下,它們會變得很脆弱,並且會散架。

超安全核公司技術公司(USNC-Tech)使用的鈾燃料濃縮度低至20%以下,比核發電站的等級高,工程總監Michael Eades說:「但這不能被挪用到其他地方,只有這樣才能顯著降低擴散風險。」該公司的燃料包含分散在碳化鋯基質中的微型陶瓷塗層鈾燃料顆粒。微膠囊將放射性裂變副產品留在裡面,同時讓熱量散發出去。

總部位於維吉尼亞州林奇堡的BWX技術公司,正在根據美國太空總署的合約,研究使用類似陶瓷複合燃料的設計,同時也在研究一種包裹在金屬基體中的替代燃料形式。「自2017年以來,我們一直在研究我們的反應堆設計。」該公司高技術集團的總經理Joe Miller說。

兩家公司的設計都依賴於不同種類的調節劑。節製劑可以減緩裂變過程中產生的高能中子,使其能夠維持連鎖反應,而不是衝擊和破壞反應堆結構。BWX將其燃料塊穿插在氫化物元素之間,而USNC-Tech的獨特設計將鈹金屬調節劑整合到燃料中。「我們的燃料保持完整,能在熱氫和輻射條件下生存,而且不會吃掉反應堆的所有中子。」Eades說。

普林斯頓電漿物理實驗室的科學家們正在利用這個實驗性反應器將聚變電漿加熱到100萬攝氏度,開發聚變動力火箭進行星際旅行是一個漫長旅途,而科學家們正在努力。普林斯頓電漿物理實驗室的Samuel Cohen說:「還有一種辦法可以實現小型、安全的核動力火箭:核聚變反應堆。主線核聚變使用氘和氚燃料,但科恩正在領導努力製造一種依靠氘原子和氦-3在高溫電漿中聚變的反應器,這種反應器產生的中子非常少。我們不喜歡中子,因為中子可以把像鋼鐵這樣的結構材料改變成更像瑞士乳酪的東西,並且可以使其具有放射性。普林斯頓實驗室的概念被稱為直接核聚變驅動,所需的燃料也比傳統核聚變少得多,該裝置可能是千分之一大。」

美國太空總署的Sheehy說:「理論上核聚變推進器的性能可能遠遠超過裂變推進器,因為前者反應釋放的能量是後者的四倍。然而,這項技術並沒有很成熟,還面臨著一些挑戰,包括產生和包含電漿,以及有效地將釋放的能量轉化為定向噴射廢氣。它還不可能為2030年代末的火星任務做好準備」

相比之下,USNC-Tech已經基於其新燃料製作了小型硬件原型。Eades說:「我們正在按部就班地實現NASA的目標,即在2027年之前準備好一個半規模的示範系統。下一步將是建造一個完整規模的火星飛行系統,這個系統可以很好地推動2035年的火星任務。」

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