Dupa o scurta introducere in teoria motoarelor racheta, continuam cu fisiunea in spatiu.
Fisiunea in spatiu
Propunerile pentru utilizarea energiei nucleare in spatiu dateaza inca din zorii erei atomice. In timpul celui de-al doilea razboi mondial, fizicienii Stanislaw Ulam, Frederick Reines si Frederic de Hoffman au inceput sa speculeze cordial asupra posibilitatii de a obtine sisteme cu propulsie nucleara. Ulam, cunoscut pentru vasta sa opera stiintifica in domeniul armelor atomice (de altfel, exista o configuratie de dispozitiv nuclear denumita Ulam-Teller) avea sa devine unul dintre marii sustinatori ai proiectului Orion. In 1946, Ulam si Cornelius Joseph „C. J.” Everett aveau sa publice o lucrare referitoare la posibilitatile de propulsie a unei nave spatiale folosind dispozitive explozive nucleare, care va deveni lucrare de referinta pentru sistemele de propulsie de acest tip. Contomitent, in 1945, Theodore von Karman and Hsue-Shen Tsien au redactat primul raport pentru USAF, in care au speculat asupra posiblitatilor oferite de combustibilii nucleari.
In mare, sistemele de propulsie nucleare se incadreaza in trei mari categorii:
- rachete nucleo-termice
- rachete nucleo-electrice
- propulsie nucleara pulsata
Exista, bineinteles, si sisteme care nu pot fi incadrate usor in categoriile de mai sus, insa de dragul celeritatii, le vom mentiona in momentul in care abordam designurile luate in considerare in fiecare dintre aceste tipuri.
Rachete nucleo-termice
Rachetele termice nucleare (pentru care vom folosi acronim englezesc NTR – nuclear thermal rocket) sunt sisteme care functioneaza intr-o maniera foarte asemanatoare cu rachetele clasice: masa de reactie este incalzita intr-un compartiment special al motorului (care la un motor chimic poarta denumirea de camera de ardere) si aceasta incalzire brusca (de ordinul a mii de grade intr-o fractiune de secunda) provoaca o dilatare violenta a fluidului de lucru.
Dilatarea aceasta violenta (o deflagratie practic) este directionata printr-o duza pentru a produce tractiune.
Motoare chimice
Asemenea unei rachete chimice, un motor NTR foloseste o expansiune violenta a unui fluid/masa de reactie, care este directionata printr-o duza pentru a produce o forta propulsiva.
Diferenta este ca in loc ca aceasta incalzire sa aibe loc datorita unei reactii chimice a fluidului de lucru, ea produsa prin trecerea fluidului printr-un miez nuclear specializat. Practic se inlocuieste camera de ardere cu un reactor nuclear.
NTR
Aici trebuie sa evidentiem a doua mare diferenta fata de o racheta chimica: la o racheta chimica, masa de reactie este si combustibilul. La un NTR, combustibilul care genereaza energie este materialul fisionabil din miez, iar masa de reactie o substanta fluid separata, inmagazinata in rezervor. Aspectele energiei chimice ale acestei mase de reactie nu sunt interesant pentru propulsia obtinuta. Nu de aici vine energia.
Fiindca exista o disociere intre sursa de energie si masa de reactie, se ridica o serie de observatii interesante:
- poate fi folosit pe post de masa de reactie orice substanta compatibila cu reactorul. De obicei se prefera hidrogenul pur, pentru ca masa sa moleculara redusa permite o viteza de evacuare foarte mare. Dar orice substanta care nu erodeaza peretii reactorului la temperaturile considerate e ok. Asadar poate fi folosit orice substanta care s-ar afla la fata locului pe o alta planeta (dioxid de carbon, monoxid de carbon, amoniac, azot, metan, etc). Acest aspect a fost explorat in detaliu in studiul NIMF asupra caruia vom reveni mai in detaliu.
- pentru ca masa de reactie trece prin reactor, ea poate suferi activare neutronica (miezul fiind o zona de radiatie neutronica foarte mare) si poate deveni usor radioactiv. Mai mult, daca vibratiile si temperaturile cresc foarte mult, peretii miezului pot suferi stricaciuni. Ca atare multe dintre studiile initiale s-au concentrat asupra combaterii acestor probleme, in final rezultatul fiind obitnerea unor aliaje si proceduri de operare care elimina aceste dzavantaje.
- masa de reactie poate schimba caracterul neutronic al reactorului. Mai pe romaneste, ea poate fi un moderator sau poate actiona ca o otrava neutronica, generand fluctuatii in functionarea motorului. Este un aspect care trebuie luat in calcul.
- aproape orice motor de acest gen produce MULTA radiatie. Ca atare, majoritatea designurilor folosesc un scut plasat intre restul navei si motor, iar in majoritatea reprezentarilor pe care le veti vedea, motorul NTR-ului este plasat in afara carenei, rezervoarele de masa de reactie fiind situate intre acest motor si incarcatura utila. Scutul nu apara zona din jurul motorului, ci numai cea din fata (din motive de greutate; sa nu uitam ca fiecare gram care trebuie adus pe orbita conteaza), ca atare orice forma de andocare trebuie sa aibe loc in zona de “umbra” a scutului. Acesta este si motivul pentru care respectivul scut poarta numele de “scut umbra” (“shadow shield” in engleza).
NTR
Veridicitatea folosirii tehnologiei nucleare pentru aplicatii aerospatiale a fost din aspect tehnic a fost obiectul unui studiu-sondaj realizat de catre North American Aviation. In ea, s-au detaliat multe dintre obstacolele tehnologice si problemele asociate folosirii sistemelor nucleare, precum si nivelul tehnologiei la acea vreme si cat de aproape era de solutionarea acestor probleme. Studiul se referea in speta la propulsie atmosferica,dar includea si consideratii asupra rezervoarelor, turbopompelor, aerodinamica si designul reactoarelor nucleare. Odata cu desecretizarea existentei tehnologiei nucleare, o serie de lucrari referitoare la mijloace de propulsie au fost publicate de catre Val Cleaver si Leslie Shepard in ‘Journal of the British Interplanetary Society‘. Aceste lucrari au culminat cu descrierea unei rachete ce folosea un schimbator de caldura pentru a incalzi si expulza masa de reactie printr-o duza de racheta. In esenta, prima descriere a unui NTR.
Lucrarea de baza care in final a dus la creearea programului astro-nuclear american a fost studiul detaliat al faimosului fizician Robert W. Bussard (mai apoi devenit faimos prin lucrarile sale despre fizica plasmei si fuziunii nucleare; era o era a gigantilor).
Vedeti, comparativ cu aceste studii preliminare, Bussard avea la dispozitie date mult mai precise referitoare la performantele rachetelor chimice pe care a putut sa le extrapoleze unor ipotetice motoare NTR. De asemenea, avea la dispozitie si caracteristicele tehnice ale componentelor folosite in motoarele chimice, dar si o intreaga literatura de specialitate din domeniul nuclear (care la acea vreme era extrem de bine secretizat; din fericire Bussard era angajat al Oak Ridge National Laboratory si deci cunostea detaliile celor mai avansate reactoare ale vremii).
Initial publicat in circuit restrans, lucrarea, denumita Nuclear Energy for Rocket Propulsion descria nu doar sistemul, ci si potentiale configuratii ale vehiculului spatial, pentru diferite sarcini utile si delta-V-uri. Lucrarea a evidentiat faptul ca utilizarea energiei nucleare ar permite evitarea limitelor de viteza de evacuare ale vehiculelor chimice (exemplul citat era 2,500 m/sec, corespunzator rachetelor cu kerosen si oxigen lichid; comparativ, un motor nuclear putea obtine o viteza de evacuare de 6900 m/sec). De asemenea, lucrarea evidentia ca, departe de a fi o posiblitate indepartata, motoarele nucleo-termice erau realizabile folosind tehnologii actuale, cu un regim de testari de materiale realizabil.
O a doua publicare cu audienta mai larga (dar inca secretizata), in 1953, a starnit interesul unor grupuri de cercetare de la Los Alamos Scientific Laboratory si Lawrence Livermore National Laboratory, unitati-sora in domeniul nuclear al laboratorului Oak Ridge. La cererea consiliilor de administratie ale acestor laboratoare, o serie de investigatii au fost pornite in noile locatii, cu participarea directa al lui Bussard.
Participarea sa si ideile pe care le propunea a starnit de asemenea interesul lui Jon von Neumann, care a format un comitet trans-organizational ad-hoc (comitetul Mills) pentru studierea noului tip de propulsie. Daca ne uitam cine facea parte din acest comitet, vom intelege de ce raportul sau final a avut impactul necesar pentru a debloca miliarde de dolari: Jon von Neumann, Norris Bradbury (LASL), Edward Teller si Herbert York (Livermore), Abe Silverstein (directorul laboratorului de zboruri Lewis din cadrul NACA) si Allen F. Donovan (Ramo-Wooldridge).
Comitetul in final a decis ca propulsia nucleara era o optiune utilizabile in cazul unei trepte finale pentru o racheta cu focos nuclear intercontinentala. In acest scop, O noua divizie a fost creeata la Livermore si inca una la Los Alamos. Aceste doua divizii au continuat sa rafineze sistemul propus, iar in 1956, Proiectul pentru Arme Speciale al fortelor Armate (AFSWP) a recomandat alocarea oficiala a 100 milioane de dolari proiectului (echivalentul modern al 940 milioane dolari). Aceasta suma era menita a fi folosita la realizarea unor studii de fezabilitate si a instalatiilor de testare.
Ideea initiala de a folosi noua propulsie intr-o racheta balistica a fost, insa, rapid abadonata in urma dezvoltarii rachetei Atlas. Aceasta folosea combustie chimica, si a aratat ca nu este necesara utilizarea unui miez nuclear. Impreuna cu aparitia noilor focoase,nevoia pentru construirea unor motare nucleare devenea nefondata. Proiectul a intampinat primul sau mare obstacol.
Din fericire, senatorul de New Mexico, Clinton. Anderson, un apropiat al lui Ulam, Bradbury, si von Neumann, a sprijinitn proiectul si a asigurat o continuare a finantarii.
Cercetarile au fost astfel restructurate si sarcinile reimpartite intre diviziile celor doua laboratoare. Livermore a primit proiectul de cercetare a propulsiei atmosferice nucleare (in esenta, un motor ce folosea aer supraincalzit similar unui motor cu reactie aviatic), proiect denumit oficial Proiectul Pluto.
In schimb proiectul pentru propulsia spatiala nucleo-termica a revenit echipei de la Los Alamos, sub directoratul Lt. Col. Harold R. Schmidt. Acesta primi denumirea de Proiectul Rover.
Va urma.
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the Proliferation Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32, 2001
2. http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html#nfaq6.2
3. https://science.sciencemag.org/content/160/3831/953
4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1132518
5. TRW Space Technology Laboratories – Mission oriented advanced nuclear system parameters study, 1965
6. https://www.osti.gov/servlets/purl/4098602
7. Bussard report, 1953
8. W.H. Robbins, H.B. Finger – An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, 1991
9. James A Dewar – To the end of the solar system : the story of the nuclear rocket, 2015
10. Solid Core NTR ( https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/ )
11. NTR Hot Fire Testing Part I: Rover and NERVA Testing ( https://beyondnerva.com/2018/06/18/ntr-hot-fire-testing-part-i-rover-and-nerva-testing/ )
12. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id–Nuclear_Thermal
13. David S. Portee – Think Big: A 1970 Flight Schedule for NASA’s 1969 Integrated Program Plan ( https://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/01/thinking-big-traffic-model-for-nasa.html )
14. David S. Portee blog ( http://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/02 )
15. Scott Lowther Nerva articles ( http://www.aerospaceprojectsreview.com/blog/?s=nerva&searchsubmit= )
16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )