Simulovaný jaderný reaktor pomáhá při výzkumu vesmírných pohonů

Jak ovládáte jaderný vesmírný pohonný systém? Velmi opatrně. Aby tomu pomohla, národní laboratoř Oak Ridge (ORNL) postavila simulované zkušební jádro jaderného reaktoru pro vývoj motorů, které by mohly vyslat astronauty na Mars a dále.

Snad největší překážkou pro lidstvo, které zkoumá Sluneční soustavu osobně nebo dokonce s rojem vysoce sofistikovaných robotů, je nedostatek prostředků, jak se dostat z jednoho nebeského tělesa do druhého.

Historicky se dostat do vesmíru a posílat těžké náklady napříč nebo ven ze Sluneční soustavy spoléhalo na chemické rakety. Dělají svou práci a velmi dobře, ale trpí tím, že i když v roce 1944 vzlétla do vesmíru první německá V2, tyto rakety už fungovaly blízko svých teoretických limitů. Pravda, od té doby se udělalo hodně kupředu, ale bylo to hlavně v oblasti vyladění systému a snížení hmotnosti.

Z tohoto důvodu je velmi omezená pilotovaná mise na Mars téměř absolutním limitem pro chemický raketový motor. V praxi to znamená, že chemické rakety vyžadují asi 16 tun paliva k umístění jedné tuny užitečného nákladu na oběžnou dráhu a dosažení Měsíce vyžaduje 1000 tun paliva na každou tunu nákladu. To je důvod, proč měla loď Apollo Saturn V s kosmickou lodí Apollo, když opustila Zemi, velikost mrakodrapu, ale po návratu velitelského modulu byla velká jen asi jako zahradní kůlna.

Abychom se dostali za hranice Země nebo se dokonce mohli rychle a levně pohybovat po oblasti mezi Zemí a Měsícem, je potřeba něco s mnohem větším nadhledem. To něco je jaderný pohon.

Jaderný raketový motor je v podstatě reaktor, ve kterém prochází vodík jako pohonná látka, která se zahřeje na neuvěřitelných 3 000 K (2 727 °C, 4 940 °F), což mu dává téměř dvojnásobnou účinnost, pokud jde o tah a specifický impuls než u chemické rakety.

S jadernými raketami jsou však dva velké problémy. Za prvé, generované teplo musí být pečlivě kontrolováno, pokud nechcete, aby se motor jednoduše roztavil. Druhým je, jak ovládat raketu, vzhledem k tomu, že je v kompaktním, vysoce radioaktivním balení ve vesmíru, kde se k ní žádný technik, i když je na palubě lodi, nedostane. Přidejme k tomu, že raketa musí umět zapínat a vypínat stejně jako plyn, takže její ovládání je mnohem složitější než manipulace s pozemskou elektrárnou.

Mnoho lidí si to možná neuvědomuje, ale jaderné rakety byly vyvíjeny posledních 80 let – déle, pokud počítáte spekulace poté, co Einstein dokázal, kolik energie je uzavřeno v lžičce hmoty. Ve skutečnosti teprve krátce po výbuchu první atomové bomby se koncept jaderných motorů stal vážným výzkumným tématem.

Od té doby proběhla řada projektů NASA na stavbu praktického jaderného motoru, takže základní návrh takového zařízení už máme přibitý.

Jádrem návrhu jaderného motoru NASA je válcové jádro obsahující palivové články s uranem-235, proražené řadou kanálů, kterými může proudit vodík. Kolem tohoto jádra je obalena vrstva berylia, která odráží neutrony emitované jádrem, které způsobují jadernou reakci. Uvnitř této vrstvy je prstenec bubnů. Jedna strana bubnů je potažena beryliem, druhá bórem. Otočte se na stranu berylia a neutrony se odrazí. Otočte se na borovou stranu a neutrony se pohltí a reaktor se vypne. Otočte buben pouze částečně a reakci lze přiškrtit na požadovanou úroveň.

Při testech prováděných v 60. letech na takových motorech, jako je raketa NERVA NASA, bylo ovládání motoru pomocí předprogramovaného skriptu – podobně jako u běžného chlebového stroje. Proběhla časovaná sekvence a nastavení na reaktoru se posunulo podle plánu.

To mohlo být v pořádku při provádění pozemních testů v Jackass Flats v Nevadě, ale praktický motor bude potřebovat něco citlivějšího a sofistikovanějšího.

To je místo, kde přichází na řadu ORNL. Cílem je vybudovat testovací zařízení, které bude obsahovat šest řídicích bubnů na periferii falešného reaktoru. Uvnitř těchto bubnů jsou resolvery, optické kodéry a měřiče točivého momentu pro charakterizaci jejich pohybu. Mezitím dvoufázový proud vody a vzduchu simuluje kapalný vodík protékající reaktorem, turbočerpadla, ovládané ventily a snímače průtoku, tlaku a teploty.

To vše je řízeno jednodeskovým počítačem NVIDIA Jetson, který hostí zprostředkovatele telemetrického transportu ve frontě zpráv (MQTT) pro usnadnění komunikace mezi hardwarem a softwarem, který emuluje skutečný reaktor. Důvodem, proč je místo skutečného McCoye použit falešný reaktor, není pouze bezpečnost, ale umožňuje rychlou modifikaci a testování konstrukce, jakmile jsou identifikovány potenciální problémy.

„Naše testovací zařízení dává inženýrům možnost posunout autonomní řídicí systémy na jejich limity v bezpečném, opakovatelném prostředí,“ řekl Brandon Wilson z ORNL. „To znamená, že můžeme identifikovat a vyřešit problémy zde na Zemi – dříve, než se astronauti spolehnou na tyto systémy miliony mil od domova.“

Výzkum byl publikován v Energie.

Zdroj: ORNL