NASA SR-1 Freedom: Bygger det første nukleare rumfartøj

At flytte et objekt i rummet er meget energikrævende, selv når et rumfartøj har undsluppet en planets tyngdefelt. Dette skyldes blandt andet, at afstanden mellem himmellegemer er så enorm.

For eksempel, hvis afstanden fra Månen til Jorden kun var 0,25 meter, ville afstanden mellem Mars og Jorden være 500 meter, og til Neptun 30.000 meter.

Så jo tungere rumfartøjet er, jo mere energi er der brug for at flytte den masse med en hastighed, der er tilstrækkelig til at krydse denne enorme afstand. Og derefter er den samme energi påkrævet igen for at bremse ned.

En anden begrænsning for udforskning af dyb rummet og interplanetarisk flyvning er, at der for at skabe fremdrift skal udstødes noget masse. Men jo mere brændstof, jo mere dødmassen, hvilket kræver yderligere energi til fremdrift. Så for en kraftig acceleration skal det udstødte brændstof skubbes væk med meget høj hastighed, hvilket skaber større impuls, og energikilden skal være så tæt som muligt.

Af alle disse grunde er idéen om at bruge nuklear energi til rumrejser så gammel som begyndelsen af nuklear energiproduktion, da uran er et af de tætteste “brændstoffer”, man kan forestille sig, med et kilo uran, der potentielt kan generere op til 23 millioner kWh, sammenlignet med 13 kWh for 1 kg olie og 7 kWh for 1 kg kul.

Kilde: Visual Capitalist

Dog ingen af de forestillede designs til fremdrift i rumrejser er blevet brugt indtil nu. Den eneste relativt almindelige anvendelse af nuklear energi er radiotermiske generatorer, som bruger den passive henfald af radioaktive elementer med en relativt kort halveringstid til at forsyne rovere og sonder i dyb rummet i årtier.

Dette kan ændre sig meget snart, med en rumreaktor kaldet SR-1 Freedom, hvor SR står for “Space Reactor”.

Dette nukleare elektriske fremdriftssystem kan blive sat i drift allerede i 2028. Det vil blive brugt til at levere Skyfall-payloaden med tre Ingenuity-klasse helikoptere til Mars. Det vil primært blive brugt til at demonstrere teknologien, men i den planlagte størrelse vil det ikke være væsentligt hurtigere end en almindelig sonde.

“Skyfall-helikoptere vil bære kameraer og jordpenetrerende radar for at udforske et fremtidigt landingssted for at forstå skråninger og farer for menneskelige landere. De vil også kortlægge og karakterisere underjordisk vandis for at finde ud af, hvor vandisaflejringerne er, samt deres størrelse, dybde og andre vigtige egenskaber.”
Steve Sinacore, leder af fission surface power-programmet hos NASA

Dette er en del af en større nulstilling af NASA-programmer, som omfatter den sandsynlige fuldstændige aflysning af Lunar Gateway-rumstationen, omorganiseringen af Artemis-missionen og en mere ambitiøs opbygning af den fremtidige månbasis, lige på halen af den vellykkede opsendelse af Artemis II, som for første gang i over 50 år vil bringe astronauter ind i Månens kredsløb.

De mange typer af nuklear rumfremdrift

Nuklear elektrisk fremdrift

SR-1 Freedom’s nukleare fremdriftssystem er nuklear elektrisk, så det først bruger en nuklear reaktor til at producere elektricitet, og denne energi bruges derefter til at generere skyvekraft via rumfartøjets motorer.

For at omdanne elektricitet til skyvekraft, og dermed nyttig bevægelse, er den mest anvendte metode, som også bruges af SR-1 Freedom, ionthrusters. I tilfældet med SR-1 Hall-effekt thrusters.

Disse propeller ioniserer en gas med elektricitet, grundlæggende “lader” gassen, der bruges som brændstof, typisk xenon eller krypton, med energi. Disse reaktorer har en meget høj effektivitet på 45-60 % og højt specifikt impuls, hvilket betyder, at mindre brændstofmasse er nødvendig for den samme fremdriftseffekt.

Dog er ionthrusters relativt svage individuelt, så de er bedst egnet til langdistancerejser, hvor en langsom og jævn acceleration kan ophobe sig til høj hastighed.

Indtil nu har ionthrusters været brugt, men er begrænset af den energi, som sondens solpaneler leverer. Med en nuklear energikilde kan der genereres meget mere skyvekraft og acceleration.

Dette er uden tvivl den mest modne version af nuklear fremdrift, da både nuklear energiproduktion og ionthrusters er veludviklede teknologier. Så det er kun et spørgsmål om design og ingeniørarbejde at få dem til at fungere sammen, hvilket forklarer den korte tidsramme for SR-1-implementeringen.

Nuklear termisk fremdrift

Nukleare reaktorer genererer energi ved at omdanne radioaktivitet til varme og derefter omdanne den varme til elektricitet.

Så denne fremdriftsmetode fjerner mellemliggende trin og bruger direkte varmen. Ideen er at bruge nuklear energi til at overophede et brændstof, typisk flydende hydrogen, og drive den varme gas for at skabe bevægelse.

Denne idé kunne i teorien generere enorm fremdriftkapacitet. I praksis kræver den en stor mængde nuklear energi på én gang og meget brændstof, hvilket betyder, at den primært er anvendelig for massive rumfartøjer, meget større end de sædvanlige interstellare sonder eller endda en supertung raket som Starship.

Andre nukleare fremdriftssystemer

Energitettheden i nuklear energi har skabt endnu vildere potentielle koncepter.

For eksempel blev Project Orion, som blev seriøst diskuteret i 1950’erne og 1960’erne, betragtet som kernen i den kolde krig. Det forestillede sig en række nukleare eksplosioner som hovedmidlet til fremdrift, med rumfartøjet beskyttet mod stråling og skader af et massivt skjold, et koncept kendt som nuklear puls fremdrift.

Andre idéer, såsom fission fragment raketter eller gas-kerne reaktor raketter, overvejer at udstøde selve det nukleare brændstof som fremdriftsmateriale.

Dog er disse idéer i de fleste tilfælde mere teoretiske end praktiske, i høj grad fordi den skala af rumskibe, de ville kræve, simpelthen ikke er inden for rækkevidde i den overskuelige fremtid.

Hvorfor er nuklear fremdrift endnu ikke sket?

Geopolitik

Delvist er årsagen til, at nuklear fremdrift aldrig blev realiseret, at den simpelthen ikke var nødvendig. Efter de mange landinger på Månen kølede rumkapløbet mellem USSR og USA af.

Og med Sovjetunionens sammenbrud forsvandt ambitionen om stadig større rumfartøjer eller fremtidige baser i rummet i flere årtier.

Til udforskning langt fra Solen var radiotermiske generatorer tilstrækkelige. Så nuklear fremdrift er simpelthen ikke påkrævet for bemandet flyvning, ud over ISS, og for at sende små sonder til Mars eller dybere ud i rummet.

Dog har Kinas fremmarch som en meget seriøs rummagt nu udløst et nyt rumkapløb til Månen og Mars. Så dette kan forklare genoplivningen af amerikanske nukleare fremdriftsprojekter, da nuklear fremdrift sandsynligvis vil være påkrævet for enhver seriøs bemandet flyvning til Mars eller videre.

Politik og nuklear image

Billedet af nuklear energi er også blevet beskadiget af ulykker som Tjernobyl og Fukushima, hvilket har gjort idéen om at sende en nuklear reaktor ud i rummet, uanset størrelse, upopulær.

Derudover dræbte 1967-traktaten om det ydre rum og 1963-traktaten om delvis testforbud nukleare fremdriftskoncepter som Project Orion.

Endelig er opsendelse af materiale i rummet altid et risikabelt projekt, med raketter i fare for at fejle og eksplodere på vej til kredsløb.

I et sådant tilfælde kunne radioaktivt materiale spredes over et stort område, og selvom den faktiske mængde er minimal, gjorde den tilknyttede POR-katastrofe NASA tilbageholdende med at tage risikoen uden et stærkt pres fra den amerikanske politiske ledelse.

Tekniske problemer

Nukleare reaktorer, især i perioden 1950-1990, var massive udstyrsstykker. Denne type nuklear reaktor er ret vanskelig, eller endda umulig, at bruge i rummet, hvor hver gram masse tæller. Den ekstra vægt af skjold mod reaktorens stråling tilføjer yderligere masse.

Dette er ikke så sandt i æraen med SMR’er (Small Modular Reactors) og mikroreaktorer, men disse teknologier er en relativt ny udvikling.

Skørhed fra neutroner, der rammer de omkringliggende materialer, kan forårsage revner eller anden skade i luftfartsmaterialer. Så dette måtte også forstås bedre og afbødes.

Nukleare termiske raketter er også sårbare over for hydrogenkorrosion, da hydrogen bliver ekstremt aggressivt og æder reaktoren og fremdriftselementerne ved de forventede temperaturer på 2.200°C (4.000°F).

SR-1 Freedom-design

En kraftreaktor og mange førstegangsresultater

SR-1 Freedom vil være baseret på en 20-40 kWe lukket Brayton-cyklus fissionsreaktor, et design der kombinerer en nuklear varmekilde med et gasturbine-energiomdannelsessystem i en lukket kreds. Affaldsvarme evakueres derefter ud i rummet gennem store radiatorer lavet af titanium.

Kilde: CNET

Reaktoren vil blive brændt med high-assay low-enriched uranium (HALEU), ved brug af urandioxidbrændstof, som er sikrere at håndtere end våbengradbrændstof.

For at beskytte elektronikken (og fremtidige astronauter) mod reaktorens stråling, er den omsluttet af et borcarbid-strålingsskjold, der dirigerer strålingen væk fra rumfartøjet.

SR-1 er langt fra den første prototype eller koncept for nuklear fremdrift, men det vil være den første, der forlader laboratoriet og når rummet, bygget på årtiers erfaring og investering i feltet.

“I seks årtier investerede USA mere end 20 milliarder dollars i dusinvis af rum-nukleare programmer og fløj præcis én reaktor — SNAP-10A i 1965. Den forlod aldrig kredsløb. Milliarder brugt, årtier tabt. SR-1 bryder dette mønster. Et Mars-afgangsvindue i december 2028 tvinger beslutninger, som årtiers studier aldrig har gjort.”
Jared Isaacman – NASA-administrator

Genbrug af Lunar Gateway-moduler

Et andet element, der forklarer, hvordan den ultrahurtige implementering af SR-1 er mulig, er at ionthruster-delen af rumfartøjet er klar.

Fremdriftssystemet, der vil blive brugt, er den næsten færdigbyggede, NASA-udviklede rumfartøjsbus, Power and Propulsion Element (PPE), oprindeligt udviklet til Lunar Gateway.

Da den månebaserede rumstation tilsyneladende bliver skrottet, vil dens elementer, fortrinsvis bygget af NASA’s partnere i Europa, Japan, Sydkorea, Canada og andre, blive genanvendt i projekter som SR-1, bedre tilpasset de nye rumambitioner fra NASA og USA.

“Alle aktiver, hvert kilogram, alle de måneudforskningsressourcer, vi har, vil blive fokuseret på én ting, og det er at bygge månebasisen,”
Carlos Garcia-Galan – stedfortrædende leder for Gateway-programmet

PPE er udstyret med fire 6‑kilowatt (kW) Hall‑effekt thrusters bygget af Busek og tre 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall‑effekt thrusters udviklet af NASA og Aerojet Rocketdyne , et datterselskab af L3Harris (LHX ).

PPE’s højtydende solpaneler vil også blive beholdt, i tilfælde af at den eksperimentelle nukleare reaktor har brug for vedligeholdelse eller får et problem.

Udover SR-1

Mod mere nuklear energi i rummet

Målet med SR-1 er at give en reel test af reaktordesignet, både til fremdrift og andre anvendelser.

Så dette vil sandsynligvis en dag blive brugt til en bemandet flyvning til Mars, men vil også have mere umiddelbare anvendelser.

For eksempel vil de data, der indsamles fra SR-1 Freedom-flyvningen til Mars, være vigtige for udviklingen af Lunar Reactor-1 (LR-1).

“I 2030’erne vil vi skalere op og gå i produktion af yderligere reaktorer. Vi taler om hundredevis af kilowatt til megawatt-klasse reaktorer til alle nukleare anvendelser. Højere effekt-missioner til månen, bemandede missioner til Mars, med kommerciel deltagelse og gentagelig produktion.”
Steve Sinacore, leder af fission surface power-programmet hos NASA

Denne fissionsreaktor vil blive designet til at levere kontinuerlig energi til en månebasis i perioder uden sollys, og vil også bruge en lukket Brayton-cyklus energikonverteringsenhed.

“Fissionsoverflade-energi-programmet er planlagt til at levere noget i fase tre for mere kapacitet, og måske mere end én ting, for den kapacitet, vi forventer at have brug for til månebasisen. Alt, hvad vi kan gøre for ikke nødvendigvis at være afhængige af solenergi og tillade aktiverne at få opvarmning og måske noget strøm, vil være guld værd for vores evne til at bringe det videre.”
Carlos Garcia-Galan – stedfortrædende leder for Gateway-programmet

Alligevel vil den mest betydningsfulde arv fra SR-1 på lang sigt sandsynligvis være muligheden for bemandet nuklear flyvning til Mars, der tager 4 måneder eller mindre, sammenlignet med 9 måneder eller mere med kemiske raketter.

Fremtidige nukleare fremdriftssystemer

Oprindeligt planlagt til 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), en termisk raketmotor, blev annulleret i 2025, da det blev vurderet, at raketter som SpaceX’s (SPCX ) Starship er tilstrækkelige til orbital og cis-lunar rejse.

Alligevel kunne denne teknologi potentielt halvere rejsetiden til Mars, ligesom den potentielle arv af SR-1.

På lang sigt, hvis elektrisk nuklear fremdrift bliver normaliseret, kan andre former for nuklear fremdrift også blive levedygtige.

En anden mulighed er, at SR-1-typen af fremdriftssystemer monteres på et fragtskib, der kan køre frem og tilbage til Månen eller Mars og accelerere andre rumfartøjer, kun med lejlighedsvis påfyldning af gaspropellant eller radioaktivt brændstof. På denne måde kunne det samme system levere fremdrift til dusinvis af dyb-rumsmissioner.

I dette koncept kunne elektrisk eller termisk nuklear fremdrift opnå for dyb-rumsudforskning, hvad SpaceX gjorde for orbital opsendelse: skabe genanvendelige, langtidsholdbare fartøjer, der både reducerer omkostninger og gør rumrejser meget mere effektive, så der kan flyttes meget større masse af nyttelast.

Investering i SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris er en stor leverandør inden for luft- og rumfart samt forsvar, resultatet af fusionen mellem L3 Technologies og Harris Corporation i 2019.

Virksomheden leverer ikke kun Hall‑effekt thrusters til SR-1, men er også direkte involveret i udviklingen af fissionsoverflade‑energiprogrammet, som vil levere nuklear energi til den fremtidige amerikanske månebasis.

“Nuklear fremdrift kan drive udforskning til de fjerneste dele af solsystemet og videre, styrke national sikkerhed og muliggøre banebrydende opdagelser. Manøvrerbarhed i rummet har længe været en begrænsende faktor for de mest ambitiøse robotudforskninger og andre unikke regeringsapplikationer, og L3Harris er forpligtet til at fjerne denne begrænsning.”
Kristin Houston, præsident, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Dens elektriske fremdriftssystem blev også brugt af NASAs Dawn-mission til hovedbæltes-asteroiderne Ceres og Vesta.

Virksomheden undersøger også nuklear termisk fremdrift (NTP), bygget på dens nye erfaring med elektrisk nuklear fremdrift og dens langt mere etablerede erfaring med radioisotop termiske generatorer, da den leverede strømkilden til både Mars Curiosity Rover og Mars Perseverance Rover.

Dog er rummet kun ét segment af virksomhedens aktiviteter.

Dens kerneforretning er at levere den amerikanske militær og dets allierede sikker kommunikation (halvdelen af det globale marked for taktisk radio), kommandocentre, radar‑ og kommunikationsplaner, elektronisk krigsførelse, satellitter til missilopsendelsesdetektion osv.

Aerodyne, virksomheden der leverer SR-1 med sine fremdriftssystemer, er også en stor producent af missiler, herunder ammunition til missilforsvarssystemer, hvis lager er blevet kraftigt belastet af krigene i Ukraine og Iran.

Generelt vil den planlagte vækst i det amerikanske militærbudget fra 1 billion til 1,5 billion dollars sandsynligvis løfte alle både for investorer i forsvarssektoren, især da krigen i Ukraine har udtømt lageret, og krigen med Iran har afsløret et behov for mere ammunition og missilforsvar.

Det er denne sidste afsløring af udviklingen i militær strategi, der kan gavne L3Harris mest. Hvis Ukraine afslørede vigtigheden af droner og elektronisk krigsførelse, så fremhævede konflikten med Iran vigtigheden af missilforsvar. Og mere end noget andet, vigtigheden af et dybt lager af afskrækningsmissiler, da hver indkommende missil forbruger 2‑3 afskrækningsmissiler.

Derudover bør den fornyede ambition fra NASA også gavne virksomheden som en primær leverandør af ionthrusters og rum-nuklear energi.

(Du kan læse mere om L3Harris’ luft- og rumfarts- og forsvarsaktiviteter i vores investeringsrapport dedikeret til virksomheden.)

Seneste L3Harris (LHX) aktienyheder og udviklinger