11 december 2019

NASA creëert momentum voor geavanceerde nucleaire en elektrische voortstuwing

De ontwikkeling van een nucleair-thermisch (NTP) aangedreven raket o.a. voor reizen naar Mars, met een testvlucht van deze in 2024, het Kilopower project voor energievoorziening op planetaire oppervlakken en ook geavanceerde elektrische ionenmotoren voor robotische exploratiesondes zijn enkele van NASA’s kernprojecten voor de komende jaren op het gebied van geavanceerde energievoorziening en voortstuwingssystemen op rij gezet. Hiermee werkt NASA hard aan creatie van het juiste momentum voor inzet van deze systemen bij deep space missies. In totaal wordt er dit jaar een miljard dollar voor uitgetrokken, dik vijf procent van NASA’s budget van 2019 van 21.5 miljard dollar.

Artistieke impressie NTP raket voor deep space missies credits; Marshall Space Flight Center NASA

NASA maakt(e) reeds kritieke vorderingen op het gebied van energieopwekking voor wetenschappelijke en exploratiemissies en ook worden er geavanceerde aandrijfsystemen ontwikkeld welke gericht zijn op een hogere stuwkracht en efficiëntie, inclusief alternatieven voor traditionele chemische voortstuwing voor deep space exploratie. Specifieke investeringen omvatten o.a. de ontwikkeling van zonneceltechnologie die energie kan genereren in extreme omgevingen, waaronder weinig licht en lage temperatuur; ontwikkeling en testen van een schaalbaar stroomopwekkingssysteem d.m.v. een 1kW splijtingsreactor (Kilopower) voor op planetaire oppervlakken; dan ‘snel transport’ op basis van nucleaire thermische voortstuwingstechnologie (NTP) dat mogelijk 20 procent kortere reistijd naar Mars kan bieden, waarbij tevens de missieflexibiliteit aanzienlijk wordt verbeterd. Het Amerikaanse congres heeft dit jaar o.a. $ 100 miljoen goedgekeurd voor NASA om  de NTP te ontwikkelen en NASA plant een NTP vluchtdemonstratie in 2024. Voor de NTP is BWXT, een bedrijf gezeteld in Virginia, aangewezen voor ontwerp en ontwikkeling. Ook moet de ontwikkeling van de ionenmotoren X3 en XR-100 in het kader van het NextSTEP programma genoemd worden.

Kernprojecten
* Kilopower*: voor dit project, energieopwekking op de maan of Mars, is NASA een partnerschap aangegaan met het National Nuclear Security Administration van het Department of Energy (DOE), het Los Alamos National Laboratory, de bedrijven Sunpower systems en ACT, Advanced Cooling Technologies. Samen ontwikkelen ze het 1 kW prototype kernsplijtingssubsysteem dat schaalbaar is en dient voor energievoorziening op planetaire oppervlakken bij ruimte-exploratie en -exploitatie. De Kilopower installatie werd onderworpen aan vacuüm testen bij het Glenn Research Center, Cleveland en een vol vermogen test bij het Nevada National Security Site faciliteit. (Zie AB hieronder van 31 mei j.l.) Mits succesvol zal NASA verder gaan met ontwikkeling van een 10 kW systeem.

* Nuclear Thermal Propulsion (NTP): Investeringen zullen efficiëntere ruimtevluchten mogelijk maken door de ontwikkeling van verbeterde brandstofelementen voor nucleair-thermische voortstuwingssystemen. In 2018 werd NTP technologie alsmede ontwerpplannen voor demonstratie testen verder verfijnd. Dit ter voorbereiding op een volledige beoordeling van een Mars NTP-transportarchitectuur; men is bezig met de kostenanalyse van het concept-ontwerp van Cermet brandstofelementen/reactoren; de industrie die hierbij betrokken is betreft Aerojet Rocketdyne, AMA Aerospace, BWXT. Het hoogtepunt voor dit jaar bestaat uit een volledige conceptevaluatie en de  beslissing om door te gaan met een gronddemonstratiefase.

Het betreft voor de bemande ruimtevaart de ontwikkeling van een 500 MW LEU Cermetreactor. Een Cermet reactor is een alternatief voor een op grafiet gebaseerde nucleaire reactor; Cermet zijn op wolfraam (W) gebaseerde keramische-metaalachtige (CER-MET) brandstoffen waarin bolvormige deeltjes uraniumdioxide (UO2) in een wolfraammatrix worden gegraveerd. Wolfraam is een robuust materiaal dat, anders dan grafiet, bestand is tegen corrosie door waterstof bij zeer hoge temperaturen. Het ontwerp betreft een, met 19,75% LEU ( laag verrijkt uranium) verrijkte Cermet reactor. Aan licenties voor full-scale  grondtesten van de NTP-motor wordt gewerkt.

* Sub Kilowatt HET (Hall Effect Thruster) elektrische voortstuwing: Een Hall-effect ionenmotor is een type ionenmotor, Hall thrusters en andere typen ionenmotoren gebruiken elektriciteit om plasma, geïoniseerde deeltjes, uit te stoten.  Hall-effect voortstuwing (ook wel HET gebruikt) gebruikt een magnetisch veld om de axiale beweging van de elektronen te beperken en deze vervolgens te gebruiken om brandstof (xenon, krypton) te ioniseren, en zo met dit plasma efficiënt stuwkracht te produceren.HET technologie kan ruimtevaartuigen tot veel grotere snelheden brengen dan chemische voortstuwing. NASA zal een 0,5 kW Hall elektrisch voortstuwsysteem demonstreren voor gebruik op ruimtevaartuigen die exploratie- en wetenschapsmissies ondersteunen.  In 2018, heeft NASA het Amerikaanse bedrijf Busek een driejarig project toegekend voor het testen van de levensduur van de BHT-600 Hall Effect Thruster en BHC-1500 Hollow Cathode Assembly (HCA) ) gekoppeld aan een Power Processing Unit (PPU). Deze technologie kan worden ingebracht in elektrische voortstuwingssystemen van het sub-KW vermogen. NASA wil in 2019 meerdere geïntegreerde HET testen (o.a. mgv xenon, een veel gebruikt gas voor ionenmotoren, NASA’s Dawn missie die om de dwergplaneet Ceres draait gebruikt xenon) uitvoeren.

Het Glenn Research Center waar HET technologie ontwikkeld wordt zegt hierover; ‘Glenn heeft nieuwe technologieën ontwikkeld die de operationele levensduur van een Hall effect thruster (HET) verlengen, die wordt gebruikt op satellieten in een lage aardebaan maar ook in deep space exploratie. De operationele levensduur van HET’s wordt mede bepaald door het plasma dat de keramische kamer van de HET in iets meer dan een jaar van werking uitholt. De baanbrekende technologie van Glenn verlengt deze operationele levensduur. Glenn ontwikkelt een innovatieve configuratie van het magnetische veld die magnetische afscherming biedt om interacties tussen het xenonplasma met hoge energie dat wordt geproduceerd door de HET en de keramische kamer die het bevat te elimineren.

*NASA’s NextSTEP programma; dit betreft o.a. Hall Effect voorstuwing in het kW bereik. De Universiteit van Michigan ontwikkelt i.s.m. NASA en de Amerikaanse luchtmacht de X3 Hall ionenmotor. Het ontwikkelingsteam heeft naar aanleiding van succesvolle testen verklaard dat er binnen 20 jaar een reis naar Mars mogelijk is met een X3 voortstuwingssysteem. Het Michigan team en NASA verklaren; “We have shown that X3 can operate at over 100 kW of power,”  en vervolgt; “It (X3) operated at a huge range of power from 5 kW to 102 kW,” aldus projectleider Alec Gallimore vorig jaar in een interview met Space.com**.

Scott Hall (Universiteit van Michigan) met X3 credits; NASA via Space.com

Dit is de reden waarom onderzoekers zo geïnteresseerd zijn in de mogelijke toepassing van ionaandrijving voor ruimtevaart over lange afstanden. Terwijl de maximale snelheid die kan worden bereikt met een chemische raket ongeveer 5 kilometer per seconde is, kan een Hall thruster een vaartuig tot 40 km/s brengen.V an ionenmotoren is ook bekend dat ze efficiënter zijn dan door chemicaliën aangedreven raketten, een met wat de X3 projectleider Gallimore beschreef als een betere ‘mijl per gallon’ verhouding. Een door Hall-Thruster aangedreven ruimtevaartuig zou vracht en astronauten naar Mars brengen met veel minder drijfgas dan een chemische raket. De Universiteit van Michigan i.s.m. de Amerikaanse luchtmacht werken al sinds bijna 10 jaar intensief aan HET elektrische voortstuwing. Het begon allemaal met de X2 en de X3 maar in 2016 ging het onderzoeksteam ook een partnerschap aan met het in Californië gestationeerde raketbouwer Aerojet Rocketdyne. Samen werken ze nu aan een groter HET systeem de XR-100***. Ook dit grote project staat in het kader van NASA’s Next Space Technologies for Exploration Partnerships, NextSTEP Programma. Echter de X3 is het centrale hart van de XR-100. Scott Hall, een promovendus van de Universiteit van Michigan die de laatste vijf jaar intensief werkte aan de X3 verklaart dat het project een grote uitdaging is mede vanwege de afmeting en gewicht. Het X3 gevaarte weegt 225 kilo en is een meter in diameter. Scott Hall;  “De meeste HET systemen kunnen door een of twee mensen kunnen opgepakt worden maar wij hebben een kraan nodig om X3 te verplaatsen. Dit jaar voert het team een nog grotere test uit die wil bewijzen dat het ontwerp van een speciaal magnetisch afschwerminssysteem het plasma afdoende weghoudt van de wanden van de HET om schade te voorkomen om de HET nog langere tijd betrouwbaar te kunnen laten werken. Zonder deze afscherming zou, aldus Gallimore, een vluchtversie van de X3 waarschijnlijk na enkele duizenden bedrijfsuren problemen gaan krijgen.

‘Slechts’ 1 miljard

Een miljard dollar voor geavanceerde ruimtevaart voortstuwing lijkt een fors bedrag maar in verhouding tot bijvoorbeeld wat de door conventionele chemische motoren aagedreven SLS, Space Launch System, dit jaar toegekend krijgt, 3.5 miljard is het niet enorm veel.  De SLS  is een raket in de super-heavy klasse à la SpaceX Super heavy en Starship voor wat betreft laadvermogen. De SLS kost echter ongeveer $ 1 miljard per lancering wat tien keer meer is dan een SpaceX lancering. NASA plant SLS lanceringen in 2021 en 2024, twee zware lanceringen binnen vijf jaar, kosten alleen al hiervoor in totaal ruim 20 miljard dollar. Geavanceerde propulsie moet het tot die tijd met aanzienlijk minder doen maar maakt desalniettemin goede vorderingen. Bronnen; NextBigFuture / SpaceReview

Speak Your Mind

*

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