Simulovaný výzkum nukleárního reaktoru AIDS Space Propalsion

Jak ovládáte systém pohonu jaderného prostoru? Velmi opatrně. Abychom to pomohli, vybudovala národní laboratoř Oak Ridge (ORNL) simulovaný testovací postel jaderného reaktoru pro vývoj motorů, které by mohly poslat astronauty na Mars a dále.

Snad největším úzkým úzkým místem pro lidstvo prozkoumávající sluneční soustavu osobně nebo dokonce s rojemi vysoce sofistikovaných robotů je nedostatek prostředků, jak se dostat z jednoho nebeského těla k druhému.

Historicky se dostane do vesmíru a odesílání těžkých užitečných zatížení napříč nebo ze sluneční soustavy se spoléhalo na chemické rakety. Dělají tuto práci a velmi dobře, ale trpí skutečností, že i když první německý V2 letěl do vesmíru v roce 1944, tyto rakety již fungovaly v blízkosti svých teoretických limitů. Je pravda, že od té doby došlo k velkému pokroku, ale hlavně je to v oblasti vylepšení systému a snižování hmotnosti.

Z tohoto důvodu je velmi omezená mise s posádkou na Mars jen o absolutním limitu chemického raketového motoru. V praktickém hledisku chemické rakety vyžadují asi 16 tun paliva, aby se umístily jednu tunu užitečného zatížení na oběžné dráze a k dosažení měsíce vyžadovaly 1 000 tun paliva pro každou tunu užitečného zatížení. To je důvod, proč Apollo Saturn V s kosmickou lodí Apollo byla velikost mrakodrapu, když opustil Zemi, ale jen tak velký jako zahradní bouda, když se příkazový modul vrátil.

Abychom šli za hranicemi Země nebo se dokonce mohli rychle a levně pohybovat po celé oblasti mezi zemí a Měsícem, je třeba něco s mnohem více oomph. Že něco je jaderný pohon.

V podstatě je jaderný raketový motor reaktor, který má vodík, který skrz něj prochází jako hnutí, který se zahřívá na úžasné 3 000 K (2 727 ° C, 4 940 ° F), což mu dává téměř dvojnásobek účinnosti z hlediska tahu a specifického impulsu jako chemické rakety.

S jadernými raketami však existují dva hlavní problémy. Za prvé, generované teplo musí být pečlivě ovládáno, pokud nechcete, aby motor skončil jednoduše tání. Druhým je, jak ovládat raketu, vzhledem k tomu, že je v kompaktním, vysoce radioaktivním balíčku ve vesmíru, kde se k ní nemůže dostat žádný technik, i když na palubě lodi. Přidejte k tomu, raketa musí být schopna zapnout a vypnout i škrticí klapku, takže ovládání je mnohem složitější než manipulace s elektrárnou.

Mnoho lidí si toho nemusí být vědomy, ale jaderné rakety se vyvíjejí za posledních 80 let – pokud počítáte spekulace poté, co Einstein prokázal, kolik energie je uzamčena v lžičce hmoty. Ve skutečnosti to bylo teprve krátce po detonaci první atomové bomby, že koncept jaderných motorů se stal vážným výzkumným tématem.

Od té doby existuje řada projektů NASA na stavbu praktického jaderného motoru, takže již máme základní design takového zařízení přibitého.

Jádrem designu jaderného motoru NASA je válcové jádro, které drží palivové prvky uranu-235, propíchnuté řadou kanálů, aby vodík protékal. Kolem tohoto jádra je zabaleno vrstvu berylia, která odráží neutrony emitované jádrem, aby způsobily jadernou reakci. Uvnitř této vrstvy jsou prsten bubnů. Jedna strana bubnů je potažena beryliem, druhá s Boronem. Otočte se na stranu berylia a odráží se neutrony. Otočte se na stranu boru a neutrony jsou absorbovány a vypnutí reaktoru. Otočte bubnu pouze částečnou cestou a reakce lze škrtit na požadovanou úroveň.

V testech probíhá v šedesátých letech na takových motorech, jako je NASA’s Nerva Rocket, ovládání motoru proběhlo prostřednictvím předprogramovaného skriptu – podobně jako běžný chléb. Běžela časovaná sekvence a nastavení na reaktoru se posunula v souladu s plánem.

To by mohlo být v pořádku, když provádí testy na pozemních testech v Jackass Flats v Nevadě, ale praktický motor bude potřebovat něco citlivějšího a sofistikovanějšího.

To je místo, kde přichází ORNL. Myšlenkou je postavit zkušební postel, které zahrnuje šest kontrolních bubnů na periferii figuríny. Uvnitř těchto bubnů jsou resolvery, optické kodéry a měřiče točivého momentu, aby se charakterizovaly jejich pohyb. Mezitím dvoufázový průtok vody a vzduchu simuluje kapalný vodík protékající reaktorem, turbo čerpadly, aktivované ventily a průtok, tlak a teplotní senzory.

To vše je ovládáno jednobojovým počítačem NVIDIA Jetson, který je hostitelem zprostředkovatele telemetrické transport (MQTT) ve frontě zpráv, aby usnadnil komunikaci mezi hardwarem a softwarem, který emuluje skutečný reaktor. Důvodem, proč se fiktivní reaktor používá místo skutečného McCoy, je nejen pro bezpečnost, ale také pro umožnění rychlé úpravy a testování návrhu, jak jsou identifikovány potenciální problémy.

„Naše zkušební postel dává inženýrům schopnost tlačit autonomní kontrolní systémy na své limity v bezpečném a opakovatelném prostředí,“ řekl ORNL’s Brandon Wilson. „To znamená, že můžeme identifikovat a řešit problémy zde na Zemi – než se astronauti spoléhají na tyto systémy miliony kilometrů od domova.“

Výzkum byl publikován v Energie.

Zdroj: ORNL