Stele verzi – Sisteme spațiale nuclear-electrice (I)

Am vorbit în articolele de până acum despre folosirea energiei nucleare într-o manieră directă pentru a genera forță propulsivă. Aceste sisteme erau motoare cu reacție și reprezentau un mod destul de simplu, conceptual, pentru a utiliza energia nucleară în spațiu.

Însă, dacă este să vorbim despre sisteme care realmente au zburat, atunci probabil nu ar trebui să ne surprindă că principala utilizare a energiei nuclear în spațiu până în clipă de față a fost pentru generarea de energie electrică. Spațiul este, prin definiție un loc mare, gol, cu puține surse de energie la îndemână. Vastă majoritatea a acestor sisteme nu au fost gândite ca sisteme de propulsie ci ca surse de energie pentru dierite instalații spațiale (cum ar fi stații, sonde sau sateliți).

Acum, că am ajuns la finalul perioadei eroice a propulsiei nucleare (sfârșitul anilor 60), este un moment bun să ne aplecăm și asupra umilelor dar importantelor reactoare electrice spațiale. De ce importante? Pentru că la momentul apariției, ele erau singură sursă de energie care putea fi fezabil folosită in mediul cosmic, și fiindcă ele au jucat un rol absolut crucial în explorarea spațială realizată până în clipă de față. Ele sunt și singură utilizare a energiei nucleare în spațiu care continuă să fie cercetată și în ziua de azi (deși gradul de inantare a variat enorm în timp).

Pentru că subiectul este vast, îl voi acoperi în mai multe articole. În mare, îmi propun să vorbesc întâi despre programul astro-electric american, denumit Systems for Auxiliary Nuclear Propulsion, sau SNAP. Programul SNAP a dezvoltat 4 serii de reactoare: SNAP-2, SNAP-8, SNAP-10 și SNAP-50. În multe cazuri, programele s-au combinat, influențat sau și-au schimbat numele, așadar îmi cer scuze de dinainte dacă unele dintre articole pot părea confuze.

Apoi, în premieră, îmi propun să mă aplec și asupra programelor sovietice. De ce? Pentru că atunci când vorbim despre reactoare electrice în spațiu, rușîi au fost campioni, cu cele mai multe lansări si cele mai detaliate cercetari. Programul rusesc a produs 4 serii de reactoare, denumite Romashka, BEȘ-5, TAL-5, și ENISY, dintre care BEȘ-5, cunoscut și sub numele de Buk, a zburat de 31 de ori, iar ENISY este singurul reactor de acest fel certificat pentru zbor atât în URSS cât și în SUA.

În final, voi dedica un articol și sistemelor electrice cu descompunere radioactivă, așa-numitele RTG-uri care au fost, și sunt, principala sursă de energie pentru majoritatea misiunilor de explorare spațială majoră.

Nu intenționez să acopăr sisteme mai moderne, precum KiloPower încă, pentru că ele merită propriul lor articol, separat, atunci când reușesc să termin istoria sistemelor nucleare până în 1990.
De asemenea, nu sunt sigur dacă e util să acopăr și multitudinea de sisteme de propulsie ce ar folosi această energie electrică, din simplul motiv că topicul este VAST (sunt peste 30 de diferite sisteme de propulsie electrice, de diferite feluri și filozofii, care toate ar putea folosi un reactor că și sursă de energie). Poate într-un articol în care le voi enumeră după tip.
În final, nu intenționez să acopăr tehnologia radiatoarelor în detaliu pentru că, deși un componentă crucială al unui sistem nuclear astro-electric, nu s-au dezvoltat la fel de spectaculos, și topicul este extrem de mare și complicat, cu multe design-uri pe hârtie și mai nici unul realizat în practică. Poate, din nou, într-un articol unde doar le enumăr.

Înainte de a purcede, însă, trebuie să stabilim niște lucruri referitoate la reactoare nucleare spațiale, că să avem puncte de referință atunci când le vom acoperi în detaliu.
 

Fisiunea pe Pământ

Majoritatea noastră suntem familiari cu felul în care funcționează energia nucleară pe Pământ: un reactor încălzește apă folosind căldura generată prin intermediul fisiunii în elemente de combustibil (care de regulă au formă de tije, mănunchiuri sau peleți), care trece apoi printr-un generator de abur. Acest abur antrenează o serie de turbine, care învârt un generator și produc electricitate. Apa trece apoi printr-un sistem de răcire (cu trecere sau cu evaporare), și apoi se întoarce în buclă pentru a reîncepe ciclul.
Majoritatea reactoarelor folosesc un sistem cu două bucle, ceea ce înseamnă că apa sub presiune din reactor trece printr-un schimbător de căldură, unde își cedează căldură unei bucle cu apă externe reactorului. Această a două buclă se numește buclă secundară, iar cea din reactor se numește buclă primară. În acest fel, miezul reactorului și tot ce intra in contact cu el, este ziolat de mediul exterior, prevenind contaminarea generatoarelor. Pe acest principiu funcționează majoritatea reactoarelor cu apă presurizată (PWR) și a reactoarelor cu apă grea.

O altă versiune produce aburul direct în vasul de presiune al reactorului, și apoi îl trece prin generatorul de aburi. Generatorul se contaminează, dar genul acesta de reactor este mult mai simplu de construit și se pretează mult mai bine pentru necesitățile unei centrale electrice.

Dar regulile sunt aceleași pentru toate: încălzești apă, produci aburi, antrenezi o turbina, răcești apă, o întorci în reactor. Apa este fluidul de lucru și mediul de transfer folosit pentru a transfera energie termică.

Excepție de la această regulă fac britanicii, care au dezvoltat și folosit un tip de reactor în care transerul de căldură se face cu CO2 și moderarea se face folosind blocuri de grafit. Această familie se numește Reactor Avansat cu Gaz (Advanced Gas Cooled Reactor – AGR) și este o dezvoltare a reactoarelor de tip Magnox dezvoltate în anii 60. Din păcate, tipul acesta de reactoare au întâmpinat diverse piedici tehnice care le-au făcut să rămână o curiozitate exclusivă a Marii Britanii. Interesant, însă, este că principiul lor de functionare este foarte similar cu cel al unei rachete nuclear termice.

De asemenea, diferite tipuri de reactoare avansate au început să fie înaintate ca și soluțîi pentru diferitele probleme pe care le întâmpina sistemele electrice naționale moderne. Design-uri bazate pe metale lichide, săruri lichide și gaz de temperatură înaltă, sau cu combustibil sub formă de peleți, dizolvat în săruri sau produs din material fertil direct în miez, toate sunt acum în cercetare la diferite nivele. Scopul acestor cercetări este de a realiza reactoare care pot opera în siguranță în regim automat, așa numitul “walk-away safety”.

Configurația elementelor de combustibil pentru AGR

Centrala atomică de la Diablo Canyon – se observă evacuarea apei de răcire reziduale

 

Caracteristici ale sateliților

Cu excepția notabilă a telescopului spațial Hubble, a unui număr redus de sateliți de spionaj recuperate folosind naveta spațială și a diverselor stațîi spațiale lansate de SUA, URSS și China, lucrurile care se strică pe orbită rămân stricate. De-a lungul decadelor, operatorii de sateliți au devenit foarte abili în a evita defecțiunile sau a continuă operațiunile în ciuda acestor defecțiuni, dar chiar și așa, este cert că, momentan, reparațiile efectuate în spațiu sunt excepție, nu regulă. Si asta fiindca este dificil, dacă nu imposibil, să trimiți echipaje să efectueze reparații, și adesea astfel de reparații sunt ele însele imposibile chiar și atunci când avem acces la respectivul satelit, datorită design-ului acestora. Pe scurt, majoritatea nici măcar nu sunt asamblati într-o manieră demontabilă.

Asta este la fel de adevărat și în cazul unui reactor spațial, și probleme au fost întâmpinate în cazul unora dintre misiuni. Ca și exemplu, cel mai bine cunoscut incident de acest fel s-a petrecut la lansarea SNAP-10a, singurul reactor american care a zburat. După atingerea orbitei, reactorul a fost activat și a operat normal…. vreme de 14 minute. Apoi, o magistrală electrică din componența vehiculului (deci nu reactorul) s-a deectat, iar întreaga misiune a fost pierdută, inclusiv telemetria asupra funcționării reactorului. Satelitul de mari dimensiuni încă se află pe orbită sa retrogada, polară, și va continuă să orbiteze vreme de 4000 de ani sau până când este recuperat.

Sunt două mari lucruri care preocupă inginerii de sisteme spațiale: în primul rând, satelitul trebuie să supraviețuiască lansării și operaționalizării pe orbtia. În al doilea rând, totul trebuie să fie pe atât de sigur pe cât e posibil.

Această a două condiție este cea care afectează cel mai mult deciziile de design pentru reactoare spațiale cu fisiune. Pur și simplu, trebuie să ne putem bizui pe ele pentru că, momentan, nu prea le putem repara.

STS-125 – misiumea pentru repararea telescopului spațial Hubble

SNAP-10 în teste

 

De ce ai nevoie de fisiune în spațiu?

Pentru că reactoarele pot produce multă energie electrică ar fi răspunsul simplu. Dar ce tipuri de echipamente au nevoie de atâta energie electrică? Ei bine, nu multe.

ISS folosește cam 90 de kilowați de putere, dar acolo vorbim despre o stație spațială cât un teren de fotbal, care trebuie să țînă în viață mai mulți astronauți și să alimenteze zeci de experimente simultane.

Curiosity și Perseverance, cele două rovere martiene care fac capul de afiș al misiunilor NASA, sunt de mărimea unui Duster, cu câte șase roți. Fiecare rover are: două mini-laboratoare de geologie/chimie, două seturi de camere, un burghiu, un braț robotic, și un laser pentru evaporarea unui strat subitre de roca în vederea esantionarii. Toate astea folosesc numai 110 wați de putere (deși trebuie să admitem că ele operează instrumentele pe rând, și de deplasat, au viteză unei țestoase de talie mică).
Instrumentarul, în general, nu necesită multă energie, iar agențiile spațiale au devenit experte în a realiza descoperiri științifice pe un buget de energie redus.

În realitate, există numai 4 mari motive pentru care ai dori o asemenea sursă de energie: sisteme de menținere a viețîi, utilizarea resurselor în-situ (ISRU), radare și propulsie.

Diagrama functională simplificată a unui sistem de menținere a vieții

Sistemele de menținere ale viețîi sunt problematice și voluminoase, și ele depind, în general, de o foarte bună continuitate a sursei de energiei. Ele necesită mișcarea unor cantități semnificative de fluide (ventilație și apă), precum și purificarea și monitorizarea lor. O întrerupere a alimentării cu energie poate afecta ciclii de purificare sau calitatea aerului într-un vehicul cosmic, spre exemplu. Aceste probleme devin stringente atunci când te aflii pe suprafață unui corp ceresc, pentru că devine dificil să asiguri energie atunci când apar factori meteorologici (spre ex, Marte, și ale sale sezoane cu furtuni de praf) sau ai de a face cu ciclii zi-noapte (Luna, și ale sale nopți lungi de 15 zile). Pe orbită, lipsiți de asemenea factori, energia solară poate fi suficientă până la centură de asteroizi.

Utilizarea resurselor în-situ înseamnă prelucrarea materiei prime prezente într-o locație pentru a obține lucruri necesare misiunii, permițând obținerea unor arhitecturi de misiune mult reduse.. Cel mai faimos exemplu de astfel de gândire este în familia de misiuni marțieni de tipul Marș Direct, unde o cantitate redusă de hidrogen (8 tone în propunerea originală) este folosită pentru a genera o cantitate mare de combustibil chimic (112 t de metan și oxigen) folosind atmosfera marțiană (compusă în principal din CO2) că și materie prima.

Acesta este doar un exemplu. Extracția oxigenului din regolitul lunar (compus, în principal, din oxizi metalici) este alt exemplu, la fel că și diferite procedee de electrorafinare, electroliza, printare 3D sau polimerizare. Toate aceste tipuri de reacțîi au un caracter industrial, și, la fel că majoritatea proceselor industriale, tind să fie extrem de energofage. Și nu vorbim doar de prelucrare brută: uneltele folosite trebuiesc și ele produse, reactantii la fel, matrițele și toate celelalte elemente necesare obținerii unui produs util necesită și ele energie.Multe dintre aceste procese au caracter continuu și pentru acestea, banalele panouri solare nu sunt suficiente. Densitatea de energie masivă a energiei nucleare ii permite să genereze aceste cantități enorme de putere fără a fi nevoie de întreținerea unor instalații vaste.

Diagrama functionala a unui sistem complex de procesare a regolitului lunar – imagine reprodusa prin amabilitatea projectrho

Reactor KiloPower in varianta de energie mare. Bazele lunare sunt una din principalele utilizari propuse pentru sistemul KiloPower – imagine: NASA

Radarele sunt o altă aplicație energo-intensivă. Mai exact, legile fizicii ne spun că rezoluția unui radar este direct proporțională cu puterea folosită. Ca atare, dacă vrei radare mai performanțe, trebuie să folosești mai multă energie. Acesta este unul dintre marile motive pentru care explorarea corpurilor cerești îndepărtate (cum ar fi sateliții jovieni sau saturnieni) au fost foarte limitate până în clipă de față. Majoritatea misiunilor de până acum erau limitate de puterea surselor folosite, care este de ordinul a 100 de wați sau mai puțîn. Insuficient pentru a folosi, spre exemplu, un radar care să penetreze și să cartografieze interiorul lui Europa sau Enceladus prin zeci de kilometrii de gheață, sau să realizeze o analiză izotopica folosind un laser de mare putere de pe orbită.

Aici mai trebuie să menționăm un fenomen înrudit: explorarea robotică înseamnă să transmitem date înapoi pe Pământ. Ori viteză de transmisie a datelor este și ea dependență de puterea disponibilă dar și de distanță acoperită. Dacă putem transmite imagini în timp real de pe Luna, nu putem face la fel de pe orbită lui Jupiter. La asa distante, în mod normal, sondele spațiale comunica cu viteză de câțiva biți per secundă. Deci viteză explorării depinde foarte mult de puterea disponibilă, iar la pentru misiuni îndepărtate, trebuie să aștepți zile întregi pentru a downloada o singură poză.

Desigur că nu putem să uităm să menționăm interesul armatei pentru radare. De altfel, cu această serie de articole vom începe să vorbim de aplicațiile militare ale tehnologiei astro-nucleare. Aceste radare, la fel ca și sateliții de spionaj, aveau nevoie de o sursă de energie care să funcționeze neîntrerupt până la 10 ani.

Design conceptual pentru un radar de avertizare timpurie spatial. Detaliile zemoase la lasam pentru articole viitoare – Sursa: https://www.researchgate.net/publication/24381158_Nuclear_reactor_power_as_applied_to_a_space-based_radar_mission

În final, utilizarea preferată a pasionaților spațiali este pentru propulsie. Pe scurt, există sisteme de propulsie care folosesc energie electrică ca și sursă de putere pentru a accelera masa de reacție și a produce forță propulsiva. Deși astfel de sisteme sunt văzute că fiind ceva relativ recent aparut, în realitate ele sunt vechi, și datează încă din zorii epocii spațiale dacă nu mai devreme. Doar că a durat mult timp până să fie perfecționate.

La fel ca și radarele, astel de sisteme tind să fie extrem de energoafage. Până și umilul VASIMR, un motor relativ modest comparativ cu unele imaginate de specialiști, consumă între 100 și 200 de kW de putere, de două ori cât produce Stația Spațială și lanul sau de panouri solare.

Aici se întrevede una dintre caracteristicile cunoscute ale energiei nucleare în general: un reactor tinde să devină mai eficient din punct de vedere al masei cu cât e mai mare. Și vom observa și acest aspect când vom discuta despre SNAP-8 și SNAP-100. Iar sistemele de propulsie electrice tind să devină și ele din ce în ce mai eficiente cu cât au mai multă putere la dispoziție. Deci combinația e utilă.

Una dintre misiunile spatiale nerealizate pe care le regret cel mai mult: JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter)

Ca fapt divers, dacă sistemele nuclear termice tind să fie abreviate sub numele de NTR-uri, cele nuclear-electrice sunt abreviate NER-uri (de la Nuclear Electric Rocket).
 

Va urma.
 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. https://beyondnerva.com/fission-power-systems/
2. http://toughsf.blogspot.com/2017/07/all-radiators.html
3. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/heatrad.php