NASA SR-1 Freedom: Bygger det første nukleære romfartøyet

Å flytte et objekt i verdensrommet krever svært mye energi, selv etter at et romfartøy har unnsluppet en planets gravitasjonsbrønn. Dette skyldes delvis at avstanden mellom himmellegemer er så enorm.

For eksempel, hvis avstanden fra Månen til Jorden bare var 0,25 meter, ville avstanden mellom Mars og Jorden være 500 meter, og til Neptun 30 000 meter.

Så jo tyngre romfartøyet er, desto mer energi trengs for å flytte den massen med en hastighet som er tilstrekkelig til å krysse denne enorme avstanden. Og deretter kreves den samme energien igjen for å bremse ned.

En annen begrensning for utforskning av dyprommet og interplanetarisk flyging er at for å skape fremdrift må noe masse skytes ut. Men jo mer drivstoff, jo mer dødt vekt, noe som krever ytterligere energi for fremdrift. Så for en sterk akselerasjon må det utsprengte drivstoffet skyves bort med svært høy hastighet, noe som skaper større impuls, og energikilden må være så tett som mulig.

Av alle disse grunnene er ideen om å bruke kjerneenergi for romreiser like gammel som begynnelsen av kjerneenergiproduksjon, siden uran er ett av de tetteste «drivstoffene» som kan tenkes, med ett kilo uran som potensielt kan generere opptil 23 millioner kWh, sammenlignet med 13 kWh for 1 kg olje og 7 kWh for 1 kg kull.

Kilde: Visual Capitalist

Imidlertid har ingen av designene som er forestilt for romfartsfremdrift blitt brukt så langt. Den eneste relativt vanlige bruken av kjerneenergi er radiotermiske generatorer, som bruker den passive nedbrytningen av radioaktive elementer med en relativt kort halveringstid for å drive rovere og sonder i dyprommet i år eller til og med tiår.

Dette kan endre seg veldig snart, med en romreaktor kalt SR-1 Freedom, der SR står for «Space Reactor».

Dette nukleære elektriske fremdriftssystemet kan settes i drift allerede i 2028. Det vil bli brukt til å levere Skyfall-payloaden med tre Ingenuity-klasse helikoptre til Mars. Det vil hovedsakelig bli brukt til å demonstrere teknologien, men i den planlagte størrelsen vil det ikke være betydelig raskere enn en vanlig sonde.

“Skyfall-helikoptrene vil bære kameraer og jordpenetrerende radar for å undersøke et fremtidig landingssted for å forstå skråninger og farer for landere i menneskelig skala. De vil også kartlegge og karakterisere underjordisk vannis for å finne ut hvor vannisavleiringene er, samt størrelse, dybde og andre viktige egenskaper.”
Steve Sinacore, leder for fissionsoverflatkraftprogrammet hos NASA

Dette er en del av en større omstilling av NASA-programmer, som inkluderer den sannsynlige fullstendige avlysningen av Lunar Gateway-romstasjonen, omorganiseringen av Artemis-oppdraget, og en mer ambisiøs oppbygging for den fremtidige månbasen, rett etter den vellykkede oppskytingen av Artemis II, som for første gang på over 50 år vil bringe astronauter inn i månens bane.

De mange typene av nukleær romfremdrift

Kjerneelektrisk fremdrift

SR-1 Freedom sitt kjernefremdriftssystem er kjerneelektrisk, så det bruker først en kjernefysisk reaktor til å produsere elektrisitet, og denne kraften brukes deretter til å generere skyvekraft via romfartøyets motorer.

For å omdanne elektrisitet til skyvekraft, og dermed nyttig bevegelse, er den mest brukte metoden, og den som brukes av SR-1 Freedom, ionthrusters. I tilfelle av SR-1 Hall-effekt thrusters.

Disse propellene ioniserer en gass med elektrisitet, i hovedsak «lader» gassen som brukes som drivstoff med energi, vanligvis xenon eller krypton. Disse reaktorene har en svært høy effektivitet på 45–60 % og høy spesifikk impuls, noe som betyr at mindre drivstoffmasse er nødvendig for samme fremdriftseffekt.

Imidlertid er ionthrusters relativt svake hver for seg, så de er best egnet for langdistanse-reiser, hvor en langsom og jevn akselerasjon kan bygge seg opp til høy hastighet.

Så langt har ionthrusters blitt brukt, men er begrenset av energien som leveres av sondens solcellepaneler. Med en kjerneenergi-kilde kan mye mer skyvekraft og akselerasjon genereres.

Dette er uten tvil den mest modne versjonen av kjernefremdrift, siden både kjerneenergiproduksjon og ionthrusters er velutviklede teknologier. Så det er kun et spørsmål om design og ingeniørkunst å få dem til å fungere sammen, derav den korte tidsfristen for SR-1-implementeringen.

Kjernetermisk fremdrift

Kjernefysiske reaktorer genererer kraft ved å omdanne radioaktivitet til varme og deretter omdanne den varmen til elektrisitet.

Så denne fremdriftsmetoden kutter ut mellomleddet og bruker direkte varmen selv. Ideen er å bruke kjerneenergi til å overopphete et drivstoff, vanligvis flytende hydrogen, og skyve den varme gassen for å generere bevegelse.

Denne ideen kunne i teorien generere massiv fremdriftsevne. I praksis krever den imidlertid en stor mengde kjerneenergi på én gang og mye drivstoff, noe som betyr at den hovedsakelig er anvendelig for enorme romfartøy, mye større enn vanlige interstellare sonder eller selv en supertung rakett som Starship.

Andre kjernefremdriftssystemer

For eksempel, Project Orion, som ble seriøst diskutert på 1950- og 1960-tallet, var i hjertet av den kalde krigen. Det forestilte seg en serie av kjerneeksplosjoner som hovedmiddelet for fremdrift, med romfartøyet beskyttet mot stråling og skade av et massivt skjold, et konsept kjent som kjernepulsfremdrift.

Andre ideer, som fission fragment rockets eller gas core reactor rockets, vurderer å skyte ut kjernefysisk drivstoff selv som en fremdriftsmateriale.

Imidlertid er disse ideene i de fleste tilfeller mer teoretiske enn praktiske, i stor grad fordi skalaen på romskipene de ville kreve rett og slett ikke er oppnåelig i overskuelig fremtid.

Hvorfor har kjernefremdrift ikke skjedd ennå?

Geopolitikk

Delvis er årsaken til at kjernefremdrift aldri har skjedd at den rett og slett ikke var nødvendig. Etter de mange landingene på Månen avkjølte romkappløpet mellom Sovjetunionen og USA seg.

Og med Sovjetunionens sammenbrudd, forsvant ambisjonen om stadig større romfartøy eller fremtidige utenomjordiske baser i flere tiår.

For utforskning langt fra solen var radiotermiske generatorer tilstrekkelige. Så kjernefremdrift er rett og slett ikke nødvendig for bemannet flyging, utover den internasjonale romstasjonen, og for å sende små sonder til Mars eller dypere i rommet.

Imidlertid har Kinas fremvekst som en svært seriøs rommakt nå utløst et nytt romkappløp til Månen og Mars. Så dette kan forklare gjenfødselen av amerikanske kjernefremdriftsprosjekter, ettersom kjernefremdrift sannsynligvis vil være nødvendig for enhver seriøs bemannet reise til Mars eller videre.

Politikk og kjernefysikkens bilde

Bildet av kjerneenergi har også blitt skadet av ulykker som Tsjernobyl og Fukushima, noe som har gjort ideen om å sende en kjernefysisk reaktor ut i rommet, i hvilken som helst størrelse, upopulær. Uten sterk politisk støtte bak dem, hadde disse programmene ikke momentum til å gå fra prototyper og tester til virkelige romfartøy.

I tillegg drepte 1967-traktaten om verdensrommet og 1963-traktaten om delvis testforbud kjernefremdriftskonsepter som Project Orion.

Til slutt er oppskyting av materiale i rommet alltid et risikabelt prosjekt, med raketter som risikerer å svikte og eksplodere på vei til bane.

I et slikt tilfelle kan radioaktivt materiale spres over et stort område, og selv om den faktiske mengden er minimal, gjorde den tilknyttede katastrofen NASA motvillig til å ta risikoen uten et sterkt press fra USAs politiske ledelse.

Tekniske problemer

Kjernefysiske reaktorer, spesielt på 1950- til 1990-tallet, var massive maskiner. Denne typen kjernefysisk reaktor er ganske vanskelig, eller til og med umulig, å bruke i rommet, hvor hvert gram masse teller. Den ekstra vekten av skjerming mot reaktorens stråling legger til ytterligere masse.

Dette er ikke så sant i epoken med SMR-er (Små modulære reaktorer) og mikroreaktorer, men disse teknologiene er en relativt ny utvikling.

Sprøhet fra nøytroner som treffer de omkringliggende materialene kan forårsake sprekker eller annen skade i luftfartsmaterialer. Så dette måtte også forstås bedre og dempes.

Kjernetermiske raketter er også sårbare for hydrogenkorrosjon, da hydrogen blir ekstremt aggressivt, og spiser seg gjennom reaktoren og fremdriftskomponentene ved de forventede temperaturene på 2 200°C (4 000°F).

SR-1 Freedom-design

En kraftreaktor og mange førstegangsnyheter

SR-1 Freedom vil være basert på en 20–40 kWe lukket Brayton-syklus fissionsreaktor, et design som kombinerer en kjernevarmekilde med et gass-turbin kraftomdannelsessystem i en lukket krets. Avfallsvarme blir deretter evakuert ut i rommet gjennom store radiatorer laget av titan.

Kilde: CNET

Reaktoren skal drives av høy-analyse lav-beriket uran (HALEU), ved bruk av urandioksid som drivstoff, som er tryggere å håndtere enn våpengradert drivstoff.

For å beskytte elektronikken (og fremtidige astronauter) mot reaktorens stråling, er den innkapslet i et borkarbid strålingsskjold som dirigerer strålingen bort fra romfartøyet.

SR-1 er langt fra den første prototypen eller konseptet for kjernefremdrift, men den vil bli den første som forlater laboratoriet og når rommet, bygget på tiår med erfaring og investering i feltet.

“I over seks tiår har USA investert mer enn 20 milliarder dollar i dusinvis av romkjerneprogrammer og fløy nøyaktig én reaktor — SNAP-10A, i 1965. Den forlot aldri banen. Milliarder brukt, tiår tapt. SR-1 bryter dette mønsteret. Et Mars-oppskytningsvindu i desember 2028 tvinger beslutninger som tiår med studier aldri gjorde.”
Jared Isaacman – NASA-administrator

Gjenbruk av Lunar Gateway-moduler

Et annet element som forklarer hvordan den ekstremt raske utrullingen av SR-1 er mulig, er at ionthruster-delen av romfartøyet er klar.

Fremdriftssystemet som brukes vil være den nesten ferdige, NASA-utviklede romfartøy-bussen, Power and Propulsion Element (PPE), opprinnelig utviklet for Lunar Gateway.

Ettersom den lunare romstasjonen tydeligvis blir skrottet, vil dens elementer, hovedsakelig bygget av NASAs partnere i Europa, Japan, Sør‑Korea, Canada og andre, bli gjenbrukt i prosjekter som SR-1, og bedre tilpasse seg de nye romambisjonene til NASA og USA.

“Alle eiendeler, hvert kilogram, alle de lunare utforskningsressursene vi har, vil bli fokusert på én ting, og det er å bygge månbasen,”
Carlos Garcia-Galan – nestleder for Gateway-programmet

PPE er utstyrt med fire 6‑kilowatt (kW) Hall‑effekt thrusters bygget av Busek og tre 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall‑effekt thrusters utviklet av NASA og Aerojet Rocketdyne, et datterselskap av L3Harris (LHX ).

PPEs høyytelses solcellepaneler vil også beholdes, i tilfelle den eksperimentelle kjernefysiske reaktoren trenger vedlikehold eller har et problem.

Utover SR-1

Mot mer kjerneenergi i rommet

Målet med SR-1 er å gi en reell test av kjernefysisk reaktordesign, både for fremdrift og andre bruksområder.

Dette vil sannsynligvis en dag bli brukt for en bemannet reise til Mars, men vil også ha mer umiddelbare anvendelser.

For eksempel vil dataene samlet inn fra SR-1 Freedom-flyvningen til Mars være viktige for utviklingen av Lunar Reactor-1 (LR-1).

“På 2030-tallet vil vi skalere opp og gå over til produksjon av flere reaktorer. Vi snakker om hundrevis av kilowatt til megawatt‑klasse reaktorer for alle kjerneapplikasjoner. Høyere kraftige oppdrag til månen, menneskelige oppdrag til Mars, med kommersiell deltakelse og repeterbar produksjon.”
Steve Sinacore, leder for fissionsoverflatkraftprogrammet hos NASA

Denne fissionsreaktoren vil bli designet for å levere kontinuerlig energi til en månbas under perioder uten sollys, og vil også bruke en lukket Brayton‑syklus kraftomdannelsesenhet.

“Fissionsoverflatkraftprogrammet er planlagt å levere noe i fase tre for mer kapasitet, og kanskje mer enn én ting, for den kapasiteten vi forventer å trenge for månbasen. Alt vi kan gjøre for ikke nødvendigvis å være avhengig av solenergi og la ressursene få oppvarming og kanskje noe kraft, vil være gull for vår evne til å ta det videre.”
Carlos Garcia-Galan – nestleder for Gateway-programmet

Likevel, på lang sikt vil den viktigste arven fra SR-1 sannsynligvis være muligheten for bemannet kjernefysisk reise til Mars, som tar 4 måneder eller mindre, sammenlignet med 9 måneder eller mer som er mulig med kjemiske raketter.

Fremtidige kjernefremdriftssystemer

Opprinnelig planlagt for 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), en termisk rakettmotor, ble avlyst i 2025, da det ble ansett at raketter som SpaceX sin Starship er tilstrekkelige for orbital og cis‑lunar reise.

Likevel kan denne teknologien potensielt halvere reisetiden til Mars, lik den potensielle arven fra SR-1.

På lang sikt, hvis elektrisk kjernefremdrift blir normalisert, kan andre former for kjernefremdrift også bli levedyktige.

En annen mulighet er at SR-1‑type fremdriftssystemer kan monteres på et lasteskip, i stand til å sykle frem og tilbake til Månen eller Mars og akselerere andre romfartøy, og kun trenge sporadisk påfyll av gassdrivstoff eller radioaktivt drivstoff. På denne måten kan det samme systemet levere fremdrift for dusinvis av dypromsoppdrag.

I det konseptet kunne elektrisk eller termisk kjernefremdrift oppnå for dypromutforskning det SpaceX gjorde for orbital oppskyting: skape gjenbrukbare, langvarige fartøy som både reduserer kostnader og gjør romreiser mye mer effektive, og tillater mye større masser av nyttelast å bli flyttet rundt.

Investering i SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris er en stor leverandør av luftfart og forsvar, resultatet av fusjonen mellom L3 Technologies og Harris Corporation i 2019.

Selskapet leverer ikke bare Hall‑effekt thrusters for SR-1, men er også direkte involvert i utviklingen av fissionsoverflatkraftprogrammet, som vil levere kjerneenergi til den fremtidige amerikanske månbasen.

“Kjernefremdrift kan drive utforskning til de fjerneste delene av solsystemet og videre, styrke nasjonal sikkerhet, og muliggjøre banebrytende oppdagelser. Manøvrerbarhet i rommet har lenge vært en begrensende faktor for de mest ambisiøse robotutforskningene og andre unike regjeringsapplikasjoner, og L3Harris er forpliktet til å fjerne den begrensningen.”
Kristin Houston, president, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Dens elektriske fremdriftssystem ble også brukt av NASAs Dawn-misjon til hovedbelt-asteroidene Ceres og Vesta.

Selskapet utforsker også Nuclear Thermal Propulsion (NTP), bygget på sin nye erfaring med elektrisk kjernefremdrift og sin langt mer etablerte erfaring med radioisotop termoelektriske generatorer, da det leverte kraftkilden for både Mars Curiosity Rover og Mars Perseverance Rover.

Imidlertid er rom bare ett segment av selskapets virksomhet.

Kjernens virksomhet er å levere den amerikanske militæret og dets allierte med sikker kommunikasjon (halvparten av det globale markedet for taktisk radio), kommandosentre, radar‑ og kommunikasjonsplaner, elektronisk krigføring, satellitter for missiloppskytningsdeteksjon, osv.

Aerodyne, selskapet som leverer SR-1 med sine fremdriftssystemer, er også en stor produsent av missiler, inkludert ammunisjon til missilforsvarssystemer, hvis lager har blitt sterkt belastet av krigene i Ukraina og Iran.

Generelt vil den planlagte veksten i USAs militærbudsjett fra 1 t til 1,5 t sannsynligvis løfte alle båter for investorer i forsvarssektoren, spesielt ettersom krigen i Ukraina har tappet lageret og krigen med Iran har avdekket et behov for mer ammunisjon og missilforsvar.

Det er denne siste avsløringen av utviklingen i militær strategi som kan gagne L3Harris mest. Hvis Ukraina avdekket viktigheten av droner og elektronisk krigføring, fremhevet konflikten med Iran viktigheten av missilforsvar. Og mer enn noe annet, viktigheten av et dypt lager av avskjæringsmissiler, da hvert innkommende missil bruker 2–3 avskjærere.

I tillegg bør den fornyede ambisjonen til NASA også gagne selskapet som en ledende leverandør av ionthrusters og romkjerneenergi.

(Du kan lese mer om L3Harris luftfarts- og forsvarsaktiviteter i vår investeringsrapport dedikert til selskapet).

Siste L3Harris (LHX) aksjenyheter og utviklinger