NASA SR-1 Freedom: Bygga det första nukleära rymdfarkosten

Att flytta ett föremål i rymden är mycket energikrävande, även när ett rymdfarkost har lämnat en planets gravitationsbrunn. Detta beror delvis på att avstånden mellan himlakroppar är så enorma.

Till exempel, om avståndet från Månen till Jorden bara var 0,25 meter, skulle avståndet mellan Mars och Jorden vara 500 meter, och till Neptunus 30 000 meter.

Så ju tyngre rymdfarkosten är, desto mer energi behövs för att flytta den massan med en hastighet som är tillräcklig för att korsa detta enorma avstånd. Och sedan krävs samma energi igen för att bromsa.

En annan begränsning för djup rymdforskning och interplanetära flygningar är att för att skapa framdrift måste någon massa skjutas ut. Men ju mer bränsle, desto mer död vikt, vilket kräver ytterligare energi för framdrift. Så för en stark acceleration måste det utskjutna bränslet skjutas bort med mycket hög hastighet, vilket skapar ett större momentum, och energikällan måste vara så tät som möjligt.

Av alla dessa skäl är idén att använda kärnenergi för rymdresor lika gammal som början av kärnkraftgenerering, eftersom uran är ett av de tätaste “bränslen” som kan tänkas, med ett kilo uran som potentiellt kan generera så mycket som 23 miljoner kWh, jämfört med 13 kWh för 1 kg olja och 7 kWh för 1 kg kol.

Source: Visual Capitalist

Ingen av de design som föreställts för rymdfarkostens framdrift har hittills använts. Den enda relativt vanliga användningen av kärnkraft är radiotermiska generatorer, som använder den passiva sönderfallet av radioaktiva element med relativt kort halveringstid för att driva rovers och sonder i djup rymd i åratal eller till och med årtionden.

Detta kan förändras mycket snart, med en rymdreaktor kallad SR-1 Freedom, där SR står för “Space Reactor”.

Detta nukleära elektriska framdriftssystem kan tas i bruk så tidigt som 2028. Det kommer att användas för att leverera Skyfall‑lasten med tre Ingenuity‑klass helikoptrar till Mars. Det kommer främst att användas för att demonstrera tekniken, men i den planerade storleken kommer det inte att vara avsevärt snabbare än en vanlig sond.

“Skyfall‑helikoptrarna kommer att bära kameror och markpenetrerande radar för att utforska en framtida landningsplats för att förstå sluttningar och faror för landare i mänsklig skala. De kommer också att kartlägga och karakterisera den underjordiska vattenisen för att ta reda på var vattenisavlagringarna finns, samt deras storlek, djup och andra viktiga egenskaper.”

Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Detta är en del av en större omstrukturering av NASA:s program, som inkluderar den sannolika fullständiga avskaffandet av Lunar Gateway‑rymdstationen, omorganisationen av Artemis‑uppdraget och en mer ambitiös uppbyggnad för den framtida månbasen, precis i kölvattnet av den framgångsrika uppskjutningen av Artemis II, som för första gången på över 50 år kommer att föra astronauter in i månens omloppsbana.

The Many Types of Nuclear Space Propulsion

Nuclear Electric Propulsion

SR-1 Freedom’s nukleära framdriftssystem är nukleär elektrisk, så det använder först en kärnreaktor för att producera elektricitet, och denna kraft används sedan för att generera dragkraft via rymdfarkostens motorer.

För att omvandla elektricitet till dragkraft, och därmed användbar rörelse, är den mest använda metoden, och den som SR-1 Freedom använder, jonthrusters. I fallet med SR-1 Hall‑effekt thrusters.

Dessa propellrar joniserar en gas med elektricitet, vilket i praktiken ”laddar” gasen som bränsle med energi, vanligtvis xenon eller krypton. Dessa reaktorer har en mycket hög verkningsgrad på 45–60 % och hög specifik impuls, vilket betyder att mindre bränslemassa behövs för samma framdriftseffekt.

Jonthrusters är dock relativt svaga var för sig, så de är bäst lämpade för långdistansresor, där en långsam och jämn acceleration kan byggas upp till hög hastighet.

Hittills har jonthrusters använts, men är begränsade av den energi som sondens solpaneler kan leverera. Med en kärnkraftkälla kan mycket mer dragkraft och acceleration genereras.

Detta är med hela tiden den mest mogna versionen av kärnframdrift, eftersom både kärnkraftgenerering och jonthrusters är väl beprövade teknologier. Så det är bara en fråga om design och ingenjörskonst att få dem att fungera tillsammans, vilket förklarar den korta tidsramen för SR-1‑utplaceringen.

Nuclear Thermal Propulsion

Kärnreaktorer genererar kraft genom att omvandla radioaktivitet till värme och sedan omvandla den värmen till elektricitet.

Denna framdriftsmetod eliminerar mellanstegen och använder direkt värmen själv. Idén är att använda kärnenergi för att superhetta ett bränsle, vanligtvis flytande väte, och driva den varma gasen för att skapa rörelse.

Denna idé kan i teorin generera enorm framdriftskapacitet. I praktiken kräver den mycket kärnenergi på en gång och mycket bränsle, vilket betyder att den främst är tillämplig på massiva rymdfarkoster, mycket större än vanliga interstellära sonder eller ens en supertung raket som Starship.

Other Nuclear Propulsion System

Kärnenergiens energitäthet har skapat ännu vildare potentiella koncept.

Till exempel, Project Orion, som diskuterades på allvar på 1950‑ och 1960‑talen, var i centrum av kalla kriget. Det föreställde sig en serie nukleära explosioner som huvudmedel för framdrift, där rymdfarkosten skyddas från strålning och skador av ett massivt sköld, ett koncept känt som nukleär pulsfyrningsframdrift.

Andra idéer, som fission fragment rockets eller gas core reactor rockets, överväger att skjuta ut själva kärnbränslet som en drivmedelsmaterial.

Dessa idéer är dock i de flesta fall mer teoretiska än praktiska, främst för att den skala av rymdskepp som krävs helt enkelt inte är nåbar inom den överskådliga framtiden.

Why Has Nuclear Propulsion Not Happened Yet?

Geopolitics

Delvis beror orsaken till att kärnframdrift aldrig har realiserats på att den helt enkelt inte var nödvändig. Efter de flera landningarna på månen svalnade rymdkapplöpningen mellan Sovjetunionen och USA.

Och med Sovjetunionens kollaps bleknade ambitionen om allt större rymdfarkoster eller framtida baser utanför jorden bort under flera decennier.

För utforskning långt från solen var radiotermiska generatorer tillräckliga. Så kärnframdrift är helt enkelt inte nödvändig för bemannade flygningar, inte längre än den internationella rymdstationen, och för att skicka små sonder till Mars eller djupare i rymden.

Dock har Kinas framväxt som en mycket seriös rymdmakt nu utlöst ett nytt rymdkapplöpning till månen och Mars. Detta kan förklara återuppkomsten av amerikanska kärnframdriftsprojekt, eftersom kärnframdrift sannolikt kommer att krävas för alla seriösa bemannade flygningar till Mars eller längre bort.

Politics And Nuclear Image

Bilden av kärnenergi har också skadats av olyckor som Tjernobyl och Fukushima, vilket gjort idén att skicka en kärnreaktor ut i rymden, oavsett storlek, impopulär. Utan starkt politiskt stöd bakom dem hade dessa program inte den drivkraft som krävdes för att gå från prototyper och tester till verkliga rymdfarkoster.

Dessutom har 1967 års rymdfördrag och 1963 års partiella provbannlyftningsavtal dödat kärnframdriftskoncept som Project Orion.

Slutligen är det alltid ett riskfyllt projekt att skjuta material ut i rymden, med raketer som riskerar att misslyckas och explodera på vägen till omloppsbana.

I ett sådant fall kan radioaktivt material spridas över ett stort område, och även om den faktiska mängden är minimal, har den potentiella katastrofen gjort NASA ovillig att ta risken utan ett starkt tryck från den amerikanska politiska ledningen.

Technical Issues

Kärnreaktorer, särskilt under 1950‑1990‑talen, var enorma utrustningsdelar. Denna typ av kärnreaktor är ganska svår, eller till och med omöjlig, att använda i rymden, där varje gram massa räknas. Den extra vikten av skydd mot reaktorns strålning lägger till ytterligare massa.

Detta är inte lika sant i eran med SMR (små modulära reaktorer) och mikroreaktorer, men dessa teknologier är relativt nya.

Sprödhet från neutroner som träffar omgivande material kan orsaka sprickor eller annan skada i rymdmaterial. Detta måste också förstås bättre och mildras.

Kärntermiska raketer är också sårbara för vätekorrosion, eftersom väte blir extremt aggressivt och fräter bort reaktorn och framdriftskomponenterna vid de föreställda temperaturerna på 2 200°C (4 000 °F).

SR-1 Freedom Design

A Power Reactor And Many Firsts

SR-1 Freedom kommer att baseras på en 20–40 kWe sluten Brayton‑cykel fissionsreaktor, en design som kombinerar en kärnvärmekälla med ett gasturbin‑kraftomvandlingssystem i en sluten krets. Avfallsvärme evakueras sedan ut i rymden genom stora kylflänsar av titan.

Source: CNET

Reaktorn kommer att drivas av högkvalitativt lågreformerat uran (HALEU), med urandioxidbränsle, vilket är säkrare att hantera än vapenklassat bränsle.

För att skydda den elektroniska utrustningen (och framtida astronauter) från reaktorns strålning är den innesluten i ett strålningsskydd av borkarbid som avleder strålning bort från rymdfarkosten.

SR-1 är långt ifrån den första prototypen eller konceptet för kärnframdrift, men den blir den första som lämnar laboratoriet och når rymden, byggd på årtionden av erfarenhet och investeringar inom området.

“I sex decennier har USA investerat mer än 20 miljarder dollar i dussintals rymdkärnprogram och flugit exakt en reaktor — SNAP‑10A, 1965. Den lämnade aldrig omloppsbana. Miljarder spenderade, decennier förlorade. SR-1 bryter det mönstret. Ett Mars‑lanseringsfönster i december 2028 tvingar beslut som årtionden av studier aldrig gjorde.”

Jared Isaacman – NASA Administrator

Reusing Lunar Gateway Modules

En annan faktor som förklarar hur den ultrarapida utrullningen av SR-1 är möjlig är att jonthrustersdelen av rymdfarkosten redan är klar.

Det framdriftssystem som används kommer att vara den nästan färdigbyggda, NASA‑utvecklade rymdfarkostbussen, Power and Propulsion Element (PPE), som ursprungligen utvecklades för Lunar Gateway.

Eftersom den lunära rymdstationen tydligen skrotas, kommer dess komponenter, mestadels byggda av NASA:s partners i Europa, Japan, Sydkorea, Kanada och andra, att återanvändas i projekt som SR-1, vilket bättre matchar de nya rymdambitionerna hos NASA och USA.

“Varje tillgång, varje kilogram, alla de lunära utforskningsresurser vi har kommer att fokuseras på en sak, och det är att bygga månbasen,”

Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program

PPE är utrustad med fyra 6 kW Hall‑effekt‑thrusters byggda av Busek och tre 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall‑effekt‑thrusters utvecklade av NASA och Aerojet Rocketdyne , ett dotterbolag till L3Harris (LHX ).

PPE:s högpresterande solpaneler kommer också att behållas, för fall den experimentella kärnreaktorn behöver underhåll eller har ett problem.

Beyond SR-1

Toward More Nuclear Energy In Space

Målet med SR-1 är att ge ett verkligt test av kärnreaktordesignen, både för framdrift och andra användningsområden.

Detta kommer sannolikt en dag att användas för en bemannad flygning till Mars, men kommer också att ha mer omedelbara tillämpningar.

Till exempel kommer data som samlas in från SR-1 Freedom‑flygningen till Mars vara viktig för utvecklingen av Lunar Reactor-1 (LR-1).

“På 2030‑talet kommer vi att skala upp och gå in i produktion av ytterligare reaktorer. Vi talar om hundratals kilowatt till megawatt‑klassade reaktorer för alla kärnapplikationer. Högre effekt‑uppdrag till månen, mänskliga uppdrag till Mars, med kommersiellt deltagande och repeterbar produktion.”

Steve Sinacore, fission surface power program executive at NASA

Denna fissionsreaktor kommer att vara designad för att tillhandahålla kontinuerlig energi för en lunär bas under perioder utan solljus, och kommer också att använda en sluten Brayton‑cykel kraftomvandlingsenhet.

“Fissionsytkraftprogrammet är planerat att leverera något i fas tre för mer kapacitet, och kanske mer än en sak, för den kapacitet vi förväntar oss att behöva för månbasen. Allt vi kan göra för att inte nödvändigtvis förlita oss på solenergi och låta resurserna få värme och kanske lite kraft kommer att vara guld värt för vår förmåga att föra detta framåt.”

Carlos Garcia-Galan – deputy manager for the Gateway Program

Ändå, på lång sikt kommer SR-1:s viktigaste arv sannolikt att vara möjligheten till bemannad kärnflygning till Mars, med en färd på 4 månader eller mindre, jämfört med 9 månader eller mer som är möjligt med kemiska raketer.

Future Nuclear Propulsion Systems

Ursprungligen planerad för 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), en termisk raketmotor, avbröts 2025, eftersom man ansåg att raketer som SpaceX (SPCX ):s Starship är tillräckligt bra för orbital och cis‑lunär resa.

Denna teknik kan dock potentiellt halvera restiden till Mars, liknande SR-1:s potentiella arv.

På lång sikt, om elektrisk kärnframdrift blir normaliserad, kan andra former av kärnframdrift också bli livskraftiga.

En annan möjlighet är att SR-1‑typens framdriftssystem monteras på ett fraktfartyg, som kan pendla fram och tillbaka till månen eller Mars och accelerera andra rymdfarkoster, och bara behöver sporadisk påfyllning av gasdrivmedel eller radioaktivt bränsle. På så sätt kan samma system leverera framdrift för dussintals djup rymd‑uppdrag.

I det konceptet skulle elektrisk eller termisk kärnframdrift kunna uppnå för djup rymdforskning vad SpaceX gjorde för orbitala uppskjutningar: skapa återanvändbara, långlivade farkoster som både minskar kostnaderna och gör rymdresor mycket mer effektiva, vilket möjliggör att mycket större massor av nyttolast kan förflyttas.

Investing In SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris är en stor leverantör inom flyg- och rymdsektorn samt försvarsföretag, resultatet av sammanslagningen av L3 Technologies och Harris Corporation år 2019.

Företaget levererar inte bara Hall‑effekt‑thrusters för SR-1, utan är också direkt involverat i utvecklingen av fissionsytkraftprogrammet, som kommer att leverera kärnenergi till den framtida amerikanska månbasen.

“Kärnframdrift kan driva utforskning till de mest avlägsna delarna av solsystemet och bortom, stärka nationell säkerhet och möjliggöra banbrytande upptäckter. Manövrerbarhet i rymden har länge varit en begränsande faktor för den mest ambitiösa robotutforskningen och andra unika statliga tillämpningar, och L3Harris är engagerat i att avlägsna den begränsningen.”

Kristin Houston, President, Space Propulsion and Power Systems, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Dess elektriska framdriftssystem användes också av NASA:s Dawn‑uppdrag till huvudbältets asteroider Ceres och Vesta.

Företaget utforskar också Nuclear Thermal Propulsion (NTP), med grund i sin nya erfarenhet av elektrisk kärnframdrift och sin mycket mer etablerade erfarenhet av radioisotoptermiska generatorer, då det levererade kraftkällan för både Mars Curiosity Rover och Mars Perseverance Rover.

Dock är rymden bara en del av företagets verksamhet.

Dess kärnverksamhet är att förse USA:s militär och dess allierade med säker kommunikation (halva den globala marknaden för taktisk radio), kommandocentraler, radar‑ och kommunikationssystem, elektronisk krigföring, satelliter för missiluppskjutningsdetektion med mera.

Aerodyne, företaget som levererar SR-1 med sina framdriftssystem, är också en stor producent av missiler, inklusive ammunition för missilsystem, vars lager har satts under stor påfrestning av krigen i Ukraina och Iran.

Generellt sett är den planerade tillväxten av USA:s försvarsbudget från 1 triljon till 1,5 triljon dollar sannolikt att gynna alla investerare i försvarssektorn, särskilt eftersom kriget i Ukraina har tömt lagren och kriget med Iran har avslöjat ett behov av mer ammunition och missilsystem.

Det är denna sista insikt om utvecklingen i militär strategi som kan gynna L3Harris mest. Om Ukraina avslöjade vikten av drönare och elektronisk krigföring, så betonade konflikten med Iran vikten av missilsystem. Och framför allt vikten av ett djupt lager av avlysningsmissiler, eftersom varje inkommande missil förbrukar 2–3 avlysningsmissiler.

Dessutom bör den förnyade ambitionen hos NASA också gynna företaget som en ledande leverantör av jonthrusters och rymdkärnkraft.

(Du kan läsa mer om L3Harris flyg- och försvarsaktiviteter i vår investeringsrapport dedikerad till företaget.)

Latest L3Harris (LHX) Stock News and Developments