NERVA: המנוע הגרעיני לחקר החלל

(של לורנצו פסטורנזי)
10 / 03 / 20

בראשית שנות החמישים המירוץ לחלל של שתי המעצמות הפלנטריות הגדולות, ארה"ב וברית המועצות, היה עדיין בחיתוליו. מנקודת מבט תיאורטית, עם זאת, שתי המדינות כבר המציאו כמה מערכות שימושיות כדי להביא את האדם אל מעבר לגבול האטמוספירה, בזכות ההתקדמות במכניקה מסלולית, טילים והיכולת לעבוד חומרים "מיוחדים".

אחד האתגרים המדעיים וההנדסיים הגדולים היה להגות מערכת הנעה המתאימה למשימה זו, ולכן היא מסוגלת לייצר דחף מספיק כדי להתגבר על כוח המשקל העצום של חלליות ולאפשר להם להגיע למהירות הגדולה מ מהירות בריחה יבשתי (קצת יותר מ 40.000 קמ"ש). יתר על כן, היה חיוני כי המנוע יוכל להמשיך לפעול מחוץ לאטמוספירה, כך שהרכב יוכל להאיץ עוד יותר ולנצל את הדחף לביצוע תמרונים מסלולית. לאחר מכן הם התחילו לעצב כמה רקטותכלומר, מנועים שאינם זקוקים לאווירה חיצונית שממנה ניתן לשאוב חלק מהמונע, כאשר כל המגיבים הנחוצים להפעלה מוצבים על הסיפון במכלים מיוחדים. במיוחד פותחו כמה אנדורקטורים תרמו-כימייםמבחינה רעיונית די דומים לאלה שתוכננו להפעיל טילים בצבא.

הרעיון שעומד מאחורי הדחפים הללו הוא להמיר את האנרגיה המחייבת הכימית של המגיבים (חמצון ודלק) לאנטלפיה של תערובת הדחף (כלומר לאנרגיה "ניתנת להחלפה", "הניתנת להחלפה" מנוזל העבודה) באמצעות בעירה, ואז מביאים את המוצרים של התגובה הכימית להתרחב לזרבובית דינאמית-גז (צינור קונברגנטי-שונה), והופך את האנטלפיה לאנרגיה קינטית (כלומר אנרגיה המקושרת למהירות התרגום של הגזים). תהליך זה כרוך בהאצת הגזים ולכן, על פי חוק הפעולה-תגובה של הדינמיקה, לידתו של כוח הפוך הפועל על המנוע: הדחף.

שלושה סוגים של מנועים תרמו-כימיים פותחו: דלק נוזלי, דלק מוצק ומונע היברידי (תמונה), המאופיינת בדחפים שונים המיוצרים ועל ידי משך זמן שונה של תהליך הבעירה. עם זאת, בשלושת המקרים, היו בעיות הקשורות למשקל המונע (במיוחד במקרה המוצק, עם עלייה כתוצאה מכך במשקל הרכב) וגודל מיכלי האחסון (במיוחד במקרה הנוזל בגלל הצפיפות הנמוכה של המגיבים, עם התגברות כתוצאה מכך של ההתנגדות האווירודינמית בטיסה באטמוספרה). לפיכך הובחן הצורך בפיתוח מנוע מסוג אחר שיאפשר להפחית את מסת המונע שאוחסן על הסיפון ואת נפח הטנקים: כל ק"ג שנחסך יהפוך לק"ג של מטען מסוע ולהפחתת טביעת הרגל הייתה מצמצמת את הגרר האווירודינמי בשלבים הראשונים של הטיסה!

פיתוח טכנולוגיות שקשורות לביקוע גרעיני הביא את המדענים לחשוב שאנרגיה אטומית היא הפיתרון האופטימלי שעליו ניתן לתכנן את סוג המנועים החדש. רעיון ההנעה הגרעינית כבר השתלט בארצות הברית והתפתח הן בתחום הימי (בשנת 1954 הושקה הצוללת הגרעינית הראשונה, נאוטילוס) ובתחום התעופה, דרך הפרויקט NEPA (אנרגיה גרעינית להנעה של מטוסים-אנרגיה גרעינית להנעה אווירית) והתוכנית ANP (כלי טיס הנעה גרעינית - הנעה תעופתית גרעינית).

תוך ניצול הניסיון שנצבר, הם החלו לעצב את הראשונים אנדורקטורים תרמיים גרעיניים.

בשנת 1959 המנוע הראשון של הרקטות הגרעיניות, ה- Kiwi-A (פרויקט "רובר"). בשנת 1961 התוצאות המצוינות שהושגו העניקו תנופה להולדת תוכנית גדולה אפילו יותר ושאפתנית יותר בשם נרבה (מנועי גרעין ליישומי רכב טילים - מנועים גרעיניים ליישומים לרכבי טילים) בהנחיית נאס"א ו- AEC (ועדת אנרגיה אטומית - נציבות אנרגיה אטומית). הדרישות של המנועים שנבנו במהלך תוכנית זו השתנו כל הזמן, והפכו להיות יותר ויותר שאפתניים מבחינת הדחיפה הנדרשת והספק תרמי שנוצר.

הודות לשיפורים מתמשכים, המהנדסים הגיעו לשער כדי לצייד את השלב השלישי של ה- סטורן V (הטיל שהביא את האדם לירח) של מנוע תרמי גרעיני בצורה כזו שהוא הצליח לשאת מטענים גדולים ושיוכל לשמש אותו לחקירת מאדים. היעדר הכספים דחף עם זאת להוריד שוב את המפרט הנדרש, מה שהוביל לבניית מנועים פחות חזקים.

התוכנית נמשכה עד 1972, אז היא בוטלה על ידי ממשל ניקסון כדי לרכז כספים בפיתוח גיבור גדול של חקר החלל האנושי: מעבורת החלל.

הטכניקה

מנועים תרמיים גרעיניים משתמשים בביזוי של אטום של חומרים מסוימים (כלומר ריסוק מאולץ של האטום והגרעין שלו) בכדי לייצר חום, שמשמש בהמשך לחימום הדלק. בדרך זו מתקבלת אנטלפיה של נוזל העבודה (בדיוק כמו במקרה של בעירה באנדורקטורים תרמו-כימיים). לאחר מכן ניתן להרחיב את הדחף לזרבובית, בה האנטלפיה הופכת לאנרגיה קינטית. התוצאה היא האצה של הנוזל עצמו ועבור עיקרון התגובה הפעולה דחף הפועל על המנוע.

תגובת הביקוע מופעלת על ידי הפגזה באמצעות נויטרונים בכמה אטומים של החומר השביר המשמש (בדרך כלל אורניום 235). ההשפעה של נויטרונים מייצרת ריסוק של הגרעין האטומי, שמרכיביו מתנגשים עם האטומים הסמוכים וגורמים להם להישבר ולכן מתדלקים את התהליך. ביקוע הגרעין מייצר בעיקר שתי צורות אנרגיה: האנרגיה הקינטית של השברים ואנרגיה אלקטרומגנטית (קרני גאמה). תנועת השברים השונים הנוצרים על ידי הביקוע מתורגמת לעלייה בטמפרטורה של החומר. כדי למנוע את התגובה מלהיות מבוקר, נדרשת נוכחות של מוטות בקרה (הם סופגים את השברים שמשתחררים על ידי האטומים על ידי עיכוב התגובה) או "מתווכים" המסוגלים להאט את הנויטרונים על ידי מניעת הפיצול של האטומים.

הפעיל את התגובה, המניע, בדרך כלל מימן H2 בצורה נוזלית או אמוניה NH3, מיועד להחליק על קירות הכור כך שיוכל להסיר ממנו חום, הודות להבדל הטמפרטורה בין הנוזל (קר מאוד) לבין הליבה בה מתרחש הביקוע הגרעיני (חם מאוד). נוזל העבודה, המחמם בתהליך זה, מגיע ל 2200-2700 מעלות צלזיוס והופך לגז. ככל שהטמפרטורה אליה מגיעים הגזים עולה כך האנרגיה שלהם גדולה יותר ולכן הדחף המתקבל על ידי התפשטותם לזרבובית. המגבלה לדחף המרבי שמערכות אלה יכולות לספק ניתנת אפוא על ידי הטמפרטורה המקסימאלית שאליה ניתן להגיע באמצעות הדחף מבלי שהיא תגרום לקירות המנוע להיכשל.

כמה מסת דחף חוסכת מערכת ההנעה הזו בהשוואה לאנדורקטורים תרמו-כימיים?

כדי לענות על שאלה זו יש להכניס פרמטר חשוב מאוד עבור גורמי endorea:דחף משקל ספציפי.

פרמטר זה מוגדר כ:

יוֹנָה T הוא הדחף שמספק המנוע,mp הוא קצב הזרימה (מסה לשנייה) של הדלק שעובר דרך הזרבובית e g0 היא האצת כוח המשיכה של כדור הארץ. דחף המשקל הספציפי מייצג אפוא את היחס בין הדחף שמספק המנוע ומשקלו של הדחף העובר דרך הזרבובית (אשר לפיכך "מייצרת" את הדחף הנ"ל). בנוסף Isp הוא גדול, כך המנוע מצליח לספק לדחף מסה נצרכת (ולכן משקל) של צריכת דלק! מנועי חום גרעיניים מאפשרים להשתמש במונע משקל מולקולרי נמוך (למשלמימן) ובכמויות קטנות יותר, מכיוון שאין צורך לעורר בעירה, אין צורך בחמצון ודלק, ולכן יש להם דחף משקל ספציפי גדול יותר (≈ 845 - 1000 שנייה) בהשוואה למנועים תרמו-כימיים (- 200 - 400 שנייה).

היתרון הניתן בהנעה תרמית גרעינית ניכר עוד יותר על ידי הכנסת דחף המשקל הספציפי ל- "משוואת טילים", כלומר המשוואה שבאחת מצורותיה קושרת את שונות המהירות שהועברה לטיל לעיסה של המונע שנמצא על הסיפון.

בואו נדמיין את הצורך לתת לרקטה וריאציה מהירה לתמרון מסלולי שווה ל 10 קמ"ש. במקרה של מנוע תרמווכימי דחף נוזלי עם Isp500 שניות אחוז מסה של דחף הנדרש מתקבל שווה ל 87% מכלל המסה של הרקטה. במקרה של מנוע חום גרעיני עם Isp900 שניות אתה מקבל אחוז ממסת הנעה הנדרשת שווה ל 67.8% מסך מסת הרקטות!

כפי שהודגם, הנעה גרעינית מועילה, אולם אין להמעיט בבעיות בטיחות, החל באובדן אפשרי של חומר בקע וכלה בצורך להגן על הצוות מפני קרינה המיוצרת בליבה. השאיפות האמריקאיות האחרונות להביא את האדם למאדים עם זאת חידשו את העניין בסוגי הדחף הזה. למעשה, באותה מסה של דחף הוא מסוגל לספק עלייה במהירות גבוהה יותר בהשוואה לכורים תרמו-כימיים, ובכך לאפשר מסלולי מעבר קצרים יותר בין כדור הארץ לכוכב האדום. זהו היבט מהותי, במיוחד בהתחשב בסיכונים הבריאותיים הפוטנציאליים לאסטרונאוטים הקשורים לחשיפה ממושכת לקרינת השמש.

תמונות:

נאס"א

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...

מקורות:

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

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

הערות על מסלול ההנעה והחלל, Politecnico di Milano