En månkärnreaktor

Forskare vid NASA och Department of Energy testade nyligen nyckelteknologier för att utveckla en kärnklyvningsreaktor som kan driva en mänsklig utpost på månen eller Mars. Testerna bevisar att byråerna kan bygga ett säkert, pålitligt och effektivt system till 2020, året NASA planerar att återvända människor till månen.

Genererar kraft: En kraftomvandlingsenhet som består av två Stirling-motorer, som sitter mittemot varandra, är inställd för testning vid NASA:s Marshall Space Flight Center. Pumpad flytande metall används för att överföra värme från reaktorn till motorerna, där den omvandlas till elektricitet.

En fissionsreaktor fungerar genom att splittra atomer och frigöra energi i form av värme, som omvandlas till elektricitet. Idén med att använda kärnkraft i rymden går tillbaka till slutet av 1950-talet, då de övervägdes att tillhandahålla framdrivning genom Project Orion. På 1960-talet utvecklades en serie kompakta, experimentella rymdkärnreaktorer av NASA under Systems Kärnkraft program. Men oro för den allmänna säkerheten och ett internationellt fördrag som förbjuder kärnvapen i rymden stoppade utvecklingen.

Nu övervägs kärnkraft för mån- och Marsuppdrag eftersom den, till skillnad från alternativ som solenergi, kan ge konstant energi, en nödvändighet för mänskliga livsuppehållande system, ladda rovers och bryta resurser. Solenergisystem skulle också kräva användning av energilagringsenheter som batterier eller bränsleceller, vilket tillför oönskad massa till systemet. Solkraften är ytterligare begränsad eftersom månen är mörk i upp till 14 dagar åt gången och har djupa kratrar som kan skymma solen. Mars är längre bort från solen än antingen jorden eller månen, så mindre solenergi kan skördas där.

Det nya kärnkraftssystemet är en del av ett NASA-projekt som startade 2006, kallat Fission Ytkraft , som undersöker små reaktorer som är designade för användning på andra planeter. Medan kärnkraften fortfarande är kontroversiell säger forskarna att reaktorn skulle vara designad för att vara helt säker och skulle begravas på säkert avstånd från astronauterna för att skydda dem från all strålning den skulle generera.

De senaste testerna undersökte teknik som skulle se en kärnreaktor kopplad till en Stirling-motor som kan producera 40 kilowatt energi – tillräckligt för att driva en framtida mån- eller Mars-utpost.

Vi bygger inte ett system som behöver hundratals gigawatt kraft som de som producerar el till våra städer, säger Don Palac, projektledare på NASA Glenn Research Center i Cleveland, OH. Systemet måste vara billigt, säkert och robust och våra senaste tester visade att vi framgångsrikt kan bygga det, säger Palac.

För att generera elektricitet använde forskarna en flytande metall för att överföra värmen från reaktorn till Stirlingmotorn, som använder gastryck för att omvandla värme till den energi som behövs för att generera elektricitet. För testerna använde forskarna en icke-nukleär värmekälla. Den flytande metallen var en natriumkaliumblandning som har använts tidigare för att överföra värme från en reaktor till en generator, säger Palac, men det är första gången denna blandning har använts med en Stirlingmotor.

De är mycket effektiva och robusta, och vi tror att det kan pågå i åtta år utan uppsikt, säger Lee Mason, huvudutredaren för projektet på Glenn. Systemet fungerade bättre än väntat, säger Palac, och genererade 2,3 kilowatt kraft i en jämn takt.

Svalkar: Marc Gibson, en testingenjör från NASA, inspekterar kylarpanelen som används för att kyla klyvningskraftsystemet som testas vid Glenn Research Center. Panelen är sex fot med nio fot. Tjugo sådana radiatorer skulle behövas för ett fullskaligt system.

Forskarna utvecklade också en lätt kylarpanel för att kyla systemet och avleda värmen från reaktorn. Prototyppanelen är cirka sex fot gånger nio fot - en tjugondel av storleken som krävs för ett fullskaligt system. Värme från ett vattenkylningssystem cirkuleras till radiatorn där den försvinner.

Forskarna testade radiatorpanelen i en vakuumkammare på Glenn som replikerar avsaknaden av atmosfär och de extrema temperaturerna på månen – från över 100 grader Celsius på dagen till under 100 grader Celsius på natten. Panelen förbrukade sex kilowatt energi, mer än förväntat - ett mycket framgångsrikt test, säger Palac. På månen måste panelen också överleva den dammiga miljön som orsakas av regoliten.

Slutligen testade forskarna prestanda hos Stirling-generatorn i en strålningsmiljö kl Sandia National Laboratories i Albuquerque, NM. Målet var att testa motorns prestanda, för att säkerställa att materialen inte skulle försämras. Generatorn utsattes för 20 gånger den mängd strålning den skulle förvänta sig att se under sin livstid och klarade sig utan några större problem.

Mason säger att testerna är mycket viktiga för att visa systemets genomförbarhet och att nästa steg är att forskarna genomför en fullständig systemdemonstration, genom att kombinera en icke-kärnreaktorsimulator med Stirlingmotorn och kylarpanelen. Han säger att dessa tester ska vara klara 2014.

Forskarna arbetar också med kraftöverföring och elektronik i systemet. En månbas behöver mycket kraft för saker som datorer, livsuppehållande och för att värma upp stenar för att få ut resurser som syre och väte, säger Ross Radel, en senior medlem av den tekniska personalen och en del av gruppen för avancerade kärnkraftskoncept på Sandia . Hans grupp arbetar med systemdynamisk analys, en datormodell som förutsäger hur reaktorn kommer att prestera under testning. Kärnkraft är en språngbräda för att ta sig vidare ut i bemannad rymdutforskning, säger Radel.

Det är ett fascinerande projekt och den enda möjliga metoden att ge ström för en bemannad resa till Mars, säger Daniel Hollenbach, en forskare inom kärnkraftsvetenskap och teknikavdelningen vid Oak Ridge National Laboratory, som inte var involverad i projektet.

Mason säger att kärnklyvning är ett av ett antal koncept som testas som en kraftkälla för mänskliga uppdrag till månen och Mars, och om den väljs ut, säger han att tekniken kan användas till 2020.

Dölj