NASA SR-1 Freedom: İlk Nükleer Uzay Aracını İnşa Etmek

Uzayda bir nesneyi hareket ettirmek, bir uzay aracı bir gezegenin yerçekimi kuyusundan kaçtıktan sonra bile çok enerji tüketir. Bunun bir kısmı, gök cisimleri arasındaki mesafenin çok büyük olmasından kaynaklanır.

Örneğin, Ay ile Dünya arasındaki mesafe sadece 0,25 metre olsaydı, Mars ile Dünya arasındaki mesafe 500 metre, Neptün’e ise 30.000 metre olurdu.

Dolayısıyla uzay aracı ne kadar ağır olursa, bu kütleyi bu devasa mesafeyi kat edecek bir hızda hareket ettirmek için o kadar çok enerji gerekir. Ve ardından yavaşlatma için aynı enerji tekrar gerekir.

Derin uzay keşfi ve gezegenler arası uçuşun bir diğer sınırlaması, itiş gücü oluşturmak için bir miktar kütlenin dışarı atılması gerektiğidir. Ancak yakıt ne kadar çok olursa, ölü ağırlık da o kadar artar ve itiş için daha fazla enerji gerekir. Bu yüzden güçlü bir ivme için, atılan yakıt çok yüksek bir hızla itilmeli, daha büyük bir momentum oluşturmalı ve enerji kaynağı mümkün olduğunca yoğun olmalıdır.

Tüm bu nedenlerle, uzay yolculuğunda nükleer enerjinin kullanılma fikri, nükleer enerji üretiminin başlangıcı kadar eski bir fikir olup, uranyum hayal edilebilecek en yoğun “yakıt”lardan biridir; bir kilogram uranyum potansiyel olarak 23 milyon kWh üretirken, 1 kg petrol 13 kWh ve 1 kg kömür 7 kWh üretir.

Kaynak: Visual Capitalist

Bununla birlikte, uzay yolculuğu itişi için hayal edilen tasarımların hiçbiri henüz kullanılmadı. Nükleer enerjinin nispeten yaygın tek kullanımı, radyo termal jeneratörlerdir; bu jeneratörler, radyoaktif elementlerin pasif bozunmasını, nispeten kısa yarı ömürleriyle, derin uzaydaki rover ve sondaları yıllarca hatta on yıllarca güçlendirmek için kullanır.

Bu durum çok yakında değişebilir; SR-1 Freedom adlı bir uzay reaktörüyle, SR’nin “Space Reactor” (Uzay Reaktörü) anlamına geldiği bir sistemle.

Bu nükleer elektrikli itiş sistemi 2028’de devreye alınabilir. Mars’a üç Ingenuity sınıfı helikopterden oluşan Skyfall yükünü teslim etmek için kullanılacak. Çoğunlukla teknolojiyi göstermek amacıyla kullanılacak, ancak planlanan boyutta, normal bir probadan çok daha hızlı olmayacak.

“Skyfall helikopterleri, gelecekteki bir iniş noktasını keşfetmek, eğimleri ve insan ölçeğindeki iniş araçları için tehlikeleri anlamak amacıyla kamera ve yer altı radarları taşıyacak. Ayrıca yer altı su buzunu haritalayacak ve karakterize edecek; buz birikintilerinin nerede olduğunu, boyutlarını, derinliğini ve diğer önemli özelliklerini belirleyecek.”Steve Sinacore, NASA’da fisyon yüzey gücü programı yöneticisi

Bu, Lunar Gateway uzay istasyonunun muhtemel tamamen iptal edilmesi, Artemis misyonunun yeniden düzenlenmesi ve gelecekteki Ay üssü için daha iddialı bir inşa sürecini içeren daha geniş bir NASA programı yeniden yapılandırmasının parçasıdır; bu, Artemis II’nin başarılı fırlatılmasının hemen ardından, 50+ yılda ilk kez astronotları Ay yörüngesine getirecek.

Nükleer Uzay İtişi Çeşitleri

Nükleer Elektrik İtişi

SR-1 Freedom’ın nükleer itiş sistemi nükleer elektriktir; bu nedenle önce bir nükleer reaktör elektrik üretir ve bu güç daha sonra uzay aracı motorlarıyla itiş üretmek için kullanılır.

Elektriği itişe ve dolayısıyla faydalı harekete dönüştürmek için en yaygın kullanılan yöntem, SR-1 Freedom tarafından da kullanılan iyon iticilerdir. SR-1 Hall-efekt iticileri örneğinde.

Bu iticiler, elektriği kullanarak bir gazı iyonlaştırır; temelde yakıt olarak kullanılan gazı (genellikle ksenon veya kripton) enerjiyle “yükler”. Bu reaktörler %45‑60 arasında çok yüksek bir verimliliğe ve yüksek özgül impulsa sahiptir; bu da aynı itiş etkisi için daha az yakıt kütlesi gerektiği anlamına gelir.

Bununla birlikte, iyon iticileri bireysel olarak nispeten zayıftır; bu yüzden yavaş ve istikrarlı bir ivmenin yüksek hıza dönüşebileceği uzun mesafe yolculukları için en uygunudur.

Şu ana kadar iyon iticileri kullanıldı, ancak sondanın güneş panelleri tarafından sağlanan enerjiyle sınırlıydı. Nükleer bir enerji kaynağıyla çok daha fazla itiş ve ivme üretilebilir.

Bu, nükleer itişin en olgun versiyonudur; çünkü hem nükleer enerji üretimi hem de iyon iticileri iyi geliştirilmiş teknolojilerdir. Dolayısıyla bunları birlikte çalıştırmak sadece tasarım ve mühendislik meselesidir; bu da SR-1’in hızlı bir şekilde devreye alınmasının nedenidir.

Nükleer Termal İtiş

Nükleer reaktörler, radyoaktiviteyi ısıya dönüştürerek ve ardından bu ısıyı elektriğe çevirerek güç üretir.

Bu itiş yöntemi aracıyı ortadan kaldırır ve doğrudan ısıyı kullanır. Fikir, nükleer enerjiyi bir yakıtı, genellikle sıvı hidrojen, aşırı ısıtmak ve sıcak gazı iterek hareket üretmektir.

Bu fikir teorik olarak devasa bir itiş kapasitesi üretebilir. Pratikte ise bir anda çok fazla nükleer enerji ve çok fazla yakıt gerektirir; bu da çoğunlukla büyük uzay araçları, tipik gezegenler arası sondalar ya da Starship gibi süper ağır roketler için geçerlidir.

Diğer Nükleer İtiş Sistemleri

Nükleer enerjinin enerji yoğunluğu, daha da çılgın potansiyel kavramlar ortaya çıkarmıştır.

Örneğin, 1950 ve 1960’larda ciddiyetle tartışılan Project Orion, Soğuk Savaş’ın merkezindeydi. Uzay aracını radyasyon ve hasardan koruyan dev bir kalkanla, itişin ana yöntemi olarak bir dizi nükleer patlamayı hayal ediyordu; bu kavram nükleer darbe itişi olarak bilinir.

Diğer fikirler, örneğin fisyon fragment roketleri veya gaz çekirdek reaktör roketleri, nükleer yakıtın kendisini itici madde olarak dışarı atmayı düşünür.

Bununla birlikte, bu fikirler çoğu durumda pratikten çok teoriktir; büyük ölçüde, gerektirdiği uzay gemisi ölçeğinin yakın gelecekte ulaşılabilir olmamasından kaynaklanmaktadır.

Nükleer İtiş Neden Henüz Gerçekleşmedi?

Jeopolitik

Kısmen, nükleer itişin hiç gerçekleşmemesinin nedeni basitçe ihtiyaç duyulmamasıdır. Ay’a birden fazla inişin ardından, SSCB ve ABD arasındaki uzay yarışı soğudu.

Ve SSCB’nin çöküşüyle, daha büyük uzay araçları veya gelecekteki dış dünya üsleri için olan hırs birkaç on yıl boyunca sönüp gitti.

Güneş’ten uzakta keşif için radyo termal jeneratörler yeterliydi. Bu yüzden nükleer itiş, insanlı uçuş için, ISS’den daha ileriye ve Mars’a ya da daha derin uzaya küçük sondalar göndermek için basitçe gerekli değildir.

Ancak, Çin’in çok ciddi bir uzay gücü olarak yükselişi, Ay ve Mars’a yeni bir uzay yarışı başlattı. Bu da Amerikan nükleer itiş projelerinin yeniden doğmasını açıklayabilir; çünkü nükleer itiş, Mars’a veya ötesine ciddi bir insanlı uçuş için muhtemelen gerekli olacaktır.

Politika ve Nükleer İmaj

Nükleer enerjinin imajı, Çernobil ve Fukushima gibi kazalarla da zarar gördü; bu da herhangi bir boyutta bir nükleer reaktörün uzaya gönderilmesi fikrinin popüler olmamasına yol açtı.

Ayrıca, 1967 Uzay Antlaşması ve 1963 Kısmi Test Yasağı Antlaşması, Project Orion gibi nükleer itiş kavramlarını öldürdü.

Son olarak, uzaya malzeme fırlatmak her zaman riskli bir projedir; roketler yörüngeye ulaşma sürecinde başarısızlık ve patlama riski taşır.

Böyle bir durumda, radyoaktif malzeme geniş bir alana yayılabilir ve gerçek miktar minimal olsa bile, ilgili POR felaketi NASA’yı, ABD siyasi liderliğinin güçlü bir itici olmadan riski almaktan kaçınmaya yönlendirmiştir.

Teknik Sorunlar

Nükleer reaktörler, özellikle 1950-1990’larda, devasa ekipmanlardı. Bu tür bir nükleer reaktör, her gramın önemli olduğu uzayda kullanmak oldukça zor ya da hatta imkânsızdır. Reaktörün radyasyonuna karşı ek koruma kalkanı da ek kütle ekler.

Bu durum, SMR’lar (Küçük Modüler Reaktörler) ve mikroreaktörler çağında o kadar geçerli değildir, ancak bu teknolojiler nispeten yeni bir gelişmedir.

Nötronların çevre materyallere çarpmasıyla oluşan kırılganlık, uzay malzemelerinde çatlaklar veya diğer hasarlara yol açabilir; bu da daha iyi anlaşılmalı ve hafifletilmelidir.

Nükleer termal roketler ayrıca hidrojen korozyonuna karşı da hassastır; hidrojen, 2.200°C (4.000°F) gibi öngörülen sıcaklıklarda reaktör ve itiş bileşenlerini aşındıracak kadar agresif hale gelir.

SR-1 Freedom Tasarımı

Güç Reaktörü ve Birçok İlk

SR-1 Freedom, 20‑40 kWe kapalı Brayton çevrimi fisyon reaktörüne dayanacak; bu tasarım, nükleer ısı kaynağını kapalı bir döngüde gaz türbini güç dönüşüm sistemiyle birleştirir. Atık ısı, ardından titanyumdan yapılmış büyük radyatörler aracılığıyla uzaya tahliye edilir.

Kaynak: CNET

Reaktör, yüksek assay düşük zenginleştirilmiş uranyum (HALEU) ile, uranyum dioksit yakıtı kullanılarak beslenecek; bu, silah kalitesindeki yakıttan daha güvenli bir şekilde taşınabilir.

Elektronik (ve gelecekteki astronotları) reaktör radyasyonundan korumak için, reaktör bir bor karbür radyasyon kalkanı içinde kaplanmış ve radyasyon uzay aracından uzaklaştırılmıştır.

SR-1, nükleer itişin ilk prototipi veya konsepti olmaktan çok uzaktır; ancak laboratuvardan çıkan ve uzaya ulaşan ilk sistem olacak; bu, alandaki on yıllık deneyim ve yatırım üzerine inşa edilmiştir.

“Altı on yıl boyunca, Amerika Birleşik Devletleri, onlarca uzay nükleer programına 20 milyar dolardan fazla yatırım yaptı ve tam olarak bir reaktör uçurdu — 1965’te SNAP-10A. Bu reaktör asla yörüngeyi terk etmedi. Milyarlar harcandı, on yıllar kaybedildi. SR-1 bu modeli sona erdiriyor. Aralık 2028’deki bir Mars fırlatma penceresi, on yıllarca süren çalışmaların asla vermediği kararları zorunlu kılıyor.”Jared Isaacman – NASA Yöneticisi

Lunar Gateway Modüllerinin Yeniden Kullanılması

SR-1’in ultra hızlı konuşlandırılmasının mümkün olmasını açıklayan bir diğer unsur, uzay aracının iyon itici bölümünün hazır olmasıdır.

Kullanılacak itiş sistemi, neredeyse tamamlanmış, NASA tarafından geliştirilen uzay aracı platformu Power and Propulsion Element (PPE) olacak; başlangıçta Lunar Gateway için geliştirilmişti.

Ay uzay istasyonu görünüşe göre iptal edildiği için, esasen NASA’nın Avrupa, Japonya, Güney Kore, Kanada ve diğer ortakları tarafından inşa edilen bileşenleri, SR-1 gibi projelerde yeniden kullanılacak; bu, NASA ve ABD’nin yeni uzay hedefleriyle daha iyi uyum sağlayacak.

“Her varlık, her kilogram, sahip olduğumuz tüm ay keşif kaynakları tek bir şeye odaklanacak; o da ay üssünü inşa etmek,”Carlos Garcia-Galan – Gateway Programı yardımcı yöneticisi

PPE, Busek tarafından üretilen dört adet 6 kW Hall-efekt iticisi ve NASA ve Aerojet Rocketdyne (L3Harris’in bir yan kuruluşu) tarafından geliştirilen üç adet 12 kW Advanced Electric Propulsion System Hall-efekt iticisi ile donatılmıştır (LHX ).

PPE’nin yüksek performanslı güneş panelleri de tutulacak; böylece deneysel nükleer reaktör bakım gerektirdiğinde veya bir sorun yaşadığında kullanılabilecek.

SR-1’in Ötesinde

Uzayda Daha Fazla Nükleer Enerji İçin

SR-1’in hedefi, nükleer reaktör tasarımını gerçek bir testten geçirmek; hem itiş hem de diğer kullanım alanları için.

Bu nedenle, bir gün Mars’a insanlı bir uçuş için kullanılabilir, ancak daha yakın vadeli uygulamaları da olacaktır.

Örneğin, SR-1 Freedom’ın Mars’a uçuşundan elde edilen veriler, Lunar Reactor-1 (LR-1) geliştirilmesi için önemli olacaktır.

“2030’larda, daha fazla reaktörün ölçeğini büyütecek ve üretime geçeceğiz. Tüm nükleer uygulamalar için yüzlerce kilowatt’tan megawatt sınıfı reaktörlere kadar konuşuyoruz. Ay’a daha yüksek güçlü görevler, Mars’a insanlı görevler, ticari katılım ve tekrarlanabilir üretimle birlikte.”Steve Sinacore, NASA’da fisyon yüzey gücü programı yöneticisi

Bu fisyon reaktörü, güneş ışığı olmayan dönemlerde bir ay üssüne sürekli enerji sağlamak için tasarlanacak ve ayrıca kapalı bir Brayton çevrimi güç dönüşüm birimi kullanacak.

“Fisyon yüzey gücü programı, faz üçte daha fazla kapasite sağlamak için bir şeyler teslim etmeyi planlıyor ve belki birden fazla şey; ay üssü için ihtiyaç duyacağımız kapasiteyi karşılamak için. Güneş enerjisine zorunlu olarak güvenmemek ve varlıkların ısıtma ve belki biraz güç almasını sağlamak, ilerlememiz için altın değerinde olacaktır.”Carlos Garcia-Galan – Gateway Programı yardımcı yöneticisi

Yine de uzun vadede, SR-1’in en önemli mirası muhtemelen Mars’a insanlı nükleer uçuş olasılığı olacaktır; bu, kimyasal roketlerle mümkün olan 9 ay veya daha uzun sürelere kıyasla 4 ay ya da daha az sürecektir.

Gelecek Nükleer İtiş Sistemleri

Başlangıçta 2027 için planlanan DRACO (Agile Cislunar Operations için Demonstrasyon Roketi), bir termal roket motoru, 2025’te iptal edildi; çünkü SpaceX’in Starship’i gibi roketlerin yörünge ve cis-lunar seyahat için yeterli olduğu düşünüldü.

Yine de bu teknoloji, Mars’a seyahat süresini yarıya indirebilir; bu, SR-1’in potansiyel mirasına benzer.

Uzun vadede, elektrikli nükleer itiş normalleşirse, diğer nükleer itiş biçimleri de uygulanabilir hale gelebilir.

Başka bir olasılık, SR-1 tipi itiş sistemlerinin bir kargo gemisine monte edilmesidir; bu gemi Ay ya da Mars arasında gidip gelerek diğer uzay araçlarını hızlandırabilir; sadece ara sıra gaz itici ya da radyoaktif yakıtla yeniden doldurulması gerekir. Böylece aynı sistem, onlarca derin uzay görevine itiş sağlayabilir.

Bu konseptte, elektrikli veya termal nükleer itiş, SpaceX’in yörünge fırlatmalarında yaptığı gibi, derin uzay keşfi için yeniden kullanılabilir, uzun ömürlü araçlar yaratabilir; bu hem maliyetleri düşürür hem de uzay seyahatini çok daha verimli hâle getirir, böylece çok daha büyük yük kütlelerinin taşınması mümkün olur.

SR-12 Freedom’a Yatırım

L3Harris

L3Harris, 2019’da L3 Technologies ve Harris Corporation’ın birleşmesiyle oluşan büyük bir havacılık sağlayıcısı ve savunma şirketidir.

Şirket, SR-1 için Hall-efekt iticileri sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda gelecekteki Amerikan Ay üssüne nükleer enerji sağlayacak fisyon yüzey gücü programının geliştirilmesinde doğrudan yer almaktadır.

“Nükleer itiş, Güneş sisteminin en uzak noktalarına ve ötesine keşif sağlamak, ulusal güvenliği artırmak ve çığır açan keşiflere olanak tanımak için kullanılabilir. Uzay içi manevra kabiliyeti, en iddialı robotik keşifler ve diğer benzersiz devlet uygulamaları için uzun süredir sınırlayıcı bir faktör olmuştur ve L3Harris bu engeli kaldırmaya kararlıdır.”Kristin Houston, Başkan, Uzay İtişi ve Güç Sistemleri, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Elektrik itiş sistemi, NASA’nın Ceres ve Vesta ana kuşak asteroitlerine yönelik Dawn misyonunda da kullanıldı.

Şirket ayrıca, yeni elektrikli nükleer itiş deneyimi ve radyoizotop termoelektrik jeneratörlerdeki çok daha köklü deneyimini temel alarak Nükleer Termal İtiş (NTP) araştırmaktadır; bu jeneratörler Mars Curiosity Rover ve Mars Perseverance Rover için güç kaynağı sağlamıştır.

Bununla birlikte, uzay şirketin faaliyetlerinin sadece bir segmentidir.

Ana işi, ABD ordusu ve müttefiklerine güvenli iletişim (taktik radyo pazarının yarısı), komuta merkezi, radar ve iletişim planları, elektronik savaş, füze fırlatma tespiti için uydular vb. sağlamaktır.

Aerodyne, SR-1’e itiş sistemlerini sağlayan şirket, aynı zamanda füze savunma sistemleri için mühimmat dahil olmak üzere büyük bir füze üreticisidir; envanteri Ukrayna ve İran savaşlarıyla büyük bir baskı altında.

Genel olarak, ABD askeri bütçesinin 1 trilyondan 1,5 trilyona yükselmesi, savunma sektöründeki yatırımcılar için tüm fırsatları artıracaktır; özellikle Ukrayna savaşı envanteri tüketti ve İran savaşı daha fazla mühimmat ve füze savunma ihtiyacını ortaya koydu.

Bu son askeri strateji evrimi ortaya çıkışı, L3Harris’e en çok fayda sağlayabilir. Ukrayna dron ve elektronik savaşın önemini ortaya koyduysa, İran çatışması füze savunmalarının önemini vurguladı. Ve en çok, her gelen füze 2‑3 savunma füze (interceptor) tükettiği için derin bir interceptor envanterine ihtiyaç duyuluyor.

Ayrıca, NASA’nın yenilenen hedefi, şirketi iyon iticileri ve uzay nükleer gücünün birincil sağlayıcısı olarak da faydalı kılacaktır.

(Şirketin uzay ve savunma faaliyetleri hakkında daha fazla bilgiye yatırım raporumuzda yer alan L3Harris raporunda okuyabilirsiniz.).

Son L3Harris (LHX) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri