Исследования в области ядерных тепловых двигателей | Новости Массачусетского технологического института

Полет на Луну — это одно; полет на Марс будет совсем другим. Одно только расстояние пугает. В то время как Луна находится на расстоянии 238 855 миль, расстояние до Марса составляет от 33 до 249 миллионов миль. Двигательные установки, которые доставили нас на Луну, просто не будут работать.

Тейлор Хэмпсон, студентка магистратуры факультета ядерной науки и техники (NSE), хорошо осведомлена об этой проблеме. Это одна из многих причин, по которым он с энтузиазмом относится к спонсируемому НАСА исследованию ядерного теплового двигателя (NTP).

Этот метод использует ядерную энергию для нагрева топлива, такого как водород, до чрезвычайно высокой температуры и выбрасывания его через сопло. Результирующая тяга может значительно сократить время полета к Марсу по сравнению с химическими ракетами. “Вы можете получить двойную или даже более высокую эффективность от ядерного двигательного двигателя с той же тягой. Кроме того, пребывание в условиях микрогравитации не идеально для астронавтов, поэтому вы хотите доставить их туда быстрее, что является сильным мотивом для использования ядерного двигателя по сравнению с химическими эквивалентами”, – говорит Хэмпсон.

Понимание ядерной тепловой энергии

Стоит провести краткий обзор методов ракетного движения, чтобы понять, к чему пригодятся работы Хэмпсона.

Существует три основных типа ракетных двигателей: химические, в которых тяга достигается за счет сгорания ракетного топлива; электрические, где электрические поля ускоряют заряженные частицы до высоких скоростей для достижения тяги; и ядерная энергия, где ядерная энергия обеспечивает необходимую тягу.

Ядерная двигательная установка, которая используется только в космосе, а не для полета в космос, далее попадает в одну из двух категорий: ядерная электрическая двигательная установка использует ядерную энергию для выработки электроэнергии и ускорения топлива. Ядерная тепловая двигательная установка, которую исследует Хэмпсон, нагревает топливо с помощью ядерной энергии. Значительным преимуществом NTP является то, что он может обеспечить двойную (или более) эффективность химического эквивалента при той же тяге. Недостаток: стоимость и нормативные препятствия. «Конечно, вы можете получить двойную или более эффективность от ядерного двигателя, но еще не было случая, когда это было бы необходимо в достаточной степени, чтобы оправдать более высокую стоимость», — говорит Хэмпсон.

До настоящего времени.

Поскольку миссия человека на Марс становится вполне реальной — НАСА планирует отправить астронавтов на Марс уже в 2030-х годах — NTP может вскоре оказаться в центре внимания.

«Это почти футуристично»

Выросший на космическом побережье Флориды и наблюдение за запусками космических кораблей пробудили в Хэмпсоне ранний интерес к науке. Любя многие другие предметы, в том числе историю и математику, Хэмпсон только в старших классах решил заняться инженерным делом. В то время как освоение космоса привлекло его к аэрокосмической технике, Хэмпсон также был заинтригован возможностью ядерной энергетики как пути к более экологичному будущему.

Охваченный нерешительностью, он подал документы в школы обеих специальностей и получил степень бакалавра в области аэрокосмической техники в Технологическом институте Джорджии. Именно здесь серия стажировок в таких компаниях, занимающихся космическими технологиями, как Blue Origin и Stoke Space, а также участие в ракетной команде Технологического института Джорджии укрепили любовь Хэмпсона к ракетным двигателям.

В стремлении продолжить обучение в аспирантуре Массачусетский технологический институт казался следующим логичным шагом. «Я думаю, что Массачусетский технологический институт имеет лучшее сочетание ядерного и аэрокосмического образования и действительно силен в области испытаний ядерного топлива», — говорит Хэмпсон. Установки реактора MIT позволяют проводить испытания ядерного топлива в условиях, которые можно наблюдать в ядерном двигательном двигателе. Это помогло Коруш Ширвандоцент NSE и профессор развития карьеры в Атлантическом Ричфилде в области энергетических исследований, работал над проектами ядерных тепловых двигателей с НАСА, сосредоточив большую часть своих усилий на испытаниях ядерного топлива.

В Массачусетском технологическом институте Хэмпсон работает под руководством Ширвана. Хэмпсону представилась возможность продолжить исследования в рамках проекта, который он начал во время стажировки в НАСА: исследования ядерного теплового двигателя. “Ядерная двигательная установка сама по себе является передовой, и я работаю над тем, что будет дальше. Это почти футуристично”, – говорит он.

Моделирование эффектов ядерного теплового движения

Хотя идея NTP звучит многообещающе, ее реализация, скорее всего, будет непростой. Во-первых, благодаря NTP ракетный двигатель не запускается и не выключается, как простые двигатели внутреннего сгорания. Запуск сложен, поскольку быстрое повышение температуры может привести к разрушению материала. А для остановки двигателей может потребоваться больше времени из-за выделения тепла от ядерного распада. В результате компоненты приходится продолжать охлаждать до тех пор, пока не распадется достаточное количество продуктов деления, чтобы не оставалось много тепла, говорит Хэмпсон.

Хэмпсон моделирует всю систему ракетного двигателя — бак, насос и многое другое — чтобы понять, как эти и многие другие параметры работают вместе. Оценка всего двигателя важна, поскольку различные конфигурации деталей (и даже топлива) могут влиять на производительность. Чтобы упростить расчеты и ускорить моделирование, он работает с относительно простой одномерной моделью. Используя его, Хэмпсон может отслеживать влияние переменных на такие параметры, как температура и давление, на каждый из компонентов на протяжении всей работы двигателя.

«Задача состоит в том, чтобы соединить термодинамические эффекты с нейтронно-физическими эффектами», — говорит он.

Готовы к новым испытаниям впереди

После многих лет нерешительности, откладывая практически каждое решение, связанное с учебой, до последней минуты, Хэмпсон, похоже, сосредоточился на том, что, по его мнению, станет делом всей его жизни – вдохновленный запусками космических кораблей много лет назад – и надеется продолжить учебу в докторантуре после окончания учебы.

Хэмпсон всегда приветствует вызов, и это мотивирует его бежать. Готовясь к Бостонскому марафону, он сломал ногу, травма, которая появилась, когда он участвовал в еще одном забеге, Бинтаунском марафоне. Он не сломлен этим инцидентом. «Я узнал, что вы гораздо более способны, чем вы думаете, — говорит Хэмпсон, — хотя вам придется спросить себя о цене», — смеется он. (После этого он несколько недель был на костылях).

Жажда новых вызовов также является одной из многих причин, по которым он решил заняться исследованием теплового ядерного двигателя. Помогает то, что исследования удовлетворяют его любовь к этой области. «Условно говоря, эта область нуждается в гораздо большем развитии; существует еще много нерешенных проблем», — говорит он.