NASA SR-1 Freedom: Pagtatayo ng Unang Nuclear na Sasakyang Pangkalawakan

Ang paggalaw ng isang bagay sa kalawakan ay napaka-enerhiya, kahit na nakalabas na ang sasakyang pangkalawakan mula sa balon ng grabidad ng isang planeta. Bahagi ito dahil napakalawak ng distansya sa pagitan ng mga celestial na bagay.

Halimbawa, kung ang distansya mula sa Buwan papuntang Earth ay 0.25 metro lamang, ang distansya sa pagitan ng Mars at Earth ay 500 metro, at sa Neptune ay 30,000 metro.

Kaya’t mas mabigat ang sasakyang pangkalawakan, mas maraming enerhiya ang kailangan upang ilipat ang masa na iyon sa bilis na sapat upang tawirin ang napakalaking distansyang ito. At pagkatapos ay kailangan muli ang parehong enerhiya para sa pagbagal.

Isa pang limitasyon sa paggalugad ng malalim na kalawakan at interplanetaryong paglipad ay ang pangangailangan ng pagbuga ng masa upang lumikha ng propulsiyon. Ngunit kung mas maraming gasolina, mas maraming patay na bigat, na nangangailangan ng karagdagang enerhiya para sa propulsiyon. Kaya, para sa malakas na pagbilis, ang ibinubuga na gasolina ay kailangang itulak nang napakabilis, na lumilikha ng mas malaking momentum, at ang pinagmumulan ng enerhiya ay kailangang kasing-siksik hangga’t maaari.

Sa lahat ng mga kadahilanang ito, ang ideya ng paggamit ng nuclear na enerhiya para sa paglalakbay sa kalawakan ay kasing-edad na ng simula ng nuclear na paglikha ng kuryente, dahil ang uranium ay isa sa pinakamakakapal na “gatong” na maiisip, na may isang kilo ng uranium na maaaring mag-generate ng hanggang 23 milyong kWh, kumpara sa 13 kWh para sa 1 kg ng langis at 7 kWh para sa 1 kg ng karbon.

Pinagmulan: Visual Capitalist

Gayunpaman, wala pa sa kasalukuyan ang alinman sa mga disenyo na inisip para sa propulsiyon ng paglalakbay sa kalawakan. Ang tanging medyo karaniwang paggamit ng nuclear na enerhiya ay ang mga radiothermal generator, na gumagamit ng pasibong pag-urong ng mga radioactive na elemento na may maikling half-life upang magbigay ng kuryente sa mga rover at probe sa malalim na kalawakan sa loob ng taon o dekada.

Maaaring magbago ito sa lalong madaling panahon, sa pamamagitan ng isang space reactor na tinatawag na SR-1 Freedom, kung saan ang SR ay nangangahulugang “Space Reactor”.

Ang nuclear electric propulsion system na ito ay maaaring ilunsad pagdating ng 2028. Gagamitin ito upang ihatid sa Mars ang payload na Skyfall na binubuo ng tatlong Ingenuity-class na helicopter. Pangunahin itong gagamitin upang ipakita ang teknolohiya, ngunit sa planadong sukat, hindi ito magiging mas mabilis kaysa sa karaniwang probe.

“Ang mga Skyfall helicopter ay magdadala ng mga kamera at ground-penetrating radar upang mag-scout ng isang posibleng landing site at maunawaan ang mga slope at panganib para sa mga human-scale na lander. Magmamapa rin at maglalarawan sila ng subsurface na yelong tubig upang matuklasan kung saan naroroon ang mga deposito ng yelong tubig, pati na ang laki, lalim, at iba pang mahahalagang katangian.”

Bahagi ito ng mas malawak na pag-reset ng mga programa ng NASA, na kinabibilangan ng posibleng ganap na pagkansela ng Lunar Gateway space station, ang reorganisasyon ng Artemis mission, at mas ambisyosong pagtatayo para sa hinaharap na Moon base, kasunod ng matagumpay na paglunsad ng Artemis II, na sa unang pagkakataon sa loob ng higit sa 50 taon ay magdadala ng mga astronaut sa orbit ng Buwan.

Maraming Uri ng Nuclear na Propulsiyon sa Kalawakan

Nuclear na Elektrikong Propulsiyon

Ang nuclear propulsion system ng SR-1 Freedom ay nuclear electric, kaya una nitong ginagamit ang nuclear reactor upang lumikha ng kuryente, at ang kuryenteng ito ay ginagamit upang lumikha ng thrust sa pamamagitan ng mga engine ng sasakyang pangkalawakan.

Upang i-convert ang kuryente sa thrust, at samakatuwid sa kapaki-pakinabang na paggalaw, ang pinaka-karaniwang ginagamit na pamamaraan, at ang ginagamit ng SR-1 Freedom, ay ang ion thrusters. Sa kaso ng SR-1 Hall-effect thrusters.

Ang mga thruster na ito ay nag-iionize ng isang gas gamit ang kuryente, epektibong “niloload” ng enerhiya ang gas na ginagamit bilang fuel, kadalasan ay xenon o krypton. Ang mga reactor na ito ay may napakataas na kahusayan na 45-60% at mataas na specific impulse, na nangangahulugang mas kaunting masa ng fuel ang kailangan para sa parehong epekto ng propulsiyon.

Gayunpaman, ang mga ion thruster ay medyo mahina kapag nag-iisa, kaya mas angkop ang mga ito para sa paglalakbay sa mahabang distansya, kung saan ang mabagal at patuloy na pagbilis ay maaaring mag-ipon at magresulta sa mataas na bilis.

Hanggang ngayon, nagamit na ang mga ion thruster, ngunit limitado ng enerhiyang ibinibigay ng mga solar panel ng probe. Sa isang nuclear na pinagmumulan ng enerhiya, mas marami pang thrust at pagbilis ang maaaring malikha.

Sa pangkalahatan, ito ang pinaka-matanda na bersyon ng nuclear propulsion, dahil parehong napag-aralan na ang nuclear power generation at ang ion thrusters. Kaya’t ito ay tanong na lamang ng disenyo at engineering upang pagsamahin ang dalawa, kaya’t maikli ang deadline para sa deployment ng SR-1.

Nuclear na Thermal na Propulsiyon

Ang mga nuclear reactor ay lumilikha ng kapangyarihan sa pamamagitan ng pag-convert ng radioactivity sa init at pagkatapos ay pag-convert ng init na iyon sa kuryente.

Kaya’t ang metodong ito ng propulsiyon ay tinatanggal ang intermediary at direktang ginagamit ang init mismo. Ang ideya ay gamitin ang nuclear na enerhiya upang sobrang painitin ang isang fuel, kadalasan ay liquid hydrogen, at itulak ang mainit na gas upang lumikha ng paggalaw.

Sa teorya, maaaring mag-generate ito ng napakalaking kapasidad ng propulsiyon. Sa praktika, nangangailangan ito ng maraming nuclear na enerhiya nang sabay-sabay at maraming fuel, na nangangahulugang ito ay higit na angkop para sa napakalaking sasakyang pangkalawakan, mas malaki kaysa sa karaniwang interstellar probes o kahit sa super-heavy rocket tulad ng Starship.

Iba pang Nuclear na Sistema ng Propulsiyon

Ang energy density ng nuclear na enerhiya ay nagbukas ng mas wilder na mga konsepto.

Halimbawa, ang Project Orion, na seryosong tinalakay noong 1950s at 1960s, ay nasa puso ng Cold War. Inilalarawan nito ang serye ng nuclear explosions bilang pangunahing paraan ng propulsiyon, kung saan ang sasakyang pangkalawakan ay protektado mula sa radiation at pinsala ng isang napakalaking shield, isang konsepto na kilala bilang nuclear pulse propulsion.

Ang iba pang mga ideya, tulad ng fission fragment rockets o gas core reactor rockets, ay isinasaalang-alang ang pagbuga ng mismong nuclear fuel bilang propellant.

Gayunpaman, ang mga ideyang ito ay mas teoretikal kaysa praktikal sa karamihan ng mga kaso, kadalasan dahil ang sukat ng mga sasakyang pangkalawakan na kakailanganin ay hindi abot-kamay sa malapit na hinaharap.

Bakit Hindi Pa Nangyayari ang Nuclear na Propulsiyon?

Geopolitics

Sa bahagi, ang dahilan kung bakit hindi pa nangyayari ang nuclear propulsion ay dahil hindi ito kinakailangan. Pagkatapos ng maraming paglapag sa Buwan, humina ang space race sa pagitan ng USSR at USA.

At sa pagbagsak ng USSR, ang ambisyon para sa mas malalaking sasakyang pangkalawakan o mga hinaharap na off-world base ay naglaho sa loob ng ilang dekada.

Para sa paggalugad na malayo sa Araw, sapat na ang radiothermal generators. Kaya’t ang nuclear propulsion ay hindi kinakailangan para sa mga tao, lampas lamang sa ISS, at para sa pagpapadala ng maliliit na probe sa Mars o mas malalim pa sa kalawakan.

Gayunpaman, ang pag-angat ng China bilang isang napakadelikadong puwersa sa kalawakan ay nagpasimula ng bagong space race patungo sa Buwan at Mars. Maaaring ito ang magpaliwanag sa muling pagsilang ng mga proyektong nuclear propulsion ng Amerika, dahil malamang na kakailanganin ang nuclear propulsion para sa anumang seryosong paglipad ng tao patungo sa Mars o higit pa.

Politics At Imahe ng Nuclear

Ang imahe ng nuclear na enerhiya ay nasira rin ng mga aksidente tulad ng Chernobyl at Fukushima, na nagdulot ng ideya na ang pagpapadala ng nuclear reactor sa kalawakan, anuman ang laki, ay hindi popular. Walang matibay na suporta mula sa politika, ang mga programang ito ay hindi nagkaroon ng momentum upang umusad mula sa mga prototype at pagsubok patungo sa tunay na sasakyang pangkalawakan.

Dagdag pa rito, ang 1967 Outer Space Treaty at ang 1963 Partial Test Ban Treaty ay pinatay ang mga konsepto ng nuclear propulsion tulad ng Project Orion.

Sa huli, ang paglulunsad ng materyal sa kalawakan ay laging isang mapanganib na proyekto, na may mga rocket na maaaring mabigo at sumabog sa kanilang pag-akyat sa orbit.

Sa ganitong kaso, maaaring maikalat ang radioactive na materyal sa malawak na lugar, at kahit na minimal lamang ang aktwal na dami, ang kaakibat na panganib ng POR ay nagpaginhawa sa NASA na maging maingat na huwag magtaya nang walang matibay na pagtulak mula sa pamunuan ng US.

Mga Teknikal na Isyu

Ang mga nuclear reactor, lalo na noong 1950s-1990s, ay dating napakalaking kagamitan. Ang ganitong uri ng nuclear reactor ay medyo mahirap, o kahit imposible, gamitin sa kalawakan, kung saan bawat gramo ng masa ay mahalaga. Ang karagdagang bigat ng shielding laban sa radiation ng reactor ay nagdadagdag pa ng masa.

Hindi ito ganap na totoo sa panahon ng SMRs (Small Modular Reactors) at microreactors, ngunit ang mga teknolohiyang ito ay medyo bagong pag-unlad.

Ang embrittlement mula sa mga neutron na tumatama sa mga nakapaligid na materyales ay maaaring magdulot ng mga bitak o iba pang pinsala sa mga aerospace na materyales. Kaya’t kailangan pang mas maunawaan at mapagaan ito.

Ang mga nuclear thermal rocket ay vulnerable din sa hydrogen corrosion, dahil ang hydrogen ay nagiging napaka-agresibo, kinukunsumong ang reactor at mga bahagi ng propulsiyon sa inaasahang temperatura na 2,200°C (4,000°F).

Disenyo ng SR-1 Freedom

Isang Power Reactor At Maraming Unang Beses

Ang SR-1 Freedom ay ibabatay sa isang 20-40 kWe closed Brayton cycle fission reactor, isang disenyo na pinagsasama ang nuclear heat source sa isang gas-turbine power conversion system sa isang sealed loop. Ang waste heat ay pagkatapos ilalabas sa kalawakan sa pamamagitan ng malalaking radiators na gawa sa titanium.

Pinagmulan: CNET

Ang reactor ay pinapagana ng high-assay low-enriched uranium (HALEU), gamit ang uranium dioxide fuel, na mas ligtas hawakan kaysa sa weapons-grade fuel.

Upang protektahan ang mga elektronikong kagamitan (at mga susunod na astronaut) mula sa radiation ng reactor, ito ay nakapaloob sa isang boron carbide radiation shield na nagdidirekta ng radiation palayo sa sasakyang pangkalawakan.

Ang SR-1 ay hindi ang unang prototype o konsepto ng nuclear propulsion, ngunit ito ang unang lalabas sa laboratoryo at makarating sa kalawakan, na binuo sa dekada ng karanasan at pamumuhunan sa larangang ito.

“Sa anim na dekada, ang United States ay nag-invest ng higit sa $20 bilyon sa daan-daang space nuclear programs at naglunsad lamang ng isang reactor — SNAP-10A, noong 1965. Hindi ito umalis sa orbit. Bilyonaryo ang nagastos, dekada ang nawala. Tinapos ng SR-1 ang pattern na iyon. Ang isang Mars launch window sa Disyembre 2028 ay nagpilit ng mga desisyon na hindi nagawa ng dekada ng pag-aaral.”

Pag-reuse ng mga Lunar Gateway Module

Isa pang elemento na nagpapaliwanag kung paano posible ang napakabilis na deployment ng SR-1 ay ang handa nang ion thruster na bahagi ng sasakyang pangkalawakan.

Ang sistemang propulsiyon na gagamitin ay halos tapos na, NASA-developed spacecraft bus, ang Power and Propulsion Element (PPE), na unang binuo para sa Lunar Gateway.

Dahil ang lunar space station ay tila kinansela, ang mga bahagi nito, karamihan ay ginawa ng mga kasosyo ng NASA sa Europa, Japan, South Korea, Canada, at iba pa, ay muling gagamitin sa mga proyektong tulad ng SR-1, na mas angkop sa mga bagong ambisyon ng NASA at ng USA para sa kalawakan.

“Bawat asset, bawat kilogram, lahat ng mga mapagkukunan ng lunar exploration na mayroon tayo ay iikot sa isang bagay lamang, at iyon ay ang pagtatayo ng moon base.”

Ang PPE ay may apat na 6-kilowatt (kW) Hall-effect thrusters na ginawa ng Busek at tatlong 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall-effect thrusters na binuo ng NASA at Aerojet Rocketdyne, isang subsidiary ng L3Harris (LHX ).

Ang mataas na performance na solar arrays ng PPE ay mananatili rin, sakaling kailanganin ng experimental nuclear reactor ang maintenance o magkaroon ng problema.

Lumampas sa SR-1

Tungo sa Mas Maraming Nuclear na Enerhiya sa Kalawakan

Ang layunin ng SR-1 ay magbigay ng real-life na pagsubok ng disenyo ng nuclear reactor, kapwa para sa propulsiyon at iba pang gamit.

Kaya’t malamang na gagamitin ito balang araw para sa isang tao na paglipad patungo sa Mars, ngunit magkakaroon din ito ng mas agarang aplikasyon.

Halimbawa, ang data na makakalap mula sa paglipad ng SR-1 Freedom patungong Mars ay magiging mahalaga para sa pag-develop ng Lunar Reactor-1 (LR-1).

“Sa 2030s, mag-i-scale up tayo at lilipat sa production ng karagdagang mga reactor. Pinag-uusapan natin ang daan-daang kilowatts hanggang megawatt-class na mga reactor para sa lahat ng nuclear applications. Mas mataas na kapangyarihan para sa mga misyon sa buwan, mga misyon ng tao sa Mars, na may komersyal na partisipasyon at paulit-ulit na produksyon.”

Ang fission reactor na ito ay dinisenyo upang magbigay ng tuloy-tuloy na enerhiya para sa isang lunar base sa mga panahon na walang sikat ng araw, at gagamit din ng closed Brayton cycle power conversion unit.

“Ang fission surface power program ay nakatakdang maghatid ng isang bagay sa phase three para sa mas malaking kapasidad, at marahil higit sa isang bagay, para sa kapasidad na inaasahan nating kakailanganin para sa moon base. Anumang magagawa natin upang hindi umasa lamang sa solar power at payagan ang mga asset na magkaroon ng heating at marahil ilang power ay magiging ginto para sa ating kakayahang ituloy ito.”

Sa pangmatagalan, ang pinakamahalagang pamana ng SR-1 ay malamang ang posibilidad ng tao na nuclear flight patungo sa Mars, na aabutin ng 4 na buwan o mas mababa pa, kumpara sa 9 na buwan o higit pa na posible gamit ang chemical rockets.

Mga Hinaharap na Nuclear Propulsion System

Inisyal na nakaplano para sa 2027, ang DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), isang thermal rocket engine, ay kinansela noong 2025, dahil itinuturing na sapat na ang mga rocket tulad ng Starship ng SpaceX para sa orbital at cis-lunar na paglalakbay.

Gayunpaman, maaaring hatiin ng teknolohiyang ito ang oras ng paglalakbay patungo sa Mars sa kalahati, katulad ng potensyal na pamana ng SR-1.

Sa pangmatagalan, kung ang electrical nuclear propulsion ay maging normal, maaaring maging viable din ang iba pang anyo ng nuclear propulsion.

Isa pang posibilidad ay ang paglagay ng mga SR-1 na uri ng propulsion system sa isang cargo ship, na maaaring mag-cycling pabalik at pabalik sa Buwan o Mars at mag-accelerate ng iba pang sasakyang pangkalawakan, na nangangailangan lamang ng paminsan-minsang pag-refuel ng gas propellant o radioactive fuel. Sa ganitong paraan, maaaring maghatid ng propulsiyon ang parehong sistema para sa dose-dosenang misyon sa malalim na kalawakan.

Sa konseptong iyon, ang electric o thermal nuclear propulsion ay maaaring makamit para sa paggalugad ng malalim na kalawakan kung ano ang nagawa ng SpaceX para sa orbital launches: lumikha ng reusable, pangmatagalang sasakyang pangkalawakan na parehong nagbabawas ng gastos at ginagawang mas epektibo ang paglalakbay sa kalawakan, na nagpapahintulot sa mas malaking masa ng payload na mailipat.

Pag-invest sa SR-12 Freedom

L3Harris

Ang L3Harris ay isang pangunahing tagapagbigay ng aerospace at kumpanya ng depensa, resulta ng pagsasanib ng L3 Technologies at Harris Corporation noong 2019.

Ang kumpanya ay hindi lamang nagbibigay ng Hall-effect thrusters para sa SR-1, kundi pati na rin direktang kasangkot sa pag-develop ng fission surface power program, na magdadala ng nuclear na enerhiya sa hinaharap na American Moon base.

“Ang nuclear propulsion ay maaaring magbigay ng kapangyarihan sa paggalugad hanggang sa pinakamalayong bahagi ng solar system at higit pa, mapahusay ang pambansang seguridad, at magbigay daan sa mga pambihirang tuklas. Ang maneuverability sa kalawakan ay matagal nang limitasyon para sa pinaka-ambisyosong robotic exploration at iba pang natatanging aplikasyon ng gobyerno, at ang L3Harris ay nakatuon sa pag-alis ng limitasyong iyon.”

Ang electric propulsion system nito ay ginamit din ng NASA’s Dawn mission patungo sa mga pangunahing asteroid belt na Ceres at Vesta.

Ang kumpanya ay nag-i-explore din ng Nuclear Thermal Propulsion (NTP), na binubuo sa bagong karanasan nito sa electric nuclear propulsion at mas matagal nang karanasan sa radioisotope thermoelectric generators, na nagbigay ng pinagmumulan ng enerhiya para sa parehong Mars Curiosity Rover at Mars Perseverance Rover.

Gayunpaman, ang kalawakan ay isa lamang segment ng aktibidad ng kumpanya.

Ang pangunahing negosyo nito ay magbigay sa militar ng US at mga kaalyado nito ng secure communication (kalahati ng global market ng tactical radio), command center, radar & communication plans, electronic warfare, satellites para sa missile launch detection, atbp.

Ang Aerodyne, ang kumpanya na nagbibigay ng propulsion system sa SR-1, ay isa ring pangunahing tagagawa ng mga missile, kabilang ang ammunition para sa mga missile defense system, na ang imbentaryo ay napilitang humarap sa mga digmaan sa Ukraine at Iran.

Sa pangkalahatan, ang planadong paglago ng budget ng militar ng US mula $1T hanggang $1.5T ay malamang na magtataas ng lahat ng bangka para sa mga mamumuhunan sa sektor ng depensa, lalo na dahil ang digmaan sa Ukraine ay nag-ubos ng imbentaryo at ang digmaan sa Iran ay nagpakita ng pangangailangan para sa mas maraming ammunition at missile defense.

Ang huling pagkatuklas na ito sa ebolusyon ng estratehiyang militar ay maaaring magbigay ng pinakamalaking benepisyo sa L3Harris. Kung ipinakita ng Ukraine ang kahalagahan ng mga drone at electronic warfare, ang tunggalian sa Iran ay nagbigay-diin sa kahalagahan ng missile defenses. At higit sa lahat, ang kahalagahan ng malalim na imbentaryo ng interceptor missiles, dahil bawat papasok na missile ay kumokonsumo ng 2-3 interceptor.

Dagdag pa rito, ang muling pag-angat ng ambisyon ng NASA ay dapat ding makinabang ang kumpanya bilang pangunahing tagapagbigay ng ion thrusters at space nuclear power.

(Maaari mong basahin ang higit pa tungkol sa mga aktibidad ng L3Harris sa aerospace at depensa sa aming investment report na nakatuon sa kumpanya.)

Pinakabagong L3Harris (LHX) Stock News at Mga Pag-unlad