NERVA: der Kernmotor für die Weltraumforschung

(Di Lorenzo Pasturenzi)
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In den frühen 50er Jahren steckte das Weltraumrennen der beiden großen Planetenmächte USA und UdSSR noch in den Kinderschuhen. Aus theoretischer Sicht hatten beide Nationen jedoch bereits mehrere nützliche Systeme entwickelt, um den Menschen über die Grenzen der Atmosphäre hinaus zu bringen, dank der Fortschritte in der Orbitalmechanik, der Raketen und der Fähigkeit, "spezielle" Materialien zu bearbeiten.

Eine der großen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen bestand darin, ein für diese Mission geeignetes Antriebssystem zu entwickeln, mit dem ein ausreichender Schub erzeugt werden kann, um die enorme Gewichtskraft von Raumfahrzeugen zu überwinden und eine Geschwindigkeit von mehr als zu erreichen Fluchtgeschwindigkeit terrestrisch (etwas mehr als 40.000 km / h). Darüber hinaus war es wichtig, dass der Motor dann außerhalb der Atmosphäre weiter betrieben werden konnte, damit das Fahrzeug den Schub weiter beschleunigen und ausnutzen konnte, um Orbitalmanöver durchzuführen. Sie begannen dann, mehrere zu entwerfen Raketendh Motoren, die keine Außenatmosphäre benötigen, aus der ein Teil des Treibmittels entnommen werden kann, wobei alle für den Betrieb erforderlichen Reagenzien in speziellen Tanks an Bord verstaut sind. Insbesondere wurden mehrere entwickelt thermochemische Endoreaktoren, konzeptionell ziemlich ähnlich zu denen, die Raketen im Militär antreiben sollen.

Die Idee hinter diesen Triebwerken besteht darin, die chemische Bindungsenergie der Reaktanten (Oxidationsmittel und Brennstoff) durch Verbrennung in die Enthalpie des Treibmittelgemisches (d. H. In "verbrauchbare", "austauschbare" Energie aus dem Arbeitsfluid) umzuwandeln, z Bringen Sie dann die Produkte der chemischen Reaktion dazu, sich in eine gasdynamische Düse (Konvergenz-Divergenz-Kanal) auszudehnen, und wandeln Sie die Enthalpie in kinetische Energie um (d. h. Energie, die mit der Gasübersetzungsgeschwindigkeit verbunden ist). Dieser Prozess beinhaltet eine Beschleunigung der Gase und daher nach dem Gesetz der Aktion-Reaktion der Dynamik die Geburt einer entgegengesetzten Kraft, die auf den Motor wirkt: den Schub.

Es wurden drei Arten von thermochemischen Motoren entwickelt: flüssiges Treibmittel, festes Treibmittel und Hybridtreibmittel (Bild), gekennzeichnet durch unterschiedliche erzeugte Stöße und unterschiedliche Dauer des Verbrennungsprozesses. In allen drei Fällen gab es jedoch Probleme im Zusammenhang mit dem Gewicht des Treibmittels (insbesondere im festen Fall mit einer daraus resultierenden Gewichtszunahme des Fahrzeugs) und der Größe der Lagertanks (insbesondere im flüssigen Fall aufgrund der geringen Dichte) der Reagenzien mit konsequenter Erhöhung des aerodynamischen Widerstands im Flug in der Atmosphäre). Daher wurde die Notwendigkeit ins Auge gefasst, einen anderen Motortyp zu entwickeln, der es ermöglicht, die an Bord zu lagernde Treibstoffmasse und das Volumen der Tanks zu verringern: Jedes eingesparte kg würde in ein kg transportabler Nutzlast umgewandelt und die Der Platzbedarf hätte den Luftwiderstand in den frühen Flugphasen verringert!

Die Entwicklung von Technologien im Zusammenhang mit der Kernspaltung führte dazu, dass Wissenschaftler der Ansicht waren, dass Atomenergie die optimale Lösung für die Entwicklung der neuen Motorenklasse sei. Die Idee des Atomantriebs hatte sich bereits in den USA durchgesetzt und wurde sowohl im maritimen Sektor entwickelt (1954 wurde das erste Atom-U-Boot gestartet, das Nautilus) und im Luftfahrtbereich durch das Projekt NEPA (Kernenergie für den Antrieb von Flugzeugen - Kernenergie für den Luftfahrtantrieb) und das Programm ANP (Flugzeug Nuklearer Antrieb - Nuklearer Luftfahrtantrieb).

Sie nutzten die gesammelten Erfahrungen und begannen, die ersten zu entwerfen nukleare thermische Endoreaktoren.

1959 wurde der erste Atomraketenmotor, der Kiwi-A ("Rover" -Projekt). 1961 gaben die hervorragenden Ergebnisse den Anstoß zur Gründung eines noch größeren und ehrgeizigeren Programms namens NERVA (Kernmotoren für Raketenfahrzeuganwendungen - Kernmotoren für Anwendungen an Raketenfahrzeugen) unter der Leitung von NASA und AEC (Atomenergiekommission - Atomenergiekommission). Die Anforderungen der während dieses Programms gebauten Motoren variierten ständig und wurden hinsichtlich des erforderlichen Schubes und der erzeugten Wärmeleistung immer ehrgeiziger.

Dank kontinuierlicher Verbesserungen spekulierten die Ingenieure, um die dritte Stufe des Saturn V (die Rakete, die den Menschen zum Mond brachte) eines nuklearen Wärmekraftwerks so, dass es große Lasten tragen konnte und für die Erforschung des Mars verwendet werden konnte. Der Mangel an Mitteln drängte jedoch darauf, die erforderlichen Spezifikationen wieder zu senken, was zum Bau weniger leistungsstarker Motoren führte.

Das Programm wurde bis 1972 fortgesetzt, als es von der Nixon-Administration abgesagt wurde, um die Mittel auf die Entwicklung eines großen Protagonisten der Erforschung des menschlichen Weltraums zu konzentrieren: des Space Shuttles.

Die Technik

Kernthermische Motoren verwenden die Spaltung eines Atoms bestimmter Substanzen (d. H. Das erzwungene Zerkleinern eines Atoms und seines Kerns), um Wärme zu erzeugen, die später zum Erhitzen des Treibmittels verwendet wird. Auf diese Weise wird eine Enthalpie des Arbeitsmediums erhalten (genau wie bei der Verbrennung in thermochemischen Endoreaktoren). Das Treibmittel kann dann in eine Düse expandiert werden, wo die Enthalpie in kinetische Energie umgewandelt wird. Das Ergebnis ist eine Beschleunigung der Flüssigkeit selbst und für das Aktions-Reaktions-Prinzip ein auf den Motor wirkender Schub.

Die Spaltreaktion wird durch einen Beschuss mit Neutronen auf einige Atome des verwendeten spaltbaren Materials ausgelöst (normalerweise) Uran-235). Der Aufprall von Neutronen führt zur Zerstörung des Atomkerns, dessen Komponenten mit nahe gelegenen Atomen kollidieren, wodurch sie brechen und somit den Prozess befeuern. Die Spaltung des Kerns erzeugt hauptsächlich zwei Energieformen: die kinetische Energie der Fragmente und die elektromagnetische Energie (Gammastrahlen). Die Bewegung der verschiedenen Fragmente, die durch die Spaltung erzeugt werden, führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Um zu verhindern, dass die Reaktion unkontrolliert wird, ist das Vorhandensein von Kontrollstäben (die die von den Atomen durch Hemmung der Reaktion freigesetzten Fragmente absorbieren) oder "Moderatoren" erforderlich, die die Neutronen verlangsamen können, indem sie verhindern, dass sie die Atome fragmentieren.

Ausgelöst die Reaktion, das Treibmittel, normalerweise Wasserstoff H2 in flüssiger oder Ammoniakform NH3wird an die Wände des Reaktors geschoben, damit dieser dank des Temperaturunterschieds zwischen der Flüssigkeit (sehr kalt) und dem Kern, in dem die Kernspaltung stattfindet (sehr heiß), Wärme abführen kann. Das Arbeitsfluid, das durch diesen Prozess erhitzt wird, erreicht 2200 bis 2700 ° C und wird zu Gas. Je höher die von den Gasen erreichte Temperatur ist, desto größer ist ihre Energie und damit der Schub, der durch ihre Expansion in die Düse erhalten wird. Die Begrenzung des maximalen Schubes, den diese Systeme liefern können, ergibt sich daher aus der maximalen Temperatur, die das Treibmittel erreichen kann, ohne dass die Motorwände versagen.

Wie viel Treibmittel spart dieses Antriebssystem im Vergleich zu thermochemischen Endoreaktoren?

Um diese Frage zu beantworten, muss ein sehr wichtiger Parameter für Endoreaktoren eingeführt werden: derspezifischer Gewichtsimpuls.

Dieser Parameter ist definiert als:

wo T ist der vom Motor bereitgestellte Schub,mp ist die Durchflussrate (Masse pro Sekunde) des Kraftstoffs, der durch die Düse e fließt g0 ist die Beschleunigung der Schwerkraft der Erde. Der spezifische Gewichtsimpuls repräsentiert daher das Verhältnis zwischen dem vom Motor bereitgestellten Schub und dem Gewicht des durch die Düse fließenden Treibmittels (das daher den oben genannten Schub "erzeugt"). Plus die Isp es ist groß, je mehr der Motor schafft, Schub mit einer geringeren verbrauchten Masse (daher Gewicht) des Treibmittels bereitzustellen! Kernwärmekraftmaschinen ermöglichen die Verwendung von Treibmitteln mit niedrigem Molekulargewicht (zum Beispiel dieWasserstoff) und in kleineren Mengen, da keine Verbrennung ausgelöst werden muss, werden kein Oxidationsmittel und kein Kraftstoff benötigt, daher haben sie einen größeren spezifischen Gewichtsimpuls (≈ 845 - 1000) secondi) im Vergleich zu thermochemischen Motoren (200 - 400 secondi).

Der Vorteil des thermischen Kernantriebs wird noch deutlicher, wenn der spezifische Gewichtsimpuls in das "Raketengleichung”, Dh die Gleichung, die in einer ihrer Formen die der Rakete verliehene Geschwindigkeitsänderung mit der Masse des an Bord vorhandenen Treibmittels verknüpft.

Stellen wir uns vor, Sie müssen der Rakete eine Geschwindigkeitsänderung für ein Orbitalmanöver von 10 km / s geben. Im Falle eines thermochemischen Motors mit flüssigem Treibmittel mit Isp500 trocken Ein Prozentsatz der erforderlichen Treibmittelmasse wird erhalten, der 87% der Gesamtmasse der Rakete entspricht. Im Falle einer Kernwärmekraftmaschine mit Isp900 trocken Sie erhalten einen Prozentsatz der benötigten Treibstoffmasse, der 67.8% der gesamten Raketenmasse entspricht!

Wie gezeigt, ist der nukleare Antrieb vorteilhaft, jedoch sollten Sicherheitsprobleme nicht unterschätzt werden, vom möglichen Verlust an spaltbarem Material bis zur Notwendigkeit, die Besatzung vor im Kern erzeugter Strahlung zu schützen. Die jüngsten amerikanischen Bestrebungen, den Menschen zum Mars zu bringen, haben jedoch das Interesse an dieser Art von Triebwerken wieder geweckt. Tatsächlich kann es mit der gleichen Treibstoffmasse im Vergleich zu thermochemischen Reaktoren eine höhere Geschwindigkeitssteigerung erzielen und so kürzere Übertragungsbahnen zwischen der Erde und dem Roten Planeten zurücklegen. Dies ist ein grundlegender Aspekt, insbesondere angesichts der potenziellen Gesundheitsrisiken für Astronauten, die durch eine längere Exposition gegenüber Sonnenstrahlung entstehen.

Metaphorik:

NASA

https://www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/4764/1/2010_10_Mazzetti.pdf

https://4.bp.blogspot.com/-rhLf2-GQdA4/Wm3lJBrxfZI/AAAAAAAARiU/gekUPBxWK...

https://www.researchgate.net/figure/Credit-Atomic-Energy-Commission-The-...

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

Quellen:

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

https://www.researchgate.net/publication/320621010_HISTORY_OF_THE_NUCLEA...

Anmerkungen zum Antriebskurs Luft- und Raumfahrt, Politecnico di Milano