Al in de vroege stadia van de ontwikkeling van de raket- en ruimtevaartindustrie verschenen de eerste voorstellen voor het gebruik van verschillende nucleaire technologieën. Verschillende technologieën en eenheden werden voorgesteld en uitgewerkt, maar slechts enkele ervan bereikten daadwerkelijke werking. In de toekomst wordt de introductie van fundamenteel nieuwe oplossingen verwacht.
De eerste in de ruimte
In 1954 werd in de VS de eerste radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG of RTG) gemaakt. Het belangrijkste element van een RTG is een radioactieve isotoop die op natuurlijke wijze vervalt met het vrijkomen van thermische energie. Met behulp van een thermo-element wordt thermische energie omgezet in elektrische energie, die aan consumenten wordt geleverd.
Het belangrijkste voordeel van de RTG is de mogelijkheid van langdurig gebruik met stabiele eigenschappen en zonder onderhoud. De levensduur wordt bepaald door de halfwaardetijd van de geselecteerde isotoop. Tegelijkertijd wordt een dergelijke generator gekenmerkt door een laag rendement en uitgangsvermogen, en heeft het ook biologische bescherming en passende veiligheidsmaatregelen nodig. RTG's hebben echter toepassing gevonden in een aantal gebieden met speciale vereisten.
In 1961 werd in de VS een RTG van het SNAP 3B-type gemaakt met 96 g plutonium-238 in een capsule. In hetzelfde jaar ging de Transit 4A-satelliet, uitgerust met een dergelijke generator, in een baan om de aarde. Het werd het eerste ruimtevaartuig in een baan om de aarde dat kernsplijtingsenergie gebruikte. In 1965 lanceerde de USSR de Kosmos-84-satelliet, het eerste Orion-1 RTG-apparaat dat polonium-210 gebruikt.
Vervolgens gebruikten de twee grootmachten actief RTG's om ruimtetechnologie voor verschillende doeleinden te creëren. Zo zijn in de afgelopen decennia een aantal Marsrovers aangedreven door het verval van radioactieve elementen. Evenzo wordt voorzien in de stroomvoorziening van missies die zich van de zon af bewegen.
Al meer dan een halve eeuw bewijzen RTG's hun capaciteiten op een aantal gebieden, waaronder. in de ruimtevaartindustrie, hoewel ze een gespecialiseerd hulpmiddel bleven voor specifieke taken. In een dergelijke rol dragen radio-isotopengeneratoren echter bij aan de ontwikkeling van de industrie, onderzoek, enz.
Nucleaire raket
Kort na de start van ruimteprogramma's begonnen de leidende landen de kwestie van het creëren van een nucleaire raketmotor uit te werken. Er zijn verschillende architecturen voorgesteld met verschillende werkingsprincipes en verschillende voordelen. In het Amerikaanse project Orion werd bijvoorbeeld een ruimtevaartuig voorgesteld dat een schokgolf van kernkoppen met een laag vermogen gebruikt om te versnellen. Ook werden ontwerpen met een meer bekende uitstraling uitgewerkt.
In de jaren vijftig en zestig ontwikkelden NASA en aanverwante organisaties de NERVA-motor (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Het belangrijkste onderdeel was een kernreactor met open cyclus. De werkvloeistof in de vorm van vloeibare waterstof moest uit de reactor worden verwarmd en door het mondstuk worden uitgestoten, waardoor stuwkracht ontstond. Een dergelijke kernmotor was qua ontwerp superieur aan traditionele chemische brandstofsystemen, hoewel hij tijdens het gebruik gevaarlijker was.
Het NERVA-project werd op de proef gesteld van verschillende componenten en de gehele montage. Tijdens de tests werd de motor 28 keer aangezet en werkte hij bijna 2 uur. De kenmerken werden bevestigd; er waren geen noemenswaardige problemen. Het project kreeg echter geen verdere ontwikkeling. Aan het begin van de jaren zestig en zeventig werd het Amerikaanse ruimteprogramma ernstig ingeperkt en werd de NERVA-motor verlaten.
In dezelfde periode werd soortgelijk werk uitgevoerd in de USSR. Een veelbelovend project stelde het gebruik voor van een motor met een reactor die de werkvloeistof verwarmt in de vorm van vloeibare waterstof. In het begin van de jaren zestig werd een reactor gemaakt voor een dergelijke motor en later begon het werk aan de rest van de eenheden. Lange tijd gingen het testen en ontwikkelen van verschillende apparaten door.
In de jaren zeventig doorstond de afgewerkte RD-0410-motor een reeks ontstekingstests en bevestigde de belangrijkste kenmerken. Vanwege de hoge complexiteit en risico's is het project echter niet verder ontwikkeld. De binnenlandse raket- en ruimtevaartindustrie bleef "chemische" motoren gebruiken.
Ruimtesleepboten
In de loop van verder onderzoek en ontwerpwerk in de Verenigde Staten en in ons land kwamen ze tot de conclusie dat het niet opportuun is om motoren van het type NERVA of RD-0410 te gebruiken. In 2003 begon NASA met het testen van een fundamenteel nieuwe architectuur voor een ruimtevaartuig met een kerncentrale. Het project kreeg de naam Prometheus.
Het nieuwe concept stelde de bouw voor van een ruimtevaartuig met een volwaardige reactor aan boord, die elektriciteit levert, evenals een ionenstraalmotor. Een dergelijk apparaat zou toepassing kunnen vinden bij onderzoeksmissies over lange afstand. De ontwikkeling van "Prometheus" bleek echter onbetaalbaar en de resultaten werden pas in de verre toekomst verwacht. In 2005 werd het project wegens gebrek aan vooruitzichten stopgezet.
In 2009 begon de ontwikkeling van een soortgelijk product in Rusland. De "Transport and Power Module" (TEM) of "space tug" moet een kerncentrale van een megawatt-klasse ontvangen in combinatie met een ID-500 ionenmotor. Het ruimtevaartuig wordt voorgesteld om in een baan om de aarde te worden geassembleerd en te worden gebruikt voor het transport van verschillende ladingen, versnelling van andere ruimtevaartuigen, enz.
Het TEM-project is zeer complex, wat van invloed is op de kosten en timing. Daarnaast waren er tal van organisatorische problemen. Desalniettemin werden tegen het midden van de tienden afzonderlijke componenten van de TEM eruit gehaald om te testen. Het werk gaat door en kan in de toekomst leiden tot het ontstaan van een echte "ruimtesleepboot". De bouw van een dergelijk apparaat staat gepland voor de tweede helft van de jaren twintig; inbedrijfstelling - in 2030
Als er geen ernstige problemen zijn en alle plannen tijdig worden uitgevoerd, kan de TEM 's werelds eerste product in zijn klasse worden dat in gebruik wordt genomen. Tegelijkertijd is er een bepaalde tijdsmarge, terwijl de mogelijkheid van het tijdig verschijnen van concurrenten wordt uitgesloten.
Perspectieven en beperkingen
Nucleaire technologieën zijn van groot belang voor de raket- en ruimtevaartindustrie. Allereerst kunnen energiecentrales van verschillende klassen nuttig zijn. RTG's hebben al toepassing gevonden en zijn op sommige gebieden stevig verankerd. Volwaardige kernreactoren worden nog niet gebruikt vanwege hun grote afmetingen en massa, maar er zijn al ontwikkelingen op schepen met dergelijke apparatuur.
Gedurende tientallen jaren hebben de leidende ruimte- en kernmachten een aantal originele ideeën uitgewerkt en in de praktijk getest, hun levensvatbaarheid bepaald en de belangrijkste toepassingsgebieden gevonden. Dergelijke processen gaan tot op de dag van vandaag door en zullen waarschijnlijk binnenkort nieuwe resultaten van praktische aard opleveren.
Opgemerkt moet worden dat nucleaire technologieën nog niet wijdverbreid zijn in de ruimtevaartsector, en het is onwaarschijnlijk dat deze situatie zal veranderen. Tegelijkertijd blijken ze nuttig en kansrijk in bepaalde domeinen en projecten. En het is in deze niches dat het beschikbare potentieel nu al wordt gerealiseerd.
