Jo raketti- ja avaruusteollisuuden kehityksen alkuvaiheessa ilmestyivät ensimmäiset ehdotukset erilaisten ydinteknologioiden käytöstä. Erilaisia tekniikoita ja yksiköitä ehdotettiin ja kehitettiin, mutta vain osa niistä saavutti varsinaisen toiminnan. Tulevaisuudessa odotetaan perustavanlaatuisten uusien ratkaisujen käyttöönottoa.
Ensimmäinen avaruudessa
Vuonna 1954 Yhdysvalloissa luotiin ensimmäinen radioisotooppinen termosähkögeneraattori (RTG tai RTG). RTG: n pääelementti on radioaktiivinen isotooppi, joka hajoaa luonnollisesti lämpöenergian vapautuessa. Lämpöelementin avulla lämpöenergia muunnetaan sähköenergiaksi, joka toimitetaan kuluttajille.
RTG: n tärkein etu on mahdollisuus pitkäaikaiseen käyttöön vakailla ominaisuuksilla ja ilman huoltoa. Elinikä määräytyy valitun isotoopin puoliintumisajan mukaan. Samaan aikaan tällaiselle generaattorille on ominaista alhainen hyötysuhde ja lähtöteho, ja se tarvitsee myös biologista suojaa ja asianmukaisia turvatoimia. RTG: t ovat kuitenkin löytäneet sovelluksia useilla aloilla, joilla on erityisvaatimuksia.
Vuonna 1961 Yhdysvalloissa luotiin SNAP 3B -tyyppinen RTG, jossa oli 96 g plutonium-238-kapselia. Samana vuonna tällaisella generaattorilla varustettu Transit 4A -satelliitti nousi kiertoradalle. Siitä tuli ensimmäinen avaruusalus maapallon kiertoradalla, joka käytti ydinfissioenergiaa. Vuonna 1965 Neuvostoliitto laukaisi Kosmos-84-satelliitin, ensimmäisen Orion-1 RTG -laitteen, joka käytti polonium-210: tä.
Myöhemmin kaksi suurvaltaa käyttivät aktiivisesti RTG: tä luodakseen avaruusteknologiaa eri tarkoituksiin. Esimerkiksi useat Marsin kulkijat ovat viime vuosikymmeninä saaneet voimansa radioaktiivisten elementtien hajoamisesta. Samoin tarjotaan virtalähde tehtävistä, jotka liikkuvat pois auringosta.
Yli puoli vuosisataa RTG: t ovat osoittaneet kykynsä useilla aloilla, mm. avaruusteollisuudessa, vaikka ne olivat edelleen erikoistyökalu tiettyihin tehtäviin. Kuitenkin tällaisessa roolissa radioisotooppigeneraattorit edistävät teollisuuden, tutkimuksen jne.
Ydinraketti
Pian avaruusohjelmien aloittamisen jälkeen johtavat maat alkoivat selvittää kysymystä ydinvoimarakettimoottorin luomisesta. Erilaisia arkkitehtuureja on ehdotettu erilaisilla toimintaperiaatteilla ja eri eduilla. Esimerkiksi amerikkalaisessa Orion-projektissa ehdotettiin avaruusalusta, joka käyttää pienitehoisten ydinkärkien iskuaaltoa kiihdyttämään. Lisäksi kehitettiin tutumman ilmeen malleja.
1950- ja 60 -luvuilla NASA ja siihen liittyvät organisaatiot kehittivät NERVA -moottorin (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Sen pääkomponentti oli avoimen kierron ydinreaktori. Nestemäisen vedyn muodossa oleva työneste oli lämmitettävä reaktorista ja poistettava suuttimen läpi, jolloin syntyi työntövoima. Tällainen ydinmoottori oli rakenteeltaan parempi kuin perinteiset kemialliset polttoainejärjestelmät, vaikka se oli vaarallisempi käytössä.
NERVA -projekti testattiin eri komponenteilla ja koko kokoonpanolla. Testien aikana moottori käynnistettiin 28 kertaa ja toimi lähes 2 tuntia. ei ollut merkittäviä ongelmia. Hanke ei kuitenkaan saanut lisäkehitystä. 1960- ja 1970 -luvun vaihteessa amerikkalaista avaruusohjelmaa rajoitettiin vakavasti ja NERVA -moottori hylättiin.
Samana ajanjaksona vastaavaa työtä tehtiin Neuvostoliitossa. Lupaava hanke ehdotti moottorin käyttöä, jossa on reaktori, joka lämmittää työnestettä nestemäisen vedyn muodossa. Kuusikymmentäluvun alussa tällaiselle moottorille luotiin reaktori, ja myöhemmin työ alkoi muilla yksiköillä. Erilaisten laitteiden testausta ja kehittämistä jatkettiin pitkään.
1970-luvulla valmis RD-0410-moottori läpäisi sarjan polttotestejä ja vahvisti pääominaisuudet. Hanketta ei kuitenkaan kehitetty edelleen monimutkaisuuden ja riskien vuoksi. Kotimainen raketti- ja avaruusteollisuus käytti edelleen "kemiallisia" moottoreita.
Avaruushinaajat
Jatkotutkimus- ja suunnittelutyön aikana Yhdysvalloissa ja maassamme he tulivat siihen tulokseen, että NERVA- tai RD-0410-tyyppisiä moottoreita ei ole tarkoituksenmukaista käyttää. Vuonna 2003 NASA aloitti perusteellisesti uuden arkkitehtuurin testaamisen avaruusalukselle, jossa on ydinvoimala. Projektin nimi oli Prometheus.
Uusi konsepti ehdotti avaruusaluksen rakentamista, jonka aluksella olisi täysimittainen reaktori, joka toimittaisi sähköä ja ionisuihkumoottorin. Tällainen laite voisi löytää sovelluksen pitkän matkan tutkimusmatkoilla. "Prometheuksen" kehittäminen osoittautui kuitenkin kohtuuttoman kalliiksi, ja tuloksia odotettiin vasta kaukaisessa tulevaisuudessa. Vuonna 2005 hanke suljettiin näkymien puutteen vuoksi.
Vuonna 2009 vastaavan tuotteen kehitys alkoi Venäjällä. "Transport and Power Module" (TEM) tai "avaruushinaaja" on vastaanottaa megawattiluokan ydinvoimala yhdessä ID-500-ionimoottorin kanssa. Avaruusalus ehdotetaan koottavaksi maan kiertoradalle ja sitä käytetään erilaisten kuormien kuljettamiseen, muiden avaruusalusten kiihdytykseen jne.
TEM -hanke on erittäin monimutkainen, mikä vaikuttaa sen kustannuksiin ja ajoitukseen. Lisäksi oli monia organisatorisia ongelmia. Kuitenkin kymmenennen puoliväliin mennessä TEM: n yksittäiset komponentit otettiin testattavaksi. Työ jatkuu ja voi tulevaisuudessa johtaa todellisen "avaruushinaajan" syntymiseen. Tällaisen laitteen rakentaminen on suunniteltu 20 -luvun jälkipuoliskolle; käyttöönotto - vuonna 2030
Ilman vakavia vaikeuksia ja kaikkien suunnitelmien oikea -aikaista toteutumista TEM: stä voi tulla maailman ensimmäinen luokkansa tuote, joka on otettu käyttöön. Samaan aikaan on tietty aikaraja, mutta se sulkee pois mahdollisuuden kilpailijoiden ajoissa esiintymisestä.
Näkökulmia ja rajoituksia
Ydinteknologiat ovat erittäin kiinnostavia raketti- ja avaruusteollisuudelle. Ensinnäkin eri luokkien voimalaitokset voivat olla hyödyllisiä. RTG: t ovat jo löytäneet sovelluksen ja ovat vakiintuneet joillekin alueille. Täysimittaisia ydinreaktoreita ei vielä käytetä niiden suurten mittojen ja massan vuoksi, mutta sellaisilla aluksilla on jo kehitystä.
Johtavat avaruus- ja ydinvoimat ovat useiden vuosikymmenten ajan kehittäneet ja testanneet käytännössä useita alkuperäisiä ideoita, määrittäneet niiden elinkelpoisuuden ja löytäneet tärkeimmät sovellusalueet. Tällaiset prosessit jatkuvat tähän päivään asti, ja luultavasti ne antavat pian uusia käytännön tuloksia.
On huomattava, että ydinteknologiat eivät ole yleistyneet avaruusalalla, eikä tilanne todennäköisesti muutu. Samalla ne osoittautuvat hyödyllisiksi ja lupaaviksi tietyillä aloilla ja hankkeissa. Ja juuri näillä markkinarakoilla käytettävissä oleva potentiaali on jo toteutunut.
