TTK-s Nyúz XXVII/8, 2003. november 12.

Atomenergia és űrkutatás

Mivel működnek az űrhajók, űrszondák, műholdak? Mindenki láthatta már a tévében: hatalmas rakéták juttatják Föld körüli pályára őket. Ezekben az eszközökben kémiai energia dolgozik, például ami a H₂ és O₂ egyesülésekor felszabadul, aminek hatására a gáz nagy sebességgel áramlik ki hátul, ez adja a tolóerőt. Odafent az űrben is hasonló rakétákat használnak, ha kisebb pályakorrekciókra van szükség, vagy ha egy űrszondát egy másik bolygóhoz kell eljuttatni.

A műszereknek aztán, legyen az a Voyager űrszonda kamerája vagy a Nemzetközi Űrállomás létfenntartó berendezése, áramra van szükségük. Az áramot pedig - szintén ismerős lehet - nagy napelemcellákból szokták nyerni. Ha kevesebb is elég, kémiai telepeket is használhatunk, és újabban megjelentek az üzemanyagcellák is. Vajon a kémiai és a napenergiával minden lehetséges energiaforrást kihasználtunk? Nézzük csak, szélerőművet például biztos nem vihetünk fel, meg duzzasztógátat sem... viszont épp fél évszázada használjuk a maghasadást, és egy évszázada ismerjük a radioaktivitást. Miért ne alkalmaznánk? Alkalmazzuk is: az űrkutatás kezdete óta a mai napig használnak ilyen energiaforrásokat.

Legmegbízhatóbbak a radioizotópos generátorok. Ezek egy radioaktív anyag bomlásakor felszabaduló hőt alakítják elektromos árammá. A hő árammá alakítása a jelenleg használt rendszerekben hőcserélő közegek és turbinák helyett statikus folyamatokkal történik, amikhez nincs szükség mozgó alkatrészekre. Ilyen a termoelem, ami azon alapul, hogy ha két különböző fémből zárt áramkört készítünk, és a két érintkezést különböző hőmérsékleten tartjuk, feszültség indukálódik. Másik lehetőség a termionikus átalakító, ami lényegében egy elektroncső. Radioizotópos termoelektromos generátorokat (RTG) használtak az Apollo, a Pioneer, a Voyager és számos egyéb misszió során, csakúgy mint katonai és polgári műholdakon. Az első RTG-k mindössze néhány Watt teljesítményt adtak. Ma a Szaturnusz felé tartó Cassini űrszonda összesen 30 kg plutóniumot tartalmazó három darab RTG-je 800 W együttes teljesítményt nyújt.

A termoelektromos átalakítók előnye egyszerűségük: a mozgó alkatrészek hiánya miatt igen megbízhatóak. Hátrányuk viszont, hogy nem elég hatékonyak. Az alaposan tesztelt, de "élesben" még nem használt Stirling konverter, amely előbb mechanikai energiává, abból váltóárammá, végül egy AC/DC átalakítóval egyenárammá alakítja a hőt, négyszer olyan hatékonynak bizonyult, mint az RTG-k.

Még több energia nyerhető a maghasadásból. És valóban, ahol még több energiára volt szükség, ott inkább reaktorokat használtak - igaz, Amerika csak egyetlen egyszer lőtt fel ilyen műholdat, 1965-ben a Snapshotot. Ez ma is a Föld körül kering, bár csak 43 napig működött. Ez a megoldás sokkal elterjedtebb volt a szovjetek körében. A 70-es, 80-as években például 33 RORSAT radarfelderítő műholdat használtak, valamennyit egy egy tonna tömegű, 30 kg erősen dúsított uránnal töltött reaktor működtette. Az ellenséges hajók után kutató radarok két kilowattot fogyasztottak. A reaktorok hőjét csöveken keresztül vezetik ki a reaktormagból (a RORSAT-ok esetében például folyékony nátrium volt a hőszállító közeg), utána pedig az RTG-knél is leírt módokon lehet áramot fejleszteni belőle.

Talán ideje a biztonságról is szólni egy kicsit. A radioizotópos generátoroknál az amerikaiak a bezárás elvét követték, vagyis valamennyi RTG-ben a plutónium kapszulák erős tokban vannak, amelyek a szerkezet nem tervezett, az atmoszférába való visszatérésekor, vagy a hordozórakéta esetleges felrobbanásakor sem sérülnek meg. Mi több, ez az anyag alfa-sugárzó, így az embert csak a testbe jutva tudja komolyan károsítani. Az anyagot azonban plutónium-oxid formájában használják: ez egyrészt nem porzik, hanem nagy darabokban törik, másrészt vízben nem oldódik, így kicsi az esély, hogy bekerüljön a táplálékláncba. A módszer sikerességét két amerikai baleset demonstrálta, az egyik esetben még újra is tudták használni a megtalált kapszulát. Az orosz reaktoroknál a jelenlegi eljárás az anyagok egyenletes eloszlatása: a légkörbe lépés előtt a reaktormag szeparálódik az űreszköztől, ez biztosítja, hogy a visszatérés során a légkörben teljesen szétporladjon. Ennek szükségessége egy 1978-as baleset után vált nyilvánvalóvá, amikor egy RORSAT félig-meddig feldarabolódott radioaktív részei beterítették Kanada északi területeit. Normális esetben ezeket a műholdakat - mivel igen alacsony magasságban működtek, ahonnan a légköri fékezéstől egy éven belül lezuhantak volna - kikapcsolásuk előtt feljuttatták ezer km-es magasságba. Itt évszázadokig pihenhetnek, miközben radioaktivitásuk valamelyest csökken. Körülbelül egy tonna dúsított uránium várja a jövőt ebben a magasságban.

A RORSAT olyan egyszerű konstrukció volt, hogy még árnyékolás sem nagyon volt rajta a reaktor sugárzása ellen - ez olykor más, tudományos célú műholdak méréseit is befolyásolta. Később aztán sokféle reaktort fejlesztettek, az utolsó a TOPAZ volt, amelyből aztán 1991-ben az USA is vásárolt kettőt, hogy felélessze az űrmissziókra szabott reaktorok programját. A dolog pár év múlva költségvetési megszorítások miatt elhalt. 2003-ban azonban a NASA elindította a Prometheus projektet, amely mind a radioizotópos, mind a reaktoros technológiák továbbfejlesztését tűzte ki célul. A kifejlesztendő reaktort először a JIMO ("Jupiter jeges holdak orbiter") nevű misszióban használnák. A Jupiter már valóban túl messze van a Naptól ahhoz, hogy érdemes legyen napelemeket használni. Bár egyesek szerint a - nukleáris technikával nem rendelkező - Európai Űrügynökség által fejlesztett egyre hatékonyabb napelemekkel ez sem lenne lehetetlen. Mindenesetre a fedélzeten rendelkezésre álló nagyobb energia nemcsak több, nagyobb és jobb műszereket tenne lehetővé, hanem magát a meghajtást is ez biztosítaná. 1998-ban ugyanis a pusztán a Nap fényére hagyatkozó Deep Space 1 misszió demonstrálta, hogyan lehetséges rakéták helyett elektromos árammal működő hajtóművet használni. A Borelly-üstököst meglátogató szondát ionhajtómű gyorsította. Ennek az ötletét már a rakéták atyja, Wernher von Braun is felvetette. Az ionhajtóműben a hajtóanyagként szolgáló gázt (pl. xenont) ionizálják, majd az ionok elektromos térben nagy sebességre gyorsulva távoznak hátul. Ilyet használna a JIMO is a Jupiter holdjainak meglátogatásához.

Nukleáris hajtómű szállítása

De minek így bonyolítani a dolgokat, amikor a reaktort közvetlenül a hajtóműbe is építhetjük? Őrült ötletnek hangzik? Pedig Los Alamosban már 1955-ben elkezdtek előbb megfelelő reaktorokat, majd azokon alapuló nukleáris meghajtású rakétákat tervezni. Három reaktorsorozatot is kifejlesztettek. A NERVA program végére egy működőképes hajtómű állt rendelkezésre. A hajtómű lelkét alkotó reaktort sokszáz vékony járat keresztezi. A csövekbe bevezetett folyékony hidrogén elnyeli a hőt és igen gyorsan 3000 °C-os gázzá alakul, amely a fúvókákon át 35 000 km/óra sebességgel távozik. Ugyanez működteti a szivattyúkat is, miközben akár áramtermelésre is használhatjuk a reaktort a konvencionális módokon.

Az elkészült NERVA

A nukleáris rakéták egyik előnye, hogy hosszabb ideig tartó és nagyobb gyorsulást tudnak biztosítani hagyományos társaiknál. Ez különösen emberes küldetéseknél fontos, lerövidítendő az utazással töltött időt. Célszerű ugyanis minimalizálni a súlytalanság, az űrben tapasztalható káros sugárzások, a tétlenség, a be- és összezártság hosszú távon jelentkező hatásait. 1960-ban még az évtized végére a Holdat megcélzó expedíció lebegett a tervezők szeme előtt, amihez a NERVA adta volna a hordozórakéta harmadik fokozatát. A programtól azonban a kezdeti sikerek ellenére megvonták a támogatást, és 1971-ben megszűnt. A nyolcvanas években aztán Reagan elnök csillagháborús tervei kapcsán sikerült újraindítani a kutatásokat. A korábbinál kisebb és hatékonyabb konstrukció mozgatta volna a megálmodott, felettünk keringő rakétavédelmi lézerágyúkat. A sikerek ellenére újabb "csapás" jött: véget ért a hidegháború. Ennek ellenére, ha nem is teljes erővel, de ma is folytatódnak a bíztató fejlesztések. A jelenlegi verzió, a MITEE nevű hajtómű több tonnás ősei helyett már csak 140 kg tömegű és 50 cm átmérőjű. Segítségével kb. felére csökkenhet az űrszondák utazási ideje a külső bolygókhoz, például öt év alatt elérhetővé válna a Plútó, majd a Naprendszer még távolabbi régiói.

Egyesek egy még többet ígérő terv felélesztésében reménykednek. A GCNR (gáz zónájú nukleáris hajtómű) elve, hogy szilárd helyett gáz halmazállapotú lenne az üzemanyag, mármint az urán. A több tízezer fokra fűtött, plazma állapotú üzemanyag a hajtóanyagot, a hidrogént is sokkal magasabb hőmérsékletre hevíthetné. Régen csak elméleti szintig jutottak, de ma már létezik a hatvanas években még hiányzó számítástechnikai kapacitás a plazma viselkedésének szimulációjához.

A jelenlegi technikákkal egy emberes küldetés a Marsra úgy tűnik, legalább 400-500 napig tartana. A Föld-Mars közelség idején indulnának az űrhajósok, ám mire a Marsra érnének, a pályáján gyorsabban mozgó Föld már annyira eltávolodna, hogy kénytelenek lennének több mint egy évet várni, mire újra földközelbe kerülnek. Valamivel jobb rakétákkal, speciális pályán lehetőség van arra, hogy rövid Mars-tartózkodás után mégis a Föld nyomába eredjenek, ekkor viszont az utazásra kéne több időt szánni. Nukleáris rakétákkal lenne rá esély, hogy talán felére-harmadára csökkentsék a küldetés teljes időtartamát.

Koronczay Dávid
fu@hali.elte.hu