Tijd voor een D.O.G.E.’s ‘Bureau of Hyper Efficient Space Travel?’ Art. afb. van een cilindrisch ruimteschip, voortgestuwd door NTP. Credits; NASA/GSFC.
Nucleaire raketaandrijving kan de ruimtevaart een enorme stimulans geven, zowel qua reistijd als qua vracht. De VS en Rusland ontwikkelde reeds projecten als NERVA/Pluto, KiloPower, DRACO, ‘RORsat/Topaz’ en ‘Zeus’, en een deel hiervan is toegepast in enkele ruimtemissies. Recent hebben – alsof het uit de koker van Elon Musk’s nieuw bureau D.O.G.E. (Department of Government Efficiency) komt – NASA i.s.m. General Atomics (GA), onthuld dat ze met succes een nieuwe, nucleaire brandstof getest hebben, wat kan helpen ruimtereizen veel efficiënter* i.d. goedkoper en sneller te maken.
Ruimteschepen, of het nu raketten of satellieten zijn, die worden voortgestuwd door nucleaire aandrijving, kunnen de tijd die ze nodig hebben om hun doel te bereiken, of het nu de maan, Mars of ‘beyond’ is, drastisch verkorten. Het NTP-systeem, bedacht in 1945, en getest voor het eerst op de grond in 1955, is een raket die chemische brandstof vervangt, een kernreactor wordt dan gebruikt om brandstof op te warmen. Deze brandstof is waarschijnlijk waterstof, hoewel alles gebruikt kan worden, inclusief water. Dit komt omdat de brandstof geen energie levert. Het is gewoon reactiemassa die uitgestoten moet worden om stuwkracht te genereren volgens de eerste wet van Newton.
JETSON, nucleair-elektrische voortstuwing voor ruimtevaart Credits; LANL
Zo’n reactor moet werken bij zeer hoge temperaturen en sterke trillingen. Om de brandstof te testen, onderwierp GA de brandstof aan zes thermische cycli waarbij hete waterstof werd gebruikt om de temperatuur snel te verhogen tot 2327 graden Celsius. Verder voerde GA aanvullende tests uit om meer gegevens te krijgen over hoe verschillende materiaalverbeteringen de prestaties van de brandstof verbeterden onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van een kernreactor. Met dit zeer reactief oververhit waterstofgas zou elke conventioneel systeem moeite hebben, maar GA ontdekte dat de brandstof zelfs bij deze hitte goed presteerde. Scott Forney, CEO GA, stelde “We zijn erg bemoedigd door de positieve testresultaten die bewijzen dat de brandstof deze operationele omstandigheden kan overleven, wat ons dichter bij het realiseren van het potentieel van veilige, betrouwbare nucleaire thermische voortstuwing voor missies rond de maan en in de diepe ruimte brengt.”
Volgens GA zijn dit soort testen een primeur. “Voor zover wij weten, zijn wij het eerste bedrijf dat de compacte brandstofelementomgevingstestfaciliteit (CFEET) bij NASA MSFC gebruikt om de overlevingskansen van brandstof na thermische cycli in waterstofrepresentatieve temperaturen en hellingssnelheden succesvol te testen en te demonstreren,” aldus Christina Back, vice-president van GA Nuclear Technologies and Materials, en vervolgde “We hebben ook tests uitgevoerd in een niet-waterstofomgeving in ons GA-EMS-laboratorium, wat bevestigde dat de brandstof uitzonderlijk goed presteerde bij temperaturen tot 3.000 °K (4.940 °F, 2.726 °C), waardoor het NTP-systeem twee tot drie keer efficiënter zou zijn dan conventionele chemische raketmotoren. We zijn enthousiast om onze samenwerking met NASA voort te zetten terwijl we de brandstof verder ontwikkelen en testen om te voldoen aan de prestatievereisten voor toekomstige cislunaire en Mars-missiearchitecturen.”
DRACO artistieke impressie Credits; DARPA/DoD Het idee is dat een kernreactor een drijfgas, zoals waterstof, tot extreme temperaturen verhit wat resulteert in een veel efficiëntere voortstuwing t.o.v. een chemische raket.
Piet Smolders, TW, 2016, schreef destijds over de nieuwe Russische nucleaire aandrijving “Als energiebron van de nieuwe nucleaire 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 Celsius.” Zie ook deze AB.De proeven bevestigen dat de brandstof de barre omgeving van een nucleaire raketreactor kan overleven. De belangrijkste manier om ruimtevaartuigen voort te stuwen, is door middel van chemische raketten. Chemische raketten hebben echter de theoretische grenzen van hun mogelijkheden bereikt. Sindsdien zijn alle ontwikkelingen gericht op het groter en efficiënter maken van raketten door innovaties die perifeer zijn aan de raketmotor zelf. Er zijn alternatieven voor chemische raketten, zoals ionenaandrijvingen en zonnezeilen, maar deze produceren minuscule stuwkracht en hebben beperkte toepassingen. Bronnen: General Atomics, NASA, Space.com, New Atlas
(*) 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.
(**.) 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
Gerelateerde Astroblogs:
NASA en DARPA stellen Lockheed Martin aan als hoofdaannemer voor de nucleaire raket ‘DRACO’
Ruimtevaartgigant Lockheed Martin stort zich op Project JETSON om nucleair-electrische ruimtevaarttechnologieën een boost te geven
OceanGate Expeditions’ oprichter wil in 2050 menselijke ‘drijvende’ kolonie in atmosfeer Venus realiseren
Speak Your Mind