Η NASA δοκιμάζει επιτυχώς νέο αντιδραστήρα μίνι πυρηνικής σχάσης, με εφαρμογές για εξερεύνηση του διαστήματος

Η Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA) ανακοίνωσε πρόσφατα ότι ολοκλήρωσε τις αρχικές δοκιμές ενός νέου μικροσκοπικού συστήματος πυρηνικής ενέργειας που προορίζεται για αποστολές στο βαθύ διάστημα. Η συσκευή αναφέρεται ως Kilopower και μπορεί μια μέρα να φέρει ισχύ σε βάσεις που είναι εγκατεστημένες στο φεγγάρι ή τον Άρη.

Το έργο Kilopower κόστισε περίπου 20 εκατομμύρια δολάρια και παράγει ενέργεια μέσω της χρήσης ουρανίου. Το ουράνιο δημιουργεί θερμική ενέργεια που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία μιας ποικιλίας διαφορετικών συσκευών, από διαστημόπλοια μέχρι μονάδες φιλτραρίσματος νερού. Τα αποτελέσματα της δοκιμής Kilopower αποκαλύφθηκαν κατά τη διάρκεια συνεδρίου που πραγματοποιήθηκε στο Ερευνητικό Κέντρο Glenn της NASA στο Οχάιο. Οι ερευνητές που εργάστηκαν στο έργο δήλωσαν ότι το πρωτότυπο Kilopower (που ονομάζεται KRUSTY – Kilopower Reactor Using Technology) ξεπέρασε όλες τις προσδοκίες που είχαν για αυτό.

The Kilopower Prototype’s Performance

Η Kilopower χρησιμοποιεί πυρηνική σχάση για να παράγει θερμότητα, η οποία μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, η συσκευή θα μπορούσε να δημιουργήσει σταθερή ενέργεια για αιώνες, χωρίς να χρησιμοποιεί ορυκτά καύσιμα ή να βασίζεται στην ηλιακή ενέργεια. Ο πυρήνας του αντιδραστήρα χρησιμοποιεί εμπλουτισμένο ουράνιο, που περιβάλλεται από έναν ανακλαστήρα οξειδίου του βηρυλλίου. Η αντίδραση σχάσης που θα μετατρέψει το ουράνιο σε ενέργεια ξεκινά με μια ράβδο καρβιδίου του βορίου. Η θερμότητα που δημιουργεί η αντίδραση μεταφέρεται σε γεννήτριες ισχύος που ονομάζονται μετατροπείς Stirling. Οποιαδήποτε περίσσεια θερμότητας εξαερίζεται μέσω ενός μεγάλου καλοριφέρ που βρίσκεται στην κορυφή της συσκευής. Η συσκευή είναι εξαιρετικά συμπαγής, καθώς έχει ύψος μόνο περίπου 2 μέτρα ή (6,5 πόδια).

Η Janet Kavandi, διευθύντρια του Ερευνητικού Κέντρου Glenn της NASA είπε στη συνέντευξη Τύπου του Οχάιο ότι είναι κρίσιμο να σκεφτούμε όλους τους πόρους που χρειάζονται οι αστροναύτες για να μείνουν σε ένα μέρος και να το εξερευνήσουν. Το σύστημα Kilopower θα μπορούσε να είναι απίστευτα σημαντικό για αποστολές στο διάστημα όπου οι αστροναύτες δεν θα μπορούν να φέρουν μεγάλες ποσότητες προμηθειών μαζί τους και θα πρέπει να παράγουν ενέργεια μακριά από τη Γη.

Είπε ο Καβάντι:

Το Kilopower θα μπορούσε να βοηθήσει τους αστροναύτες να δημιουργήσουν τους δικούς τους πόρους, τροφοδοτώντας εργαλεία και όργανα που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν οξυγόνο, νερό και καύσιμα πυραύλων.

Οι αρχικές δοκιμές του πρωτοτύπου Kilopower ήταν πολλά υποσχόμενες. Μια δοκιμή που έγινε στις 21 Μαρτίου έτρεξε ένα πρωτότυπο για 28 ώρες, σε θερμοκρασία περίπου 800°C (1.470°F). Αν και η συσκευή αποδίδει μόνο μεταξύ 1 – 4 κιλοβάτ ισχύος με απόδοση ενεργειακής μετατροπής 35%, η ερευνητική ομάδα λέει ότι όταν συνδυάζεται με το υπάρχον σύστημά της η ενεργειακή της απόδοση θα μπορούσε εύκολα να κλιμακωθεί σε περίπου 10 κιλοβάτ ισχύος. Για αναφορά, ένας λαμπτήρας 100 watt χρησιμοποιεί 0,1 κιλοβατώρες ενέργειας κάθε ώρα, επομένως σε 10 ώρες θα καταναλώνει 1 kwh.

Μελλοντικά πρωτότυπα σχεδιασμένα για να συνοδεύουν αστροναύτες σε αποστολές στον Άρη ή τη Σελήνη θα μπορούσαν να παράγουν περίπου 40 κιλοβάτ ισχύος. Σύμφωνα με ένα δελτίο τύπου που εστάλη από τη NASA, τέσσερις μονάδες Kilopower των 10 κιλοβάτ θα χρειαστούν για να τροφοδοτήσουν επαρκώς ένα φυλάκιο στον Άρη.

Συστήματα Ελέγχου Ασφάλειας και Ενέργειας

Σύμφωνα με τον Marc Gibson, επικεφαλής μηχανικό στο έργο Kilopower, ο αντιδραστήρας Kilopower είναι ένα σημαντικό ορόσημο στη δημιουργία πυρηνικών αντιδραστήρων και για την τεχνολογία εξερεύνησης του διαστήματος συνολικά. Ο Gibson εξήγησε ότι η έρευνα σε αντιδραστήρες σχάσης για εξερεύνηση του διαστήματος είχε καθυστερήσει από τη δεκαετία του 1970 έως τις αρχές της δεκαετίας του 2000 λόγω μεγάλων χρονικών πλαισίων και υψηλού επενδυτικού κόστους, με αποτέλεσμα την ακύρωση πολλών έργων.

«Αυτή είναι η πρώτη πυρηνική λειτουργία μιας νέας ιδέας αντιδραστήρα σχάσης στις ΗΠΑ εδώ και 40 χρόνια», δήλωσε ο Gibson.

Σε αντίθεση με τη θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων (RTG) που χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία σκαφών όπως το Voyagers και το Curiosity, η έξοδος ενός αντιδραστήρα σχάσης μπορεί να αλλάξει, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να κλιμακωθεί ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να παραμείνει αδρανής κατά την εκτόξευση του πυραύλου και το ταξίδι προς τον προορισμό του, ενεργοποιώντας μόλις ο πύραυλος φτάσει στον προορισμό του. Η ικανότητα αυτορρύθμισης όχι μόνο αυξάνει την ασφάλεια του αντιδραστήρα, αλλά σημαίνει επίσης ότι οι αστροναύτες δεν χρειάζεται να κάθονται εκεί και να παρακολουθούν συνεχώς τη συσκευή. Αυτό θα τους ελευθερώσει να κάνουν άλλα πράγματα.

Το σύστημα είναι σε θέση να ρυθμίζεται μόνο του λόγω ενός εσωτερικού συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας που λειτουργεί παρόμοια με έναν θερμοστάτη. Εάν ο αντιδραστήρας στη συσκευή αρχίσει να υπερθερμαίνεται, οι κινητήρες Stirling αρχίζουν να αντλούν περισσότερη ενέργεια από τον πυρήνα του ουρανίου, ψύχοντας το σύστημα. Εάν το σύστημα αρχίσει να γίνεται πολύ ψυχρό, ο πυρήνας συστέλλεται, παγιδεύοντας περισσότερα νετρόνια και αυξάνει τον ρυθμό σχάσης.

Οι μηχανικοί της NASA λένε ότι έχουν κάνει ό,τι περνούν από το χέρι τους για να διασφαλίσουν ότι ο αντιδραστήρας ενέχει ελάχιστο έως καθόλου κίνδυνο για το κοινό, ακολουθώντας όλα τα πρωτόκολλα ασφαλείας, συμπεριλαμβανομένων των πρωτοκόλλων που έχουν θεσπιστεί από τα Ηνωμένα Έθνη. Οι μηχανικοί λένε ότι δεν υπάρχει σχεδόν καμία πιθανότητα ο αντιδραστήρας να ενεργοποιηθεί κατά λάθος, ακόμα κι αν συνέβαινε ένα ατύχημα κατά την εκτόξευση. Ο αντιδραστήρας δεν θα είναι καν ενεργοποιημένος έως ότου ο πύραυλος έχει ήδη αφήσει τη Γη πολύ πίσω.

Η ομάδα Kilopower έχει επίσης εξετάσει την ασφάλεια στην τοποθεσία του αντιδραστήρα στη Σελήνη ή τον Άρη. Οι μηχανικοί της NASA θα δημιουργήσουν δοχεία που προορίζονται για την ασφαλή αποθήκευση των χρησιμοποιημένων καυσίμων του αντιδραστήρα, καθώς δεν θα ήταν πρακτικό να επιστρέψουν το καύσιμο στη Γη. Δεν υπάρχει ραδιενεργό ψυκτικό στον αντιδραστήρα που θα μπορούσε να μολύνει τον πλανήτη και η NASA διεξάγει έρευνα για μεθόδους που θα προστατεύουν τους αστροναύτες από οποιαδήποτε ακτινοβολία που μπορεί να εκπέμψει ο αντιδραστήρας κατά τη λειτουργία. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν την κατασκευή προστατευτικών συσκευών στον ίδιο τον αντιδραστήρα και την ταφή τμημάτων του αντιδραστήρα στην επιφάνεια ενός πλανήτη/φεγγαριού.

Το πρωτότυπο Kilopower διαφέρει κατά πολλούς τρόπους από τις μονάδες που μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθούν σε διαστημικές πτήσεις, αλλά το πρωτότυπο σχεδιάστηκε έχοντας κατά νου τις μονάδες έτοιμες για πτήση, επομένως η μετάβαση μεταξύ των δύο μονάδων δεν θα πρέπει να είναι πολύ δύσκολη. Η NASA θα προχωρήσει σε πτητικές δοκιμές στη συνέχεια, αν και αυτή τη στιγμή δεν υπάρχουν οριστικές ημερομηνίες για αυτές τις δοκιμές. Ενώ η γεννήτρια Kilopower μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε επιφανειακές αποστολές, θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παροχή ενέργειας σε συστήματα προώθησης ιόντων ή να χρησιμοποιηθεί στο προτεινόμενο έργο Lunar Orbital Platform-Gateway.