ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Εάν πρόκειται να ξεφύγουμε από τα _δεσμά_ του ηλιακού μας συστήματος, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη συστημάτων προώθησης νέας μορφής. Οι θερμοπυρηνικοί κινητήρες δίνουν μια σημαντική υπόσχεση. Του Γιώργου Ηλιόπουλου Ήταν το έτος 1969 και η ανθρωπότητα επιχειρούσε ένα ουσιαστικό βήμα στην κατάκτηση του διαστήματος, καθώς η NASA επετύγχανε να προσεδαφίσει το πρώτο της πλήρωμα στη Σελήνη. Μέχρι τότε όλες οι προσπάθειες οδηγούσαν στην τοποθέτηση _κανίστρων_ σε τροχιά και την ανεξέλεγκτη σχεδόν επανείσοδό τους που κατέληγε πάντοτε, αναγκαστικά σε προσθαλάσσωση. Στο περιθώριο όμως όλων αυτών των απλών αλλά συγκινητικών προσπαθειών, που σήμερα φαντάζουν πρωτόγονες, η ομάδα των επιστημόνων που είχε καθοδηγήσει τον άνθρωπο στη Σελήνη, εργαζόταν σε ένα άλλο σχέδιο, που θύμιζε τις τολμηρότερες σελίδες Επιστημονικής Φαντασίας. Ήταν το περίφημο πλέον Mars-Prozekt (Σχέδιο για τον 'ρη) του Βέρνερ φον Μπράουν, το οποίο είχε εμφανισθεί για πρώτη φορά το 1952, με τελικό στόχο την αποστολή 10 σκαφών με πλήρωμα 70 ανδρών στον Ερυθρό Πλανήτη. Αλλά ήταν δυνατόν οι άνθρωποι αυτοί που είχαν οδηγήσει στο απόγειο της επιτυχίας το πρόγραμμα ΑΠΟΛΛΩΝ, να αγνοούσαν τις περιορισμένες δυνατότητες των κινητήρων χημικών καυσίμων για ένα τόσο μεγαλειώδες εγχείρημα; H απάντηση στο ακανθώδες αυτό ερώτημα, όσο και αν φαίνεται παράξενο, δεν δόθηκε δημόσια από τον φον Μπράουν ή κάποιο άλλο στέλεχος της ομάδας του, αλλά από έναν πολιτικό, τον πρόεδρο Κένεντι, όταν στις 25 ΜαΪου του 1961, απευθυνόμενος στην αμερικανική βουλή και γερουσία, προσπάθησε να πιέσει το σώμα, ώστε να αποδεχθεί ένα εντατικό πρόγραμμα ανάπτυξης θερμοπυρηνικών κινητήρων. Πέρασαν τρεις δεκαετίες από τότε και η πυρηνική ενέργεια συνάντησε μεν στιγμές δόξας και μεγαλείου, αλλά και διεθνούς κατακραυγής σε τέτοια μάλιστα έκταση, που κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών έχει τεθεί στο περιθώριο, συναντώντας σφροδρές αμφισβητήσεις. Φαίνεται όμως ότι προετοιμάζεται η επιστροφή της, τουλάχιστον στο χώρο του διαστήματος, καθώς μετά από την επιτυχημένη εφαρμογή της στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο διάστημα (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 78), το διαστημικό κέντρο Λιούις (Lewis) της ΝΑΣΑ πιέζει την κυβέρνηση Μπους με σκοπό την επιστροφή στο πρόγραμμα του Βέρνερ φον Μπράουν, υποστηρίζοντας πως είναι αδύνατη η εγκατάσταση βάσης στη Σελήνη, όπως και οι αποστολές στον 'ρη, χωρίς πυρηνικούς κινητήρες. Οι λόγοι βέβαια για τη φαινομενικά απροσδόκητη αυτή επιμονή, απορρέουν από το γεγονός ότι ένα σκάφος με θερμοπυρηνικούς κινητήρες είναι 3 έως 10 φορές ελαφρότερο από το ανάλογό του με συμβατικούς κινητήρες χημικών καυσίμων. Το σοβαρό αυτό πλεονέκτημα οδήγησε τη ΝΑΣΑ κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του _60 να αφοσιωθεί εντατικά στη σχεδίαση κινητήρων πυρηνικής ενέργειας. H παραγωγή της ενέργειας γίνεται χάρη στην σχάση, η οποία εξελίσσεται με αλυσιδωτή αντίδραση. Για να αποφευχθεί η ανεξέλεγκτη εξέλιξη της σχάσης, χρησιμοποιούνται υλικά γνωστά σαν επιβραδυντές, τα οποία απορροφούν ένα μέρος από τα νετρόνια που βομβαρδίζουν ακατάπαυστα το σχάσιμο υλικό. H ενέργεια που εκλύεται στον αντιδραστήρα εμφανίζεται με μορφή θερμότητας και εάν ένα ρευστό, όπως το υδρογόνο σε υγρή κατάσταση, υποχρεωθεί σε διέλευση από τον πυρήνα του αντιδραστήρα θα εξαερωθεί (αν δεν έχει ήδη εξαερωθεί στους ψυκτικούς αγωγούς), οπότε το αέριο πλέον υδρογόνο αποκτά εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. H ώση που μπορεί λοιπόν να παραχθεί με τη βοήθεια του αντιδραστήρα, εξαρτάται πρωταρχικά από τα επίπεδα θερμοκρασίας, στα οποία φθάνει το υδρογόνο. Σαν μέτρο σύγκρισης λαμβάνεται η χρονική διάρκεια παροχής ώσης, η οποία στους σύγχρονους και πλέον βελτιωμένους πυραυλοκινητήρες υγρών καυσίμων (οξυγόνου/υδρογόνου) φθάνει τα 500 sec. Όπως στους συμβατικούς, έτσι και στους πυρηνικούς πυραυλοκινητήρες, η ανοχή των υλικών στις υψηλές θερμοκρασίες, αποτελεί την καθοριστική παράμετρο για τον ορισμό της χρονικής διάρκειας παροχής ώσης. Με δεδομένο ένα ανώτατο όριο θερμοκρασιών της τάξης των 3300ψC, ένας πυρηνικός πυραυλοκινητήρας παρέχει ώση διάρκειας περίπου 1000 sec, ενώ αν χρησιμοποιηθεί σχάσιμο υλικό σε υγρή ή αέριο κατάσταση που μεταδίδει τη θερμότητα με αγωγιμότητα ή ακτινοβολία, η διάρκεια της παρεχόμενης ώσης είναι δυνατόν να υπερβεί τα 3000 sec. ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΣΥΜΠΑΓΟΥΣ ΠΥΡΗΝΑ Στους αντιδραστήρες αυτούς το υδρογόνο έρχεται σε επαφή με τα συμπαγή υλικά του πυρήνα σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες. Πρωταρχικός στόχος στην περίπτωση αυτή είναι η επιλογή υλικών με μεγάλα όρια αντοχής στις υψηλές θερμοκρασίες, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη διάρκεια ώσης. Φυσικά πρέπει να αντιμετωπιστούν και άλλα σοβαρά κριτήρια, όπως η ασφάλεια του αντιδραστήρα και ένας μεγάλος αριθμός οικονομικών παραμέτρων, ενώ ο αντιδραστήρας δεν πρέπει να παρουσιάζει μεγάλο όγκο ή βάρος, διατηρώντας παράλληλα μεγάλες δυνατότητες εξέλιξης. Οι αντιδραστήρες συμπαγούς πυρήνα ακολουθούν τρεις βασικές σχεδιάσεις: α. Ομοιογενείς θερμικοί αντιδραστήρες Στη σχεδιάση αυτή το σχάσιμο υλικό ενσωματώνεται με το υλικό επιβράδυνσης των νετρονίων. H θερμότητα που εκλύεται στον επιβραδυντή, μεταφέρεται στο προωστικό υλικό, δηλαδή το υδρογόνο, το οποίο ρέει μέσω των ψυκτικών διόδων που διέρχονται από οπές στον αντιδραστήρα. Λόγω του ότι η θερμότητα εμφανίζεται κατά κύριο λόγο στον επιβραδυντή, που είναι και το θερμότερο τμήμα του αντιδραστήρα, πολλοί ονομάζουν τους αντιδραστήρες αυτούς, αντιδραστήρες θερμού επιβραδυντή. Σαν κυρίαρχο χαρακτηριστικό της σχεδίασης θεωρείται, αφ_ ενός μεν η δυνατότητα του επιβραδυντή να λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες και αφ_ ετέρου η διατήρηση της ικανότητάς του για την απορρόφηση νετρονίων. Τη διπλή αυτή προδιαγραφή ικανοποιούν μόνον ο γραφίτης και το οξείδιο του βηρυλλίου. O γραφίτης μάλιστα διατηρεί τις απορροφητικές του ικανότητες σε υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με το οξείδιο του βηρυλλίου. Από τη στιγμή λοιπόν που η χρονική διάρκεια της παροχής ώσης εξαρτάται άμεσα από τα επίπεδα της αναπτυσσόμενης θερμοκρασίας στον επιβραδυντή, ο γραφίτης αποτελεί το κατ_ εξοχήν επιβραδυντικό υλικό για ομοιογενείς θερμικούς αντιδραστήρες. 'λλωστε και οι προσπάθειες της ΝΑΣΑ κατά τη διάρκεια του _60 είχαν επικεντρωθεί σε αντιδραστήρες αυτού του τύπου. Μάλιστα οι εταιρίες Γουέστιγκχάουζ (Westinghouse) και Αέροτζετ (Aerojet), οι οποίες είχαν κατασκευάσει για δοκιμές εδάφους τον πειραματικό αντιδραστήρα Kiwi, στην προσπάθειά τους να επιτύχουν ταχύτητες εξόδου της τάξης των 8.25 km/sec στο ακροφύσιο, εξήντλησαν τα όρια ανοχής των υλικών με αποτέλεσμα την τήξη του πρώτου Kiwi. Οι επόμενες όμως προσπάθειες υπήρξαν επιτυχείς, οδηγώντας στον Nerva, τον πρώτο επιχειρησιακό θερμοπυρηνικό κινητήρα, ο οποίος παρά τη φαινομενική του απλότητα σχεδίασης, αποτέλεσε ένα αναμφισβήτητο τεχνολογικό άλμα, αποδεικνύοντας πως ήταν απόλυτα εφικτή η χρήση θερμοπυρηνικών κινητήρων σε διαπλανητικές πτήσεις. Δυστυχώς, η αλλαγή πλεύσης της ΝΑΣΑ κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του _70, σήμανε και την εγκατάλειψη του προγράμματος Nerva το 1972. β. Θερμικοί αντιδραστήρες ταχείας ανάλωσης Στη σχεδιάση αυτή ο αντιδραστήρας περιέχει αποκλειστικά και μόνον το σχάσιμο υλικό, δηλαδή δεν απαιτείται η παρουσία επιβραδυντή. Σχηματίζεται με αλλεπάλληλα φύλλα σχάσιμου υλικού, των οποίων οι επιφάνειες μεταδίδουν απευθείας την εκλυόμενη θερμότητα στο υδρογόνο. Οι αντιδραστήρες αυτοί είναι δυνατόν να έχουν εξαιρετικά μικρό όγκο, ενώ παράλληλα είναι εφικτή η χρήση του αποδοτικότερου δυνατού σχάσιμου υλικού, καθώς δεν υφίσταται το πρόβλημα του επιβραδυντή. Το σοβαρότερο μειονέκτημα των αντιδραστήρων αυτών προέρχεται από την ταχύτατη ανάλωση του σχάσιμου υλικού, εξ ου και η ονομασία του, ένα μειονέκτημα που επαγωγικά προκαλεί ακόμη σημαντικότερα προβλήματα, καθώς ο όγκος του σχάσιμου υλικού οφείλει για λόγους ασφαλείας να ισούται προς τον όγκο των πυρίμαχων-μονωτικών υλικών που περιέχονται στον πυρήνα. Δυστυχώς, τα σχάσιμα υλικά δεν παρουσιάζουν ικανοποιητικές επιδόσεις από δομική ή θερμική άποψη, αν δεν τοποθετηθούν σε πλαίσιο πυρίμαχων υλικών, όπως το βολφράμιο, το μολυβδαίνιο ή τα καρβίδια του ζιρκονίου, του αφμίου και του τανταλίου. Είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπτυχθούν υλικά τα οποία να εμπεριέχουν κατά 50% ως προς τον ολικό τους όγκο το σχάσιμο υλικό, χωρίς να μειωθούν οι επιδόσεις τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Στους θερμικούς αντιδραστήρες εντάσσεται το Phoebus, ένα πρόγραμμα σχεδόν παράλληλο με το αντίστοιχο του Nerva, το οποίο δυστυχώς είχε και παρόμοιο τέλος. Αν και το πρόγραμμα αυτό δεν οδήγησε στην κατασκευή ούτε καν πειραματικού αντιδραστήρα εν τούτοις, προώθησε δραστικά την έρευνα σε νέα υλικά και τεχνικές που επιτρέπουν υψηλά ποσοστά συγκέντρωσης σχάσιμου υλικού στον πυρήνα. Έχει αποδειχθεί ότι αντιδραστήρες του τύπου αυτού είναι δυνατόν να λειτουργούν για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε θερμοκρασίες 2500ψC με πυρήνα πυρίμαχων υλικών τα οποία περιέχουν σε υψηλή συγκέντρωση διοξείδιο του ουρανίου. γ. Ετερογενείς θερμικοί αντιδραστήρες Στη σχεδίαση αυτή, το σχάσιμο υλικό διαχωρίζεται από το επιβραδυντικό σύστημα και ενσωματώνεται σε πυρίμαχο υλικό, από τις επιφάνειες του οποίου ακτινοβολείται η εκλυόμενη θερμότητα. H διάταξη λοιπόν των επιβραδυντών ψύχεται από ανεξάρτητο ψυκτικό σύστημα, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η λειτουργία της σε ιδιαίτερα _χαμηλές_ θερμοκρασίες. Έτσι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν σαν επιβραδυντές ύδωρ, βαρύ ύδωρ, βηρύλλιο, οξείδια του βηρυλλίου και υβρίδια μετάλλων. H περιεκτικότητα του πυρίμαχου πυρήνα σε σχάσιμο υλικό των αντιδραστήρων αυτών είναι δυνατόν να φθάνει το 15% έως 20% ως προς τον ολικό όγκο. Επιπλοκές παρουσιάζονται στη σχεδίαση αυτή, στο ψυκτικό σύστημα της επιβραδυντικής διάταξης, το οποίο οφείλει να είναι απομονωμένο θερμικά από σημεία που παρουσιάζουν υψηλές θερμικές επιβαρύνσεις. Οι ομοιογενείς και οι θερμικοί αντιδραστήρες ταχείας ανάλωσηςΑ εμφανίζονται απλούστεροι, τουλάχιστον ως προς τη βασική σύλληψη, γιατί οι ύλες που περιέχουν το σχάσιμο υλικό, συνιστούν ολόκληρο τον πυρήνα, αλλά οι ετερογενείς υπόσχονται πολύ περισσότερα ως προς την παροχή ώσης, καθώς ο μηχανισμός επιβράδυνσης διαχωρίζεται από το δοχείο που περιέχει το σχάσιμο υλικό. Κατά συνέπεια είναι δυνατή η χρήση των αποδοτικότερων δυνατών επιβραδυντικών υλών, όπως διάφορα πυρίμαχα υλικά, από τη στιγμή που δεν εμπεριέχονται στον πυρήνα. ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ AEPIOY ΠΥΡΗΝΑ Οι αντιδραστήρες συμπαγούς πυρήνα, γενικά υπόκεινται σε σοβαρούς περιορισμούς από πλευράς θερμοκρασίας, λόγω του ότι πρέπει να αποφευχθεί πάση θυσία η τήξη του δοχείου που περιέχει το σχάσιμο υλικό. Αντίθετα οι αντιδραστήρες αερίου πυρήνα αποτελούν ένα σοβαρό βήμα προς την άρση των περιορισμών αυτών, καθώς είναι θεωρητικά δυνατόν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες από 5500ψC μέχρι και 11000ψC, επιμηκύνοντας τη διάρκεια απόδοσης της ώσης σε 3000 sec ή και περισσότερο. H πρωτοποριακή αυτή σύλληψη οφείλεται στον ιδιοφυή μηχανολόγο Bruno Augenstein, το μαθητή του Eugen S_nger, που επηρέασε αποφασιστικά τη ριζοσπαστική τεχνολογική πορεία της εταιρίας Rand κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του _60. Στη σχεδίαση αυτή το σχάσιμο υλικό σε αέρια μορφή τοποθετείται σε κοιλότητα μέσα στον πυρήνα, περιβαλλόμενο από ύλες που χρησιμοποιούνται για επιβράδυνση της σχάσης και ανάκλαση των θερμικών ακτινοβολιών. O αντιδραστήρας εγγίζει το κρίσιμο σημείο, το σημείο δηλαδή όπου η σχάση συντηρείται χωρίς περαιτέρω βομβαρδισμό του υλικού με νετρόνια από εξωτερική πηγή, μέσω της ρύθμισης της πίεσης του αερίου. H εκλυόμενη θερμότητα μεταφέρεται άμεσα στο υδρογόνο, το οποίο και εξέρχεται με υψηλή ταχύτητα από το ακροφύσιο. Δυστυχώς όμως, όσο περισσότερο υλικό αναλώνεται με τη σχάση για τη θέρμανση του υδρογόνου, τόσο μειώνεται η διάρκεια της απόδοσης ώσης. Μια αναλογία 1:1 μεταξύ των ατόμων του σχάσιμου αερίου και του υδρογόνου που κατευθύνονται στο ακροφύσιο, παρέχει το 70% της ώσης που θα απέδιδε η εκτόνωση καθαρού υδρογόνου. Μία αναλογία 1:35 επιδρά στην παροχή ώσης λιγότερο από 3%, αλλά με μια τέτοια αναλογία η πίεση, του υδρογόνου είναι κατά 4000 φορές ανώτερη από την αντίστοιχη του σχάσιμου αερίου και η πίεση στην κοιλότητα του πυρήνα φθάνει τις 100.000 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (lb/sq.in) ή τα 7000 kg/cmύ περίπου. Είναι ευνόητο πως ένα σύστημα που λειτουργεί σε τέτοιες συνθήκες πιέσεων απαιτεί επίπονη μελέτη και έρευνα. Εάν πάντως επινοηθεί μια μέθοδος επανακυκλοφορίας του ουρανίου, ώστε ο χρόνος ανάμιξής του με το υδρογόνο να επιμηκυνθεί κατά 100 φορές, τότε η πίεση θα μειωθεί σημαντικά. Ένας τρόπος για να αυξηθεί ο χρόνος παραμονής του αερίου μίγματος του ουρανίου στον πυρήνα είναι η φυγοκέντριση. Έτσι το ουράνιο και το υδρογόνο εισάγονται μεν ομοαξονικά στον πυρήνα, αλλά είναι αδύνατον να αναμιχθούν λόγω φυγοκέντρισης του ουρανίου, ενώ παράλληλα η ταχύτητα εισαγωγής του ουρανίου είναι κατά 50 φορές μικρότερη από την αντίστοιχη του υδρογόνου. Ένας άλλος τρόπος είναι να εγκλωβισθεί το ουράνιο μέσω ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Τέλος θα ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένας σωλήνας ψυχόμενος με υδρογόνο, ώστε να διαχωρίζεται το ουράνιο από το υδρογόνο. Το σύστημα αυτό θα ακολουθούσε μεν τη μέθοδο της ομοαξονικής εισαγωγής αλλά χωρίς φυγοκέντριση. H χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων κατά πρωτογενή τρόπο σε ένα κινητήρα, όπου κατά κύριο λόγο υποκαθιστούν τη λειτουργία του οξειδωτικού (οξυγόνου) των συμβατικών κινητήρων υγρών χημικών καυσίμων, είναι δυνατόν να ακολουθήσει και δευτερογενή κατά μία έννοια τρόπο, καθώς η τοποθέτησή τους σε ένα σκάφος συνιστά την ύπαρξη μιας ισχυρότατης πηγής ισχύος, ασύλληπτης με τα δεδομένα των προηγουμένων δεκαετιών. Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας λοιπόν είναι εφικτό να αποτελεί την πηγή παροχής ενέργειας για τη λειτουργία ενός καθαρά ηλεκτρικού κινητήρα. H ιδέα βέβαια της αντικατάστασης των προϊόντων της χημικής καύσης ενός πυραυλοκινητήρα με φορτισμένα ηλεκτρικά σωματίδια δεν είναι νέα. Στην πραγματικότητα ανήκει στο διάσημο πρωτοπόρο των πυραύλων Robert Gaddard, ο οποίος από το 1906 είχε σημειώσει στο ημερολόγιό του πως οι δυνατότητες των χημικών καυσίμων ήταν περιορισμένες και κατά συνέπεια το μέλλον ανήκε σε άλλες μεθόδους πρόωσης, από τις οποίες η σημαντικότερη ήταν η ηλεκτρική. H επιτάχυνση όμως φορτισμένων σωματιδίων απαιτεί τρομερά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Υποθέτοντας την ύπαρξη ενός κινητήρα που αποδίδει ώση 1lb για πτήση στους πλησιέστερους πλανήτες (Αφροδίτη, 'ρη) απαιτούνται ταχύτητες εκφυγής των σωματιδίων στο ακροφύσιο της τάξης των 50 km/sec περίπου, κάτι που προϋποθέτει την ύπαρξη πηγής ενέργειας ισχύος 100 KW. Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας επιλύει φυσικά το πρόβλημα της ισχύος και ήδη από το 1948 δύο Βρετανοί επιστήμονες, οι L.R. Shepherd και A.V. Cleaver είχαν αποδείξει πως η ελεγχόμενη σχάση θα ήταν δυνατόν να παράσχει την ικανή και αναγκαία σχέση στην αναλογία ισχύος προς μάζα ώστε να είναι πρακτικά επιχειρησιακός ένας ηλεκτρικός κινητήρας για διαπλανητικές πτήσεις. Ένα τέτοιος αντιδραστήρας βέβαια θα παρουσίαζε τον όγκο των γιγαντιαίων εμπορικών αντιδραστήρων της δεκαετίας του _50, ένα γεγονός που καθιστούσε λόγω του μεγέθους του, αδύνατη τη χρήση του στο διάστημα. Παρά ταύτα από τη στιγμή που θεωρητικά το πρόβλημα παροχής ενέργειας είχε επιλυθεί άρχισαν οι προσπάθειες σχεδίασης, που αναμένεται ν_ αποκτήσουν νέα ώθηση κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του _90, καθώς οι έρευνες στη σχεδίαση πυρηνικών αντιδραστήρων για χρήση στο διάστημα έχουν παρουσιάσει τα πρώτα θετικότατα αποτελέσματα (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 78). Πρωτοπόρος στη σχεδίαση ηλεκτρικών κινητήρων υπήρξε ο έμπιστος φίλος και συνάδελφος του Werner Von Braun, Ernst Stuhlinger, ο οποίος βασίστηκε στις επίμονες έρευνες που είχαν διεξάγει κατά τη διάρκεια του B_ Παγκοσμίου Πολέμου οι Γερμανοί σε κινητήρες ιόντων, επιτυγχάνοντας κατά το 1954 να παρουσιάσει έναν ιοντικό κινητήρα καισίου, που παραμένει ένας από τους καλύτερους ηλεκτρικούς κινητήρες που σχεδιάστηκαν ποτέ. ΗΛΕΚΤΡΟΘΕΡΜΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στους κινητήρες αυτούς η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποείται για τη θέρμανση του προωθητικού υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες. Για να επιτευχθεί αυτό, το προωθητικό υλικό υποχρεώνεται σε διέλευση από βολταϊκό τόξο ή από θερμαινόμενες ηλεκτρικά επιφάνειες. Κατά κάποιον τρόπο ο ηλεκτροθερμικός κινητήρας θυμίζει τους συμβατικούς κινητήρες χημικών καυσίμων, διότι παρά το γεγονός ότι δεν μεσολαβεί καύση, τα προωστικά αέρια θερμαίνονται και οδηγούνται στο ακροφύσιο, παρέχοντας ώση. O κινητήρας εμφανίζει ταχύτητες εκφυγής αερίων διπλάσιες από τις αντίστοιχες των συμβατικών γιατί η ενέργεια που μεταδίδεται στο προωθητικό υλικό είναι κατά πολύ ανώτερη της ανάλογης που παράγεται από την καύση. H αύξηση της κινητικότητας των μορίων των αερίων (λόγω διαστολής) απορροφά ενέργεια μέχρις ενός ορισμένου ορίου, χωρίς να προκαλείται άνοδος της θερμοκρασίας, αλλά τελικά υπάρχει πρακτικά ένα όριο στο ποσόν της ενέργειας που είναι δυνατόν να μεταδοθεί στο προωθητικό υλικό, κάτι που οριοθετεί τα ανώτατα επίπεδα στις ταχύτητες εκφυγής στο ακροφύσιο. 'λλοι παράγοντες που επηρεάζουν έμμεσα τις ταχύτητες εκφυγής, είναι η διάβρωση που προκαλεί το βολταϊκό τόξο και η αστοχία διαφόρων υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες. H ανάπτυξη των ηλεκτροθερμικών κινητήρων προχώρησε πολύ χάρη στον Ernst Stuhlinger, φθάνοντας σε αποδοτικότητα το 45%. (H αποδοτικότητα στους κινητήρες εκφράζεται με μια ποσόστωση που χαρακτηρίζει το ωφέλιμο έργο που παρέχουν. Αν λόγου χάρη είχαμε αποδοτικότητα της τάξης του 100%, αυτό θα εσήμαινε ότι ολόκληρη η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε ώση, επιταχύνοντας κάθε σωματίδιο του προωθητικού υλικού στη ζητούμενη ταχύτητα εκφυγής). H ταχύτητα εκφυγής στους ηλεκτροθερμικούς κινητήρες είναι εκ των πραγμάτων λοιπόν περιορισμένη και κατά πάσα πιθανότητα δεν θα χρησιμοποιηθούν σε διαπλανητικές πτήσεις. Είναι όμως δυνατόν να χρησιμοποιηθούν σε πτήσεις μεταξύ Γης-Σελήνης ή σαν βοηθητικοί κατευθυντικοί κινητήρες κινητήρες ελιγμών για μεγάλα μεταγωγικά σκάφη. ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στη σχεδίαση αυτή το προωθητικό αέριο ιονίζεται σχηματίζοντας το πλάσμα που επιταχύνεται προς το ακροφύσιο με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Το πλάσμα αποτελείται από άτομα αερίων, τα οποία μέσω ιονισμού έχουν απωλέσει ένα ηλεκτρόνιο. Τα θετικά ιόντα και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ωθούνται αντίθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης, με μεγάλο βαθμό ελευθερίας σε σχέση με τα ουδέτερα άτομα των αερίων. Το πλάσμα είναι εξαιρετικά καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, ανάλογος από πλευράς αγωγιμότητας με το χαλκό. Όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα παρουσία μαγνητικού πεδίου, υφίσταται την επίδραση μιας δύναμης που δρα ως προς τη φορά της κίνησης κατά τον τρόπο που ήδη έχει περιγραφεί. Το αποτέλεσμα της επίδρασης αυτής είναι η επιτάχυνση του πλάσματος προς το ακροφύσιο με μεγάλη ταχύτητα. O κινήτηρας πλάσματος είναι περίπλοκος και πολλές από τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στον πυρήνα είναι ιδιόμορφες και δυσνόητες. Παρά ταύτα υπόσχεται έναν πολύ καλό ηλεκτρικό κινητήρα με αποτέλεσμα να διεξάγονται πολλές σοβαρές έρευνες για την ανάπτυξή του. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ Στη σχεδίαση αυτή, όπως και στον ηλεκτρομαγνητικό κινητήρα, τα άτομα του προωθητικού υλικού ιονίζονται μεν, αλλά όχι με την απόσπαση ενός μόνο ηλεκτρονίου από κάθε άτομο, καθώς αποσπώνται όλα τα ηλεκτρόνια και επιταχύνονται με την ίδια ταχύτητα προς το ακροφύσιο. Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται λόγω ιονισμού, είναι δυνατόν να απομακρύνονται από τον ιονιστήρα, διαφεύγοντας από το δοχείο με τέτοιον τρόπο, ώστε να διατηρείται η υψηλή τάση στον ιονιστήρα τη στιγμή που τα θετικά ιόντα επιταχύνονται ισχυρά προς το ακροφύσιο λόγω του ηλεκτρικού πεδίου. H ηλεκτρική γεννήτρια του κινητήρα είναι ένα είδος ηλεκτρονικής αντλίας που λειτουργεί εντατικά για να απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τον ιονιστήρα. Έτσι δημιουργείται μια ροή ηλεκτρονίων προς το ακροφύσιο με στόχο την εξουδετέρωση του αναπτυσσόμενου υψηλού θετικού δυναμικού. Εάν η εξουδετέρωση αποτύχει τα θετικά και αρνητικά ιόντα αλληλοδεσμεύονται και ουδέτερα σωματίδια συνωστίζονται στο στόμιο του ακροφυσίου, με αποτέλεσμα ο κινητήρας να αδρανεί τελικά, χωρίς περαιτέρω παροχή ώσης. Οι κινητήρες αυτοί είναι δυνατόν να επιτύχουν αποδοτικότητα της τάξης του 80% με αποτέλεσμα να έχουν γίνει αντικείμενο εντατικών ερευνών με στόχο τη σχεδίαση κινητήρα βαρέων μορίων. Στην περίπτωση αυτή το προωθητικό υλικό απαρτίζεται από βαρέα μόρια αρκετών ατόμων, τα οποία είναι πέντε έως δέκα φορές βαρύτερα από τα άτομα του υδραργύρου (Hg), τα οποία είχαν προταθεί στις πρώτες σχεδιάσεις του Stuhlinger κατά τη διάρκεια της δεκαετίας _60. Λόγω της μεγάλης μάζας των βαρέων μορίων, σε σχέση με τα ιόντα απλών ατόμων, η τάση στον κινητήρα είναι μάλλον υψηλή φθάνοντας τα 100.000V. Έρευνες έχουν διεξαχθεί επίσης στους αποκαλούμενους κολλοειδείς κινητήρες σωματιδίων. Το προωθητικό υλικό έχει κολλοειδή μορφή στερεού σε αέριο και κάθε μικροσκοπικό σωματίδιο που περιέχει αποτελείται από αρκετά μόρια. H θεωρητική αποδοτικότητα φθάνει το 100% σε έναν τέτοιον κινητήρα, αλλά η απαιτούμενη τάση προσεγγίζει τα 1.000.000V. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι εύχρηστοι και σχεδόν ιδανικοί σε περιπτώσεις όπου απαιτείται μικρή σχετικά ώση για μεγάλο χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα να προτιμώνται σαν κατευθυντικοί κινητήρες δορυφόρων ή σαν κινητήρες τροχιακών ελιγμών, ενώ θεωρούνται ιδανικοί για την πρόωση μη επανδρωμένων ανιχνευτικών σκαφών και μεταγωγικών διαπλανητικών οχημάτων (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 81). Παρά το γεγονός ότι παρήλθαν τρεις σχεδόν δεκαετίες από τις επιτυχείς και ελπιδοφόρες δοκιμές πυρηνικών κινητήρων όπως οι Kiwi και Nerva ή ηλεκτρικών όπως ο Sert, η εξέλιξή τους ανακόπηκε με την ακύρωση του προγράμματος Nerva, το οποίο αποτελούσε και τον κεντρικό άξονα όλων των προσπαθειών για μια γενεά εντελώς νέων διαστημικών κινητήρων. Τα αδιέξοδα όμως στα οποία έφθασε η NASA σε πολλούς τομείς, ανάγκασαν την ομάδα με τον κωδικό ΣΥΝΘΕΣΗ (Synthesis Group) που σχηματίστηκε το 1990 με πρωτοβουλία του Λευκού Οίκου να επανέλθει στο ζήτημα της θερμοπυρηνικής πρόωσης. H ομάδα αυτή υποστηρίζεται εκτός από το κέντρο Lewis και από το κέντρο Johnson που μελετά φακέλους πτήσεων για τη Σελήνη και τον 'ρη, συντονίζοντας στον τομέα αυτόν τις προσπάθειες πολλών ερευνητικών ομάδων. Στο κέντρο Lewis, η όλη προσπάθεια οφείλεται κυρίως στο έργο του πυρηνικού μηχανικού Stanley Borowski. Όπως και οι προγενέστεροι von Braun και Stuhlinger, o Borowski έχει καταλήξει σε μια οικογένεια διαστημικών οχημάτων, συμβατών με έναν κεντρικό πυρήνα που περιέχει τους κινητήρες. Το κόστος ανάπτυξης και εφαρμογής του προγράμματος εκτιμάται σε 3 έως 5 δις δολάρια, ενώ το ανάλογο κόστος για κινητήρες χημικών καυσίμων κυμαίνεται από 10 έως 16 δις δολάρια. Θεωρώντας μια ευνοϊκή εξέλιξη του προγράμματος είναι δυνατόν να επαναδραστηριοποιηθούν αποστολές προς τη Σελήνη μεταξύ του 2000 έως 2005, ενώ είναι δυνατόν να ξεκινήσουν οι αποστολές προς τον 'ρη μεταξύ του 2014 έως 2019, χάρη στην ευνοϊκή (από πλευράς αποστάσεων) θέση Γης και 'ρη. Στις δοκιμές που προγραμματίζονται η αφετηρία είναι ένας θερμοπυρηνικός κινητήρας με χρονική διάρκεια ώσης 825 sec και ώση 75.000 lb, παράγωγο του Nerva. Όπως και ο Nerva, ο πυρήνας του είναι ένας αντιδραστήρας συμπαγούς πυρήνα με _καύσιμο_ εξαγωνικές ράβδους καρβιδίου του ουρανίου και γραφίτη σαν επιβραδυντικό υλικό. H ισχύς του αντιδραστήρα φθάνει τα 1650 MW σε θερμοκρασία 2250ψC. Με μια σειρά βελτιώσεων, όπως αντικατάσταση του πυρηνικού καυσίμου με καρβίδια του ουρανίου και του ζιρκονίου και λόγω διαφυγής 500:1 στο ακροφύσιο, η πίεση στον πυρήνα ανέρχεται στα 1000 psi και η θερμοκρασία τους 2450ψC. Με ελαφρές σχετικά βελτιώσεις και στη δομική σχεδίαση, ο κινητήρας αυτός είναι δυνατόν να προσφέρει διάρκεια ώσης 925 sec με λόγο ώσης προς μάζα 4:1. Για μια πτήση προς τον 'ρη απαιτούνται 120-180 ημέρες για τη μετάβαση, 600 ημέρες παραμονή και 90 ημέρες για την επάνοδο ακολουθώντας τον τροποποιημένο από την Saic φάκελο πτήσης του Hohman (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 71). H μικρή διάρκεια της πτήσης (Opposition Class Trajectory) μειώνει αισθητά την έκθεση του σκάφους στη γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία. Το επανδρωμένο σκάφος προβλέπεται να διαθέτει 2 ή και 3 θερμοπυρηνικούς κινητήρες, ενώ είναι δυνατόν να συνδυασθεί με αποστολή ενός αργού μεταγωγικού μη επανδρωμένου σκάφους με ένα θερμοπυρηνικό κινητήρα, εάν προτιμηθεί ο φάκελος διπλής πτήσης της Saic (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 71), που έχει χαρακτηριστεί σαν Split-Sprint Trajectory . Για το σεληνιακό όχημα προτείνεται ένας θερμοπυρηνικός κινητήρας, ενώ η συνολική μάζα σε χαμηλή περιγήινη τροχιά (LEO) φθάνει τους 218 μετρικούς τόννους. Τα τμήματα του σκάφους συναρμολογούνται σε τροχιά και υπολογίζεται ότι απαιτείται μία πτήση αεροδιαστημοπλάνου για τη μεταφορά του τμήματος που περιέχει τον κινητήρα, ενώ για τα υπόλοιπα τμήματα: δεξαμενές, φορτία και εξοπλισμός απαιτούνται ισχυροί πύραυλοι-φορείς ώσης 150.000 lb (Heavy-Lift). Έτσι ενώ για το σεληνιακό όχημα απαιτούνται 2 πύραυλοι-φορείς για τη μεταφορά των τμημάτων, το όχημα για τον 'ρη απαιτεί 5 πυραύλους-φορείς για το στάδιο της συναρμολόγησης. H έρευνα(*) στο κέντρο Lewis επιδοτήθηκε με 5.000.000 δολάρια για το 1992, έναντι 500.000 δολαρίων το 1991, αλλά από την άλλη πλευρά και η Ρωσία έχει κληρονομήσει ένα σοβαρό πρόγραμμα θερμοπυρηνικών κινητήρων με αντιδράσεις συμπαγούς πυρήνα, οι οποίοι λειτουργούν σε θερμοκρασίες 3150ψC, δηλαδή κατά πολύ υψηλότερες του επιπέδου των 2100ψC του Nerva. Είναι πολύ πιθανόν η Nasa να προμηθευθεί για αξιολόγηση έναν τέτοιο κινητήρα μέσα στο 1992, ακολουθώντας μια πρακτική που εφήρμοσε και το 1991 για την αγορά του ρωσικού αντιδραστήρα Topaz έναντι 10.000.000 δολαρίων (ΠΤΗΣΗ, τεύχος 78). Παράλληλα στο κέντρο Lewis εντείνονται οι έρευνες στα προγράμματα ηλεκτρικών κινητήρων που είχαν διακοπεί και ιδιαίτερα σε ηλεκτρομαγνητικούς που λειτουργούν με μετατροπή του υδρογόνου σε πλάσμα και ηλεκτροστατικούς που λειτουργούν με ιονισμό αργού ή ξένου. Οι κινητήρες αυτοί είναι ικανοί να παράσχουν διάρκεια ώσης από 5.000 sec έως 10.000 sec. Δυστυχώς οι κινητήρες αυτοί παρουσιάζουν χαμηλό λόγο ώσης προς βάρος κάτι που επιβάλλει μετά από τη συναρμολόγηση του σκάφους σε χαμηλή περιγήινη τροχιά (LEO), την αργή μετάβαση σε υψηλή τροχιά για εκτόξευση. H μεγάλη τεχνολογική πρόκληση για τους ηλεκτρικούς κινητήρες είναι η αύξηση της ώσης χωρίς παράλληλη αύξηση όγκου και μάζας, κάτι ιδιαίτερα δύσκολο καθώς ο αντιδραστήρας που χρησιμοποιείται για την παροχή ισχύος απαιτεί μεγάλες διατάξεις απαγωγής θερμότητας ή άλλα ειδικά υλικά που περιέχουν ψυκτικούς αγωγούς διαρρεόμενους από υγρά μέταλλα. H επανεμφάνιση όμως αυτής της επανάστασης στους διαστημικούς κινητήρες, σηματοδοτεί το σημαντικότερο ίσως άλμα μετά από τις πρώτες πτήσεις στη Σελήνη, στον τομέα του διαστήματος, καθώς είναι η μόνη ικανή προς τον παρόν, να αποδεσμεύσει τις διαστημικές υπηρεσίες από τον εφιάλτη των περιοριστικών συνθηκών που επιβάλλουν οι συμβατικοί κινητήρες υγρών καυσίμων. (*) Συμπεριλαμβάνει και το πρόγραμμα Timberwind, παράγωγο του Phoebus της δεκαετίας του _60. B O X ΕΝΑΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥΣ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ O Topaz ήταν ο πρώτος αντιδραστήρας που δοκιμάστηκε στο διάστημα και μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς τη μεσολάβηση θερμοσυζευκτών χάρη στην εφαρμογή της θερμιονικής μεθόδου, πολλαπλασιάζοντας έτσι την απόδοση (με τη θερμιονική μέθοδο ηλεκτρόνια φέρονται σε σημείο βρασμού και αγόμενα σε ψυχρότερη επιφάνεια προκαλούν διαφορά δυναμικού), η επιτυχία του οποίου οδήγησε τη Nasa στη σχεδίαση του SP-100. O SP-100 έχει δυνατότητα παραγωγής 100 KW ηλεκτρικής ενέργειας (δεκαπλάσια του Topaz-3) από 2.5 MW θερμικής ενέργειας. Περιέχει περίπου 190 κιλά νιτριδίου του ουρανίου, εμπλουτισμένου κατά 96% με το σχάσιμο ισότοπο του ουρανίου U-235. Ολόκληρος ο αντιδραστήρας έχει βάρος 3000 κιλά με λόγο μάζας προς ισχύ 30 κιλά/kW. Εκτός από μια μικρή θερμική ασπίδα που προστατεύει το κυρίως τμήμα του σκάφους που εξυπηρετεί, δεν διαθέτει άλλη θωράκιση. Ψύχεται από υγρό λίθιο που διαρρέει μέσω αγωγών τα ηλεκτρικά κύτταρα, δηλαδή τα κυκλώματα, με διόδους από διαφορετικά μέταλλα, που έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπουν σε διαφορά δυναμικού τις διαφορές θερμοκρασίας. Μόλις 4% της εκλυόμενης θερμότητας μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το πλεόνασμα ακτινοβολείται στο διάστημα με διατάξεις απαγωγής θερμότητας, κάθε μία από τις οποίες έχει επιφάνεια περίπου 100 mύ. H πρώτη δοκιμή του SP-100 σε πτήση αναμένεται μετά το 2000, καθώς το κόστος ανάπτυξής του είναι υψηλό, φθάνοντας το 1 δις δολάρια. Mission Module Κύριο Σκάφος Thermal Shield Θερμική Ασπίδα Boom Ικρίωμα Σύνδεσης Radiator Pannels Διατάξεις Απαγωγής Θερμότητας Power Converters Μετατροπείς Ενέργειας Reacor Αντιδραστήρας A. ΛΕΖΑΝΤΑ ΕΝΘΕΤΟΥ: Σχεδιάση του SP-100 από H/Y. ΛΕΖΑΝΤΕΣ Σκάφος με πυρηνικό αντιδραστήρα και ηλεκτρικούς κινητήρες κατά τη θεωρία των L.R. Shepherd και A.V. Cleaver σε αναπαράσταση του 1951 από τον Leslie Carr, βάσει σχεδίων του R.A. Smith της BIS (British Interplanetary Society) Χρησιμοποιήθηκε από τον 'ρθουρ Κλάρκ στο βιβλίο του _H Εξερεύνηση του Διαστήματος_ (Exploration of Space). O θερμοπυρηνικός κινητήρας NERVA της Αεροτζέτ. Δοκιμή εδάφους του ηλεκτροθερμικού κινητήρα SERT που σχεδιάστηκε από τον Ernst Stuhlinger. Αναπαράσταση ενός σκάφους με ηλεκτρομαγνητικούς κινητήρες της Boeing Aerospace με δυνατότητα μεταφοράς πληρώματος 8 ατόμων στον Κρόνο (1966). O θερμοπυρηνικός κινητήρας δοκιμών εδάφους Kiwi. Παρά τη φαινομενική του απλότητα, ο θερμοπυρηνικός κινητήρας NERVA, είναι ιδιαίτερα περίπλοκος λόγω των προδιαγραφών εντολής των δομικών του υλικών σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες. Σχέδιο της General Electric για ένα σκάφος με ηλεκτρικούς κινητήρες και πυρηνικό αντιδραστήρα για παροχή ενέργειας που συναρμολογείται σε Χαμηλή Περιγήινη Τροχιά (LEO). Το σκάφος αυτό ακολουθώντας το φάκελο πτήσης του Hohman, είναι θεωρητικά δυνατό να καλύψει αποστολή 400 ημερών στον 'ρη (μετάβαση, παραμονή 30 ημερών και επάνοδος), με πλήρωμα 8 ημερών. Το ίδιο σχέδιο της General Electric, όπου το σκάφος έχει εισέλθει σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη 'ρη, ενώ το όχημα προσεδάφισης με πλήρωμα 4 ατόμων κατευθύνεται προς τον Ερυθρό Πλανήτη. Λειτουργικό διάγραμμα κινητήρα με αντιδραστήρα συμπαγούς πυρήνα. 1. Εισαγωγή προωθητικού υλικού. 2. Αντλία. 3. Στρόβιλος. 4. Αγωγοί κυκλοφορίας προωθητικού υλικού για την ψύξη του θαλάμου καύσης. 5. Αγωγοί παράκαμψης για τη λειτουργία του στροβίλου. 6. Εξαγωγή στροβίλου. 7. Ράβδοι