NASA SR-1 Freedom: Ensimmäisen ydinavaruusaluksen rakentaminen

Kohteen liikuttaminen avaruudessa kuluttaa paljon energiaa, vaikka avaruusalus olisi jo päässyt pois planeetan painovoimakentästä. Tämä johtuu osittain siitä, että taivaankappaleiden välinen etäisyys on niin valtava.

Esimerkiksi, jos Kuun ja Maan välinen etäisyys olisi vain 0,25 metriä, Marsin ja Maan välinen etäisyys olisi 500 metriä ja Neptunuksen 30 000 metriä.

Siksi mitä raskaampi avaruusalus on, sitä enemmän energiaa tarvitaan massan liikuttamiseen nopeudella, joka riittää ylittämään tämän valtavan etäisyyden. Sama energia tarvitaan myös hidastamiseen.

Toinen syväavaruustutkimuksen ja planeettojen välisten lentojen rajoite on, että työntövoiman luomiseksi on poistettava jonkin verran massaa. Mutta mitä enemmän polttoainetta, sitä enemmän kuollutta painoa, mikä vaatii lisää energiaa työntövoiman tuottamiseen. Siksi voimakkaan kiihtyvyyden saavuttamiseksi poistettava polttoaine on työntettävä pois erittäin suurella nopeudella, mikä luo suuremman impulssin, ja energialähteen on oltava mahdollisimman tiheä.

Kaikkien näiden syiden vuoksi ydinenergian käyttö avaruusmatkustuksessa on ajatus, joka on yhtä vanha kuin ydinvoiman alkaminen, sillä uraani on yksi tiheimmistä mahdollisista “polttoaineista”, yksi kilo uraania voi tuottaa mahdollisesti jopa 23 miljoonaa kWh, verrattuna 13 kWh:iin kilogrammaa kohteessa öljyä ja 7 kWh:iin kilogrammaa hiiltä.

Lähde: Visual Capitalist

Kuitenkin mikään tähän mennessä avaruusmatkustuksen työntövoimaksi suunnitelluista malleista ei ole ollut käytössä. Ainoa melko yleinen ydinvoiman käyttö on radiolämpögeneraattorit, jotka hyödyntävät radioaktiivisten alkuaineiden passiivista hajoamista, jolla on suhteellisen lyhyt puoliintumisaika, ja jotka antavat energiaa roverille ja sondille syväavaruudessa vuosiksi tai jopa vuosikymmeniksi.

Tämä saattaa muuttua hyvin pian, kun avaruusreaktori nimeltä SR-1 Freedom, jossa SR tarkoittaa “Space Reactor”.

Tämä ydin sähköinen työntövoimajärjestelmä voitaisiin ottaa käyttöön jo vuonna 2028. Sitä käytetään toimittamaan Marsiin Skyfall-kuorma, jossa on kolme Ingenuity-luokan helikopteria. Sitä käytetään lähinnä teknologian demonstrointiin, mutta suunnitellussa koossa se ei ole merkittävästi nopeampi kuin tavallinen sondi.

“Skyfall-helikopterit kantavat kameroita ja maaperään tunkeutuvaa tutkaa tutkiakseen tulevaa laskeutumispaikkaa ja ymmärtääkseen rinteitä sekä vaaroja ihmisen mittakaavan laskeutujille. Ne myös kartoittavat ja kuvaavat alapuolista vesijäästä selvittääkseen, missä vesijääsijoja on, sekä niiden kokoa, syvyyttä ja muita tärkeitä ominaisuuksia.”
Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Tämä on osa laajempaa NASA:n ohjelmien uudistusta, johon sisältyy todennäköisesti Lunar Gateway -avaruusasemän täydellinen peruutus, Artemis-mission uudelleenjärjestely ja kunnianhimoisempi tulevaisuuden Kuun tukikohtien rakentaminen, juuri menestyneen Artemis II -lennon jälkeen, mikä tuo ensimmäistä kertaa yli 50 vuoden jälkeen astronautit Kuun kiertoradalle.

Monet ydinavaruuspropulsiojärjestelmät

Ydin sähköinen propulsio

SR-1 Freedomin ydinpropulsiojärjestelmä on ydin sähköinen, joten se käyttää ensin ydinreaktoria tuottamaan sähköä, ja tätä energiaa käytetään sitten avaruusaluksen moottoreiden työntövoiman tuottamiseen.

Sähkön muuntamiseksi työntövoimaksi, ja siten hyödylliseksi liikkeeksi, yleisimmin käytetty menetelmä, ja SR-1 Freedomin käyttämä, on ionimoottorit. SR-1:n tapauksessa Hall-vaikutusmoottorit.

Nämä propellit ionisoivat kaasua sähköllä, ikään kuin “lataamalla” energiaa polttoaineena käytettävään kaasuun, yleensä xenonia tai kryptonia. Näillä reaktoreilla on erittäin korkea hyötysuhde 45–60 % ja korkea spesifinen impulssi, mikä tarkoittaa, että vähemmän polttoainemassaa tarvitaan saman propulsioefektin saavuttamiseksi.

Kuitenkin ionimoottorit ovat yksittäin melko heikkoja, joten ne soveltuvat parhaiten pitkän matkan matkoihin, joissa hidas ja tasainen kiihtyvyys voi kerääntyä korkeaksi nopeudeksi.

Tähän mennessä ionimoottoreita on käytetty, mutta ne ovat rajoittuneet sondin aurinkopaneelien tarjoamaan energiaan. Ydinvoiman lähteellä voidaan tuottaa paljon enemmän työntövoimaa ja kiihtyvyyttä.

Ehdottomasti tämä on kypsin versio ydinpropulsiojärjestelmästä, sillä sekä ydinvoiman tuotanto että ionimoottorit ovat hyvin hallittuja teknologioita. Joten kyse on vain suunnittelusta ja insinööritieteestä, jotta ne toimivat yhdessä, mikä selittää lyhyen aikataulun SR-1:n käyttöönotolle.

Ydinlämpöpropulsio

Ydinreaktorit tuottavat energiaa muuntamalla radioaktiivisuuden lämmöksi ja sitten muuttamalla lämmön sähköksi.

Tässä propulsio­menetelmässä välikäsi poistetaan ja lämpöä käytetään suoraan. Ideana on käyttää ydinenergiaa ylikuumentamaan polttoainetta, yleensä nestemäistä vetyä, ja työntää kuumaa kaasua liikkeen aikaansaamiseksi.

Tämä idea voisi teoriassa tuottaa valtavan propulsio­kapasiteetin. Käytännössä se vaatii paljon ydinenergiaa kerralla ja paljon polttoainetta, mikä tarkoittaa, että se soveltuu lähinnä massiivisiin avaruusaluksiin, paljon suurempiin kuin tavalliset interstellaariset sondit tai jopa superraskas raketti kuten Starship.

Muut ydinpropulsiojärjestelmät

Ydinenergian energiateho on synnyttänyt vieläkin villimpiä mahdollisia konsepteja.

Esimerkiksi Project Orion, jota käsiteltiin vakavasti 1950- ja 1960-luvuilla, oli kylmän sodan ytimessä. Se kuvitteli sarjan ydinräjähdyksiä pääasiallisena työntövoiman lähteenä, ja avaruusalus suojattiin säteilyltä ja vaurioilta massiivisella suojalla, konsepti tunnetaan nimellä ydinpulssipropulsio.

Muut ideat, kuten fission fragment rockets tai gas core reactor rockets, harkitsevat ydinpolttoaineen itsensä poistamista propulsiomateriaalina.

Kuitenkin nämä ideat ovat useimmiten enemmän teoreettisia kuin käytännöllisiä, suurelta osin koska vaadittavien avaruusalusten mittakaava ei ole lähitulevaisuudessa saavutettavissa.

Miksi ydinpropulsio ei ole vielä toteutunut?

Geopoliikka

Osittain syynä siihen, että ydinpropulsio ei koskaan toteutunut, on se, että sitä ei yksinkertaisesti tarvittu. Useiden kuulentulojen jälkeen Yhdysvaltojen ja Neuvostoliiton välinen avaruuskilpailu laantui.

Ja Neuvostoliiton hajoamisen myötä pyrkimys yhä suurempiin avaruusaluksiin tai tuleviin ulkopuolisiin tukikohtiin hiipui useiden vuosikymmenten ajan.

Aurinkokunnan ulkopuolisessa tutkimuksessa radiolämpögeneraattorit riittivät. Joten ydinpropulsio ei ole tarpeen miehitettyyn lentoon, enempää kuin Kansainvälisen avaruusasemaan (ISS), eikä pienten sonden lähettämiseen Marsiin tai syvemmälle avaruuteen.

Kiinan nousu erittäin vakavaksi avaruusvallaksi on nyt käynnistänyt uuden avaruuskilpailun Kuuhun ja Marsiin. Tämä saattaa selittää amerikkalaisten ydinpropulsiohankkeiden uudelleensyntymisen, sillä ydinpropulsio todennäköisesti vaaditaan kaikissa vakavissa miehitettyissä matkoissa Marsiin tai sen ulkopuolelle.

Politiikka ja ydinkuva

Ydinenergian kuva on myös kärsinyt onnettomuuksista kuten Tšernoblin ja Fukushiman, mikä on tehnyt ydinreaktorin lähettämisestä avaruuteen, koosta riippumatta, epäsuosittua. Ilman vahvaa poliittista tukea nämä ohjelmat eivät saaneet riittävää vauhtia siirtyäkseen prototyypeistä ja testeistä todellisiksi avaruusaluksiksi.

Lisäksi vuoden 1967 avaruussopimus ja vuoden 1963 osittainen testisopimus estivät ydinpropulsio-konsepteja kuten Project Orion.

Lopuksi, materiaalin laukaiseminen avaruuteen on aina riskialtis projekti, jossa raketit voivat epäonnistua ja räjähtää kiertoradalle päästyään.

Tällaisessa tapauksessa radioaktiivinen materiaali voisi levitä laajalle alueelle, ja vaikka todellinen määrä olisi minimaalinen, siihen liittyvä POR-hätätilanne sai NASA:n epäröimään riskin ottamista ilman vahvaa Yhdysvaltain poliittista johdon tukea.

Tekniset ongelmat

Ydinreaktorit, erityisesti 1950–1990-luvuilla, olivat massiivisia laitteita. Tällainen ydinreaktori on melko vaikea, tai jopa mahdoton, käyttää avaruudessa, jossa jokainen grammi massasta merkitsee. Lisäpainon säteilysuojauksesta lisää massaa.

Tämä ei pidä paikkaansa pienreaktoreiden (SMR) ja mikroreaktoreiden aikakaudella, mutta nämä teknologiat ovat suhteellisen uusia kehityksiä.

Neutronien aiheuttama hauraus ympäröivissä materiaaleissa voi aiheuttaa halkeamia tai muuta vahinkoa ilmailumateriaaleissa. Tämäkin täytyy ymmärtää paremmin ja lieventää.

Ydinlämpöiset raketit ovat myös alttiita vedyn korroosiolle, sillä vety muuttuu äärimmäisen aggressiiviseksi, syöden reaktoria ja propulsio­komponentteja suunnitelluissa 2 200 °C (4 000 °F) lämpötiloissa.

SR-1 Freedom -suunnittelu

Teho-reaktori ja monia ensiaskeleita

SR-1 Freedom perustuu 20–40 kWe suljettuun Brayton-syklin fissio‑reaktoriin, suunnitteluun, jossa ydinlämpölähde yhdistetään kaasututkijaan perustuvaan energiamuunnossysteemiin suljettuna silmukkana. Jäteenergia poistetaan avaruuteen suurten titaaniradiatorien kautta.

Lähde: CNET

Reaktori polttoaa korkean pitoisuuden vähän rikastetulla uraanilla (HALEU), käyttäen uraanioksidipolttoainetta, joka on turvallisempi käsitellä kuin aseistustason polttoaine.

Sähköisten laitteiden (ja tulevien astronauttien) suojaamiseksi reaktorin säteilyltä se on suojattu boorikarbidi-säteilysuojuksella, joka ohjaa säteilyn pois avaruusaluksesta.

SR-1 ei ole ensimmäinen ydinpropulsio‑prototyyppi tai -konsepti, mutta se on ensimmäinen, joka lähtee laboratoriosta ja saavuttaa avaruuden, perustuen vuosikymmenten kokemukseen ja investointeihin alalla.

“Kuuden vuosikymmenen ajan Yhdysvallat investoi yli 20 miljardia dollaria kymmeniin avaruusydinohjelmiin ja laukaisi täsmälleen yhden reaktorin — SNAP‑10A:n vuonna 1965. Se ei koskaan poistunut kiertoradalta. Miljardeja kulutettu, vuosikymmeniä menetetty. SR-1 lopettaa tämän mallin. Marraskuun 2028 Mars-laukaisuaika pakottaa päätöksiä, joita vuosikymmenten tutkimus ei koskaan tehnyt.”
Jared Isaacman – NASA Administrator

Lunar Gateway -moduulien uudelleenkäyttö

Toinen tekijä, joka selittää, miten SR-1:n erittäin nopea käyttöönotto on mahdollista, on se, että avaruusaluksen ionimoottoriosa on valmis.

Käytettävä propulsiojärjestelmä on lähes valmis, NASA:n kehittämä avaruusaluksen runko, Power and Propulsion Element (PPE), alun perin kehitetty Lunar Gateway -hankkeeseen.

Koska Kuun avaruusasemaa ilmeisesti lakkautetaan, sen osat, jotka suurimmaksi osaksi on rakennettu NASA:n kumppaneiden Euroopassa, Japanissa, Etelä‑Koreassa, Kanadassa ja muissa, tullaan uudelleenkäyttämään projekteissa kuten SR-1, paremmin vastaamaan NASA:n ja USA:n uusia avaruusambitioita.

“Jokainen resurssi, jokainen kilogramma, kaikki Kuun tutkimusresurssit, jotka meillä on, keskitetään yhteen asiaan: Kuun tukikohdan rakentamiseen.”
Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program

PPE:ssä on neljä 6 kW Hall-vaikutusmoottoria, jotka on valmistanut Busek , ja kolme 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall-vaikutusmoottoria, jotka on kehittänyt NASA ja Aerojet Rocketdyne, L3Harrisin tytäryhtiö L3Harris (LHX ).

PPE:n korkean suorituskyvyn aurinkopaneelit pidetään myös, jos kokeellinen ydinreaktori tarvitsee huoltoa tai kohtaa ongelman.

SR-1:n jälkeen

Kohti enemmän ydinenergiaa avaruudessa

SR-1:n tavoitteena on antaa todellinen koe ydinreaktorin suunnittelusta sekä propulsioon että muihin käyttötarkoituksiin.

Näin ollen se todennäköisesti käytetään joskus miehitettyyn Mars-matkaan, mutta sillä on myös läheisempiä sovelluksia.

Esimerkiksi SR-1 Freedomin Mars-lennolta kerätty data on tärkeä Lunar Reactor-1 (LR-1) -kehitykselle.

“2030‑luvuilla skaalautamme ja siirrymme tuotantoon” lisää reaktoreita. Puhumme sadoista kilowatteista megawatti‑luokan reaktoreihin kaikkiin ydin sovelluksiin. Korkeampitehoiset tehtävät Kuuhun, miehitetyt Mars-matkustukset, kaupallinen osallistuminen ja toistettavissa oleva tuotanto.
Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Tämä fissio‑reaktori suunnitellaan tarjoamaan jatkuvaa energiaa Kuun tukikohdalle auringonvalon puuttuessa, ja se käyttää myös suljettua Brayton-syklin energiamuunnossysteemiä.

“Fissio‑pinta‑voimaprogramma on suunniteltu toimittamaan jotain kolmannessa vaiheessa lisää kapasiteettia, ehkä jopa useampia ratkaisuja, sillä odotamme tarvitsevanmme kapasiteettia Kuun tukikohdalle. Kaikki, mitä voimme tehdä välttääksemme riippuvuuden auringon energiasta ja sallimme laitteiden saada lämmitystä ja mahdollisesti jonkin verran sähköä, on kultaa kyvyllemme edetä.”
Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program

Kuitenkin pitkällä aikavälillä SR-1:n tärkein perintö on todennäköisesti mahdollisuus miehitettyyn ydinlentoon Marsiin, joka kestää 4 kuukautta tai vähemmän, verrattuna 9 kuukauteen tai enemmän kemiallisten rakettien kanssa.

Tulevaisuuden ydinpropulsiojärjestelmät

Alun perin suunniteltu vuodelle 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) -lämpöinen rakettimoottori, peruttiin vuonna 2025, koska katsottiin, että SpaceX:n Starship‑raketit ovat riittävän hyviä kiertorata- ja cis‑kuun-matkoihin.

Kuitenkin tämä teknologia voisi mahdollisesti puolittaa matkustusaikaa Marsiin, samankaltaisesti SR-1:n mahdollisen perinnön kanssa.

Pitkällä aikavälillä, jos sähköinen ydinpropulsio normalisoituu, myös muut ydinpropulsio‑muodot voivat tulla käyttökelpoisiksi.

Toinen mahdollisuus on, että SR-1:n tyyppisiä propulsiojärjestelmiä asennetaan rahtialukselle, joka pystyy kiertämään Kuuta tai Marsia ja kiihdyttämään muita avaruusaluksia, tarvitsematta muuta kuin satunnaista kaasupolttoaineen tai radioaktiivisen polttoaineen tankkausta. Näin sama järjestelmä voisi tarjota propulsioita kymmenille syväavaruuslennoille.

Tässä konseptissa sähköinen tai lämpöinen ydinpropulsio voisi saavuttaa syväavaruustutkimuksessa sen, mitä SpaceX teki kiertorata‑laukuissa: luoda uudelleenkäytettävät, pitkäikäiset alukset, jotka sekä leikkaavat kustannuksia että tekevät avaruusmatkustuksesta paljon tehokkaampaa, mahdollistaen paljon suurempien hyötykuormien siirtämisen.

Sijoittaminen SR-12 Freedomiin

L3Harris

L3Harris on merkittävä ilmailun tarjoaja ja puolustusyritys, jonka syntyi L3 Technologiesin ja Harris Corporationin fuusiosta vuonna 2019.

Yritys ei ainoastaan toimita Hall-vaikutusmoottoreita SR-1:lle, vaan on myös suoraan mukana fissio‑pinta‑voimaprojektin kehittämisessä, joka toimittaa ydinenergiaa tulevalle amerikkalaiselle Kuun tukikohdalle.

“Ydinpropulsio voi voimaannuttaa tutkimuksen aurinkokunnan kaukaisimpiin kohteisiin ja sen ulkopuolelle, vahvistaa kansallista turvallisuutta ja mahdollistaa mullistavat löydökset. Avaruuden sisäinen ohjattavuus on pitkään ollut rajoittava tekijä kaikkein kunnianhimoisimmassa robottitutkimuksessa ja muissa ainutlaatuisissa hallituksen sovelluksissa, ja L3Harris on sitoutunut poistamaan tämän rajoituksen.”
Jared Isaacman – NASA Administrator

Sen sähköinen propulsiojärjestelmä käytettiin myös NASA:n Dawn-matkalla päävyöhykkeen asteroideille Ceresille ja Vesta:lle.

Yritys tutkii myös ydinlämpöpropulsioita (NTP), hyödyntäen uutta kokemustaan sähköisestä ydinpropulsio­järjestelmästä ja paljon vakiintuneempaa kokemusta radioisotooppisista termoelektrisistä generaattoreista, jotka toimittivat energian sekä Marsin Curiosity‑roverille että Marsin Perseverance‑roverille.

Kuitenkin avaruus on vain yksi yrityksen toiminnan segmentti.

Sen ydinliiketoiminta on Yhdysvaltain sotilasvoimille ja sen liittolaisille turvallisen viestinnän (puoli maailmanlaajuisesta taktisen radiomarkkinasta), komentokeskusten, tutka‑ ja viestintäjärjestelmien, elektronisen sodankäynnin, ohjusten laukaisun havaitsemiseen tarkoitettujen satelliittien jne. tarjoaminen.

Aerodyne, yritys, joka toimittaa SR-1:lle sen propulsiojärjestelmän, on myös merkittävä ohjusten valmistaja, mukaan lukien ohjuspuolustusjärjestelmien ammukset, joiden varasto on joutunut suuren paineen kohteeksi Ukrainan ja Iranin sotien takia.

Yleisesti ottaen Yhdysvaltain sotilasbudjetin suunniteltu kasvu 1 trilion dollarista 1,5 trilioniin todennäköisesti nostaa kaikkien puolustussektorin sijoittajien aluksia, erityisesti kun Ukraina-sota on kuluttanut varastoja ja Iranin sota on paljastanut tarpeen enemmän ammuksia ja ohjuspuolustusta.

Tämä viimeinen paljastus sotilasstrategian kehityksestä voisi hyödyttää L3Harrisia eniten. Jos Ukraina paljasti droonien ja elektronisen sodankäynnin tärkeyden, Iranin konflikti korosti ohjuspuolustuksen merkitystä. Ja ennen kaikkea syvän ohjusvaraston tärkeys, sillä jokainen saapuva ohjus kuluttaa 2–3 torjuntamissaa.

Lisäksi NASA:n uudistunut kunnianhimo todennäköisesti hyödyttää yritystä ensisijaisena ionimoottorien ja avaruusydinvoiman toimittajana.

(Voit lukea lisää L3Harris‑ilmailu‑ ja puolustustoiminnasta sijoitusraportistamme, joka on omistettu yritykselle.).

Uusimmat L3Harris (LHX) osakeuutiset ja kehitykset