NASA berencana mengirim misi berawak ke Mars selama dekade berikutnya – tapi 140 juta mil (225 juta kilometer) perjalanan ke planet merah dapat memakan waktu berbulan-bulan hingga bertahun-tahun perjalanan pulang pergi.
Waktu transit yang relatif lama ini disebabkan oleh penggunaan bahan bakar roket kimia tradisional. Teknologi alternatif selain roket berbahan bakar kimia yang saat ini sedang dikembangkan oleh badan tersebut disebut propulsi termal nuklir, yang menggunakan fisi nuklir dan dapat hari kekuatan roket yang membuat perjalanan hanya dalam separuh waktu.
Fisi nuklir melibatkan pengumpulan sejumlah besar energi yang dilepaskan ketika atom-atom dipecah oleh neutron. ini Reaksi tersebut dikenal sebagai reaksi fisi. Teknologi fisi sudah mapan dalam pembangkit listrik dan kapal selam bertenaga nuklir, dan penerapannya untuk menggerakkan atau mendorong roket suatu hari nanti dapat memberi NASA alternatif yang lebih cepat dan kuat dibandingkan roket berbahan bakar kimia.
NASA dan Badan Proyek Penelitian Lanjutan Pertahanan adalah bersama-sama mengembangkan teknologi NTP. Mereka berencana untuk menyebarkan dan mendemonstrasikan kemampuan sistem prototipe di luar angkasa pada tahun 2027 – berpotensi menjadikannya salah satu sistem pertama yang dibangun dan dioperasikan oleh AS.
Pendorong termal nuklir juga bisa menjadi sangat kuat suatu hari nanti platform ruang seluler yang akan melindungi satelit Amerika di dalam dan di luar orbit Bumi. Namun teknologinya masih dalam pengembangan.
Saya adalah seseorang profesor teknik nuklir di Institut Teknologi GeorgiaWHO kelompok penelitian membangun model dan simulasi untuk meningkatkan dan mengoptimalkan desain sistem propulsi termal nuklir. Harapan dan semangat saya adalah membantu merancang mesin penggerak termal nuklir yang akan membawa misi berawak ke Mars.
Propulsi nuklir versus kimia
Sistem propulsi kimia konvensional menggunakan reaksi kimia yang melibatkan propelan ringan, seperti hidrogen, dan oksidator. Ketika dicampur bersama-sama, keduanya akan terbakar, yang mengakibatkan propelan keluar dari nosel dengan cepat untuk mendorong roket.
Para ilmuwan dan insinyur sedang mengerjakan sistem propulsi termal nuklir yang akan mengambil propelan hidrogen, memompanya ke dalam reaktor nuklir untuk menghasilkan tenaga dan mengeluarkan propelan dari nosel untuk mengangkat roket.
Sistem ini tidak memerlukan sistem pengapian apa pun, sehingga dapat diandalkan. Namun roket-roket ini harus membawa oksigen ke luar angkasa, yang dapat membebani mereka. Berbeda dengan sistem propulsi kimia, sistem propulsi termal nuklir mengandalkan reaksi fisi nuklir untuk memanaskan propelan yang kemudian dikeluarkan dari nosel untuk menghasilkan tenaga penggerak atau daya dorong.
Dalam banyak reaksi fisi, peneliti mengirimkan neutron ke arah a isotop uranium yang lebih ringanuranium-235. Uranium menyerap neutron, menghasilkan uranium-236. Uranium-236 kemudian terpecah menjadi dua fragmen – produk fisi – dan reaksinya melepaskan beberapa partikel berbeda.
Reaksi fisi menghasilkan banyak energi panas.
Lebih dari 400 reaktor tenaga nuklir beroperasi di seluruh dunia sekarang menggunakan teknologi fisi nuklir. Mayoritas reaktor tenaga nuklir ini beroperasi reaktor air ringan. Reaktor fisi ini menggunakan air untuk memperlambat neutron dan untuk menyerap serta mentransfer panas. Air dapat menghasilkan uap langsung di inti atau di pembangkit uap, yang menggerakkan turbin untuk menghasilkan listrik.
Sistem propulsi termal nuklir beroperasi dengan cara yang sama, tetapi mereka menggunakan bahan bakar nuklir berbeda yang memiliki lebih banyak uranium-235. Ia juga beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, yang membuatnya sangat kuat dan kompak. Sistem propulsi termal nuklir memiliki kepadatan daya sekitar sepuluh kali lipat dibandingkan reaktor air ringan tradisional.
Propulsi nuklir dapat meningkatkan propulsi kimia beberapa alasan.
Penggerak nuklir akan mengeluarkan propelan dari nosel mesin dengan sangat cepat, menghasilkan daya dorong yang tinggi. Daya dorong yang tinggi ini memungkinkan roket berakselerasi lebih cepat.
Sistem ini juga mempunyai impuls spesifik yang tinggi. Insentif khusus mengukur seberapa efisien propelan digunakan untuk menghasilkan daya dorong. Sistem propulsi termal nuklir memiliki impuls spesifik sekitar dua kali lipat dari roket kimia, yang berarti dapat mengurangi waktu tempuh sebanyak 2 kali lipat.
Sejarah propulsi panas nuklir
Selama beberapa dekade, pemerintah AS telah mendanai pengembangan teknologi propulsi termal nuklir. Antara tahun 1955 dan 1973, program di NASA, Umum ListrikDan Laboratorium Nasional Argonne memproduksi dan menguji 20 mesin propulsi termal nuklir.
Namun, desain sebelum tahun 1973 ini mengandalkan bahan bakar uranium yang diperkaya tinggi. Bahan bakar ini sudah tidak digunakan lagi karena bahaya proliferasi atau bahaya yang terkait dengan proliferasi bahan dan teknologi nuklir.
Itu Inisiatif Pengurangan Ancaman Globaldiluncurkan oleh Departemen Energi dan Administrasi Keamanan Nuklir Nasionalbertujuan untuk mengubah banyak reaktor riset yang menggunakan bahan bakar uranium yang diperkaya menjadi bahan bakar uranium yang diperkaya rendah atau high-test, atau HALEU.
Bahan bakar uranium yang diperkaya rendah dan telah diuji secara ketat memiliki bahan yang kurang mampu mengalami reaksi fisi dibandingkan bahan bakar uranium yang diperkaya tinggi. Jadi, roket tersebut perlu memiliki lebih banyak bahan bakar HALEU, sehingga membuat mesinnya lebih berat. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti sedang mempelajari bahan khusus yang akan menggunakan bahan bakar lebih efisien di reaktor tersebut.
NASA dan DARPA Roket Demonstrasi Operasi Agile Cislunaratau DRACO, program ini bermaksud untuk menggunakan bahan bakar uranium yang diperkaya rendah dan diperkaya tinggi dalam mesin penggerak termal nuklirnya. Program ini berencana meluncurkan roketnya pada tahun 2027.
Sebagai bagian dari program DRACO, perusahaan kedirgantaraan Lockheed Martin telah bermitra dengan BWX Technologies untuk melakukan hal tersebut mengembangkan desain reaktor dan bahan bakar.
Mesin propulsi termal nuklir yang dikembangkan oleh kelompok ini harus memenuhi standar kinerja dan keselamatan tertentu. Mereka perlu memiliki inti yang dapat beroperasi selama misi berlangsung dan melakukan manuver yang diperlukan untuk perjalanan cepat ke Mars.
Idealnya, mesin harus mampu menghasilkan impuls spesifik yang tinggi sekaligus memenuhi persyaratan daya dorong tinggi dan massa mesin rendah.
Penelitian yang sedang berlangsung
Sebelum para insinyur dapat merancang mesin yang memenuhi semua standar ini, mereka harus memulai dengan model dan simulasi. Model ini membantu para peneliti, seperti yang ada di kelompok saya, memahami bagaimana mesin menangani startup dan shutdown. Ini adalah operasi yang memerlukan perubahan suhu dan tekanan yang cepat dan besar.
Mesin propulsi termal nuklir akan berbeda dari semua sistem tenaga fisi yang ada, sehingga para insinyur perlu membangun perangkat lunak yang dapat bekerja dengan mesin baru ini.
kelompok saya desain dan analisis reaktor propulsi termal nuklir menggunakan model. Kami memodelkan sistem reaktor yang kompleks ini untuk melihat bagaimana hal-hal seperti perubahan suhu dapat mempengaruhi keselamatan reaktor dan roket. Namun, simulasi efek ini memerlukan banyak daya komputasi yang mahal.
Kami telah bekerja untuk mengembangkan alat komputasi baru yang memodelkan bagaimana reaktor ini berperilaku ketika berada di tempatnya dimulai dan dioperasikan tanpa menggunakan banyak daya komputasi.
Saya dan rekan-rekan saya berharap penelitian ini suatu hari nanti dapat membantu mengembangkan model yang dapat mengendalikan roket secara mandiri.
