17 oktober 2018

Nucleaire motoren in de Amerikaanse en Russische lucht- en ruimtevaart, een terug- en vooruitblik (1)

In 2016 doken er verschillende berichten op over Russische raketten die, door nucleaire motoren aangedreven, de Russische ruimtevaart in een stroomversnelling zouden moeten brengen. Zij zouden kosmonauten binnen een week of zes naar Mars kunnen vervoeren en de ruimtevaart in zijn geheel een enorme stimulans geven door snel en efficiënt transport in het zonnestelsel.

Topaz nucleaire reactor credits; ResearchGate

Berichtgeving

Wereldwijd maar ook in Nederland, in o.a. het Technisch Weekblad, verschenen in dat jaar artikelen over Rusland en hun plannen voor wat betreft het toekomstig gebruik van nucleaire reactoren voor de ruimtevaart, ik citeer; ‘Als energiebron van de nieuwe nucleair raketmotor gebruiken de Russen een gas gekoelde snelle neutronenreactor die zijn warmte-energie afgeeft aan waterstof (meegevoerd als cryogene vloeistof), waarna deze verdampt en de neutronen de uitlaat uitvliegen. Het elektrisch vermogen loopt op 1000 kW, de gaskerntemperatuur is 1500 C graden. Dit soort motor is twintig keer goedkoper dan bestaande energiebronnen en levert ruim tien keer meer energie dan ionenmotoren die elektronen uitstoten meestal afkomstig van xenon.’ Piet Smolders, TW, 2016.  Een eerste grondtest en een in-flight test zouden in resp. 2018 en 2025 plaatsvinden, zie o.a. ook het artikel in Wired (2016 n.1). Hierin doet een bekend strategisch analist van het James Martin Center for Non-proliferation Studies, Nicolai Sokov verslag over verschillende toepassingen die Rusland zou kunnen bedenken voor de nucleaire raketmotor. Deze zou een satelliet bijvoorbeeld met koerscorrecties die veel brandstof kosten kunnen ondersteunen, of bijvoorbeeld ruimtepuin opruimen. (Tussen 1967 en 1988 had de Sovjet-Unie de Rorsat Reconnaissance satellieten in gebruik die uitgerust waren met ‘Topaz’ nucleaire motoren). Vervolgens voegt Sokov eraan toe; dat er ook minder onschuldige toepassingen te bedenken zijn “You are free to think of other, perhaps not as innocent applications.” Wapens? Het artikel volgt met te melden dat het Rusland toch waarschijnlijk aan afdoende financiële middelen zal ontbreken en het niet zo een vaart zal lopen. Er is rond de 600-700 miljoen dollar toegezegd in 2010 toen het project(en) van start ging(en) maar dat is te weinig (n.2). Echter sinds die tijd, dus zeg maar grofweg de afgelopen twee jaar is er niet veel meer over vernomen. Er circuleren dan ook regelmatig vragen omtrent deze testen (stand-van-zaken) over nieuwe Russische nucleaire raketten op ruimtevaartforums. (zie laatste paragraaf hieronder deel 2) Echter nu in de herfst van 2018 aangekomen, het jaar waarin de grondtesten zouden beginnen, zijn er enkel nog de berichten doorgekomen van 1. Rosatom, dat het nieuws verspreidde dat brandstofelementen naar Rosatom voor deze reactoren, waren aangekomen, 2. dat Rosatom met deze gas gekoelde MW klasse reactor in 2020 gaat testen (n.3), en ten derde is er dit jaar, afgelopen maart, door president Poetin in zijn state-of-the-union toespraak aangekondigd dat Rusland nieuwe, zeer moderne wapens waaronder ook nucleair aangedreven kruisraketten (Petrel) en onderwaterdrones (Poseidon) ontwikkeld heeft (n.4). NASA had en heeft zo zijn eigen projecten voor o.a. nucleaire motoren in de lucht- en ruimtevaart waaronder het KiloPower Project, een project dat loopt sinds 2015. Dit project maakt gebruik van uranium aangedreven  Stirling-motoren voor  mogelijke toekomstige missies naar Mars. De Deze reactortechnologie moet van toepassing kunnen zijn op meerdere NASA-missies om zo een nieuw model van ambitieuze ruimteprojecten te kunnen nastreven. Het project is nog in zijn experimentele fase. Hier kom ik later nog op terug, nu eerst een korte terugblik in de historie (n.5).

NEPA (ANP), rover/NERVA, Pluto, Tupolev

Nucleaire ruimtevaart heeft al een ruim zestig jarige historie, zowel in de VS als in Rusland (en voor 1991 de voormalig Sovjet-Unie). Eigenlijk al vanaf het moment dat de eerste onafgebroken nucleaire kettingreactie een feit was op 2 december 1942 te Chicago, de CP-1 of ‘Chicago Pile’ o.l.v. kernfysicus Enrico Fermi was er sprake van het idee en plannen voor nucleaire reactoren voor vliegtuigen en raketmotoren en schepen. Het meest concrete voorbeeld hiervan is de nucleair aangedreven onderzeeër de ‘USS Nautilus’, deze voer in 1955 in slechts een jaar de wereld of liever gezegd de ‘oceanen’ rond.

USS Nautilus credits; wikipedia

Gebutst en gedeukt kwam hij aan in Groton, Connecticut bij General Dynamics, maar deze prestatie was fenomenaal. Pas in 1979 zou hij buiten dienst gesteld worden. Voor de lucht- en ruimtevaart is het duidelijk lastiger. Alles  draait hier om de specifieke impuls en om de ‘weight-to-thrust ratio’, de verhouding tussen de  stuwkracht van een raket(of straal)motor en het gewicht van de motor of het aangedreven voertuig, de stuwkracht-gewichts(motormassa)verhouding (n.6). De reactoren moeten lichter en kleiner worden om de raket of het vliegtuig efficiënt te maken. In 1946 werd in de VS het NEPA, Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft Project, gestart door het leger/luchtmacht uitgevoerd i.s.m. het Fairchild Airplane Corporation.  MIT wetenschappers berekenden dat er minstens een 15 jaar durend programma en 1 miljard dollar aan kosten, een astronomisch bedrag voor die tijd, nodig waren. Het ging in 1951 over in het ‘Aircraft Nuclear Propulsion’ ANP, Aircraft Nuclear Propulsion. Het doel dat het eenvoudigst te bereiken was. was een nucleair aangedreven turbojet motor voor een bemand vliegtuig. In een nucleaire jet motor, worden de brandstof tanks vervangen door een nucleaire reactor.

Het ANP programma werd toegekend aan twee teams; 1. General Electric en Convair en 2. Pratt & Whitney aircraft company en Lockheed. Terwijl GE en P&W  werkten aan het motor ontwerp, moesten Convair en Lockheed het frame van de vliegtuigen maken. Andere betrokkenen waren het Oak Ridge Lab van het AEC, en NASA’s  Glenn Research Center. Een omgebouwde Convair (B-36), daarna ‘NB-36H Peacemaker, werd uitgerust met de 3 MW Aircraft Shield test reactor (ASTR) ontworpen door Oak Ridge. De NB-36H zou 47 keer het luchtruim betreden. GE en P&W hadden ieder een andere aanpak. GE ontwierp een ‘direct cycle’ nucleaire jet. Een open systeem waarin de hitte van de reactor direct de passerende lucht treft. Dit is het simpelste ontwerp, en, zo dacht men, de snelste route naar succes. De keerzijde was dat de lucht die uit de motor komt gevuld is met radioactieve deeltjes. De Russen zouden ditzelfde pad later ook volgen. Na enkele grondtesten resulteerde dit in de XNJ-140E-1. Met een 50 MW aan elektrisch vermogen genereerde de motor een stuwkracht van 23.000 kg wat bijzonder hoog was voor die tijd. P&W pakte het anders aan. Een ‘back-up’ van het prototype nucleair vliegtuig werd ontworpen in het ARE programma Aircraft Reactor Experiment van Oak Ridge, Hier ging men voor het ‘indirect cycle’ ontwerp. De lucht ging niet rechtsstreek door de reactor maar ARE gebruikte een gesmolten zout reactor, en de thermale energie ging van de koelvloeistof via een warmtewisselaar naar de lucht. Dit was aantrekkelijk daar er nu geen radioactieve deeltjes uitgestoten werden. In de ARE werden zouten als sodium fluoride en uranium tetrafluoride gemixt en circuleerden door de reactie kamer, fungerend zowel als brandstof en als koelmiddel.  In 1954, startte Oak Ridge de  ARE—de allereerste gesmolten zout reactor (MSR) op. Het succes met ARE spoorde het P&W team aan om de PWAR-1 reactor te ontwikkelen, en deze werd in 1957 onderworpen aan warmte testen, maar presteerde met de lithium-gekoelde reactor ver onder het gewenste vermogen. Zijn stuwvermogen reikte niet verder dan 5500 kg.

Tu 95 met nucleaire aandrijving credits; Aviation History online museum

Rusland liep iets achter. In augustus 1955 werd de ‘Bear’ Tupolev-95 bommenwerper, omgebouwd tot een vliegend reactor lab, dat in 1961 een testvlucht maakte. In totaal 34 vluchten volgden, en het operationeel centrum was gevestigd bij het OKB Tupolev te Moskou. Op de meeste vluchten was echter de reactor uitgeschakeld. In Amerika werd in 1961 door John Kennedy een streep door het ANP gehaald. Intercontinentale raketten volstonden daar de wapens compact waren geworden. Een miljard dollar armer en het resultaat was ‘zero’ nucleair aangedreven vliegtuigen. De bakens werden verzet. Toen werd het project rover/NERVA gestart maar ook hier kwam na 18 jaar in 1973 een einde aan (n.7). De Amerikaanse luchtmacht had nog een troef achter de hand en waagde zich aan een ramjet, het werd Project Pluto/Tory ook wel SLAM gedoopt.

Pluto, de onbemande nucleaire ramjet

Terwijl men nog volop bezig was om deze nucleaire bommenwerpers van de grond te krijgen begon men in het Lawrence Livermore Radiation Lab te kijken naar een nucleair aangedreven luchtademende ‘ramjet’. Het werd Project Pluto, ook wel aangeduid als SLAM, Supersonic Low Altitude Missile, SLAM hypersonische motor, zie hierboven de motor credits; wikipedia. De kruisraket ging vier maal de geluidssnelheid, kon zowel zeer hoog als laag over de aarde vliegen, ‘airborne’ voor maanden blijven, en meerdere doelen bereiken met grote precisie. Het vliegtuig uitgerust met radar kon tot acht kernkoppen dragen. Voor de radars van de Sovjet zou de SLAM onopgemerkt blijven. Een ramjet heeft geen compressor om de motor te ondersteunen. Een ramjet ( stuwstraalmotor) is een motor zonder bewegende delen als compressors en turbines. Naarmate de snelheid van een vliegtuig toeneemt komt de lucht steeds sneller de motor binnen. Binnenin de motor beweegt de lucht veel minder snel met als gevolg dat de luchtdruk toeneemt (dit heet het “ram compression” effect). Bij een voldoende hoge snelheid is er geen compressor en turbine om aan te drijven meer nodig. In de gecomprimeerde lucht wordt brandstof gespoten die verbrandt; de sterk geëxpandeerde verbrandingsgassen verlaten het apparaat via een straalpijp aan de achterkant, waarbij stuwkracht wordt ontwikkeld. De enige bewegende onderdelen zitten in de brandstofpomp. Een ramjet werkt zeer efficiënt bij supersonische snelheden. Bij 5 tot 6 maal de geluidssnelheid is de ramjet de meest efficiënte vorm van voortstuwing. Hij heeft wel een booster raket nodig om de gewenste snelheid te verkrijgen. In een nucleaire ramjet, komt alle warmte van de reactor, zelfs de turbine bladen zitten niet tussen de radioactieve deeltjes en de rest van de atmosfeer. Het design is zowel beangstigend simpel als beangstigend op zich. Zo een nucleaire ramjet is juist effectief op lage hoogtes waar de lucht dicht is, en weinig samengeperst hoeft te worden. Een gevaarlijk aspect hiervan is dat de uitstoot van radioactieve deeltjes vrij dicht bij de grond plaatsvindt.

In 1961 werd het ANP programma geschrapt maar Pluto ging door. Een test faciliteit in Nevada, Area 25, (Nevada National Securiyt Site), werd aangelegd. Het is de site van het nu ontmantelde Nuclear Rocket Development Station (NRDS). Het werd opgebouwd voor o.a. project rover/NERVA, en nucleaire en ballistische rakettesten. Het Livermore lab en het bedrijf Vought bepaalden de eisen voor de Pluto reactor; deze werd 162 cm lang, had een diameter van 30 cm, bevatte 60 kg uranium, en gaf 600 MW elektrisch vermogen, waarbij een kerntemperatuur van 1276 graden Celsius werd bereikt. De Tory stootte veel gamma straling uit. Tory IIA werd getest op 14 mei 1961, het eerste prototype nucleair ramjet. Het personeel keek vanuit een bunker mee. De te gebruiken lucht, tot 506 graden Celsius opgewarmd, stond opgeslagen in tanks, en werd met 60 kg per vierkante cm erin gebracht om de condities van de luchtinlaat bij Mach 4 en hoger te simuleren. De reactor had geen protectieschild en moest van afstand bestuurd worden. Het werd naar een assemblage gebouw gebracht en door van afstand bedienbare apparatuur ontmanteld. De luchtmacht gaf Livermore een contract. In mei 1964 werd Tory IIC getest, de motor brandde voor 292 seconden maar zoals hierboven gezegd, werd het project’ te provocatief’ geacht en afgebroken. ‘But the Department of Defense canceled the program in June 1964 after determining that the SLAM would be too provocative—and might spur the Soviets to develop something similar., Deel 2 volgt. Bronnen; Arstechnica, Mark D.Bowles, NASA’s Nuclear Program at Plum Brook Station 1955-2005, Wired, Technisch Weekblad, Rosatom, Bloomberg, Fourmilab.Pluto, Popular Mechanics

(1.) artikel uit Wired; https://www.wired.com/2016/03/russia-thinks-can-use-nukes-fly-mars-90-days-can-find-rubles/

(2)  Anatoly Lanin; ‘In 2010 the Government of Russia provided the initial financial support for the development of an outline for a project of a megawatt nuclear energy device, with the possible beginning of the module construction in 2018’

(3) Op de wikipagina over nucleaire aandrijving voor ruimtevaart staat het project onder de naam Burevestnik/Stormvogel.Het vermeldt dat het voorlopig ontwerp in 2013 klaarlag en er zijn nog 9 jaar gepland voor ontwikkeling. Een MW klasse, een gaskernreactor (1500 graden Celsius) en een matrix van ionenmotoren.’ Volgens ArsTechnica gaat het inderdaad om NEP; nucleaire thermische energie wordt omgezet in elektrische energie die wordt gebruikt om een van de elektrische voortstuwingstechnologieën te voeden. Technisch gezien is de krachtbron nucleair, niet het voortstuwingssysteem, maar de terminologie is standaard. Er zijn verschillende heat-to-electricity systemen.

(4.) KiloPower Project; De reactor kan aaneengesloten 1-10 kilowatt aan elektriciteit produceren voor tien of meer jaar.  Het prototype maakt gebruikt van een vaste, gegoten uranium-235 kern.  De reactor hitte wordt overgedragen via passieve natriumwarmtepijpen, waarbij de warmte vervolgens wordt omgezet in elektriciteit door zeer efficiënte Stirling-motoren, Astroblogs 22/11/2017

(5)  https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-03-01/putin-s-newest-nukes-the-weapons-he-showed-off-in-speech

(6) Voor de efficiëntie van de raket is de maat de specifieke impuls, lsp, gedefinieerd als het aantal seconden dat een motor met een kg stuwstof een kg stuwkracht kan genereren. De best presterende conventionele raketmotoren verbruiken vloeibare waterstof en zuurstof en halen daarmee een lsp van 450 sec. Een nucleaire motor zou waterstof niet verbranden maar verhitten door het door een reactor te laten stromen Bij de NERVA motor werd bv een lsp van 825 sec. bereikt bij een kerntemperatuur van 2000 graden Celsius.

(7) rover/NERVA; voor Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application beoogde de ontwikkeling van een thermisch-nucleaire rakettrap voor interplanetair gebruik, en was een gezamenlijk project van de U.S. Atomic Energy Commission en NASA onder management van het space Nuclear Propulsion Office (SNPO). Project Rover was het ontwikkelingsprogramma dat van 1955 tot 1972 naar een bruikbare NERVA motor toewerkte. Bron; Ruimtevaart 2017/2 AvO.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.