طاقة نووية في الفضاء

الطاقة النووية في الفضاء هي استخدام الطاقة النووية الكامنة في الفضاء الخارجي، وتكون عادةً إما أنظمة انشطار صغيرة أو انحلال إشعاعي للكهرباء أو الحرارة. وهناك استخدام آخر لها في الملاحظة العلمية، كما في مقياس طيف موسباور (Mössbauer spectrometer). وتُعد بطارية النظائر المشعة أحد الأنواع الشائعة، والتي استُخدمت في العديد من المسابير الفضائية وفي البعثات القمرية المأهولة، وهناك نوعٌ آخر وهو مفاعلات الانشطار الصغيرة للأقمار الصناعية لرصد الأرض مثل مفاعل توباز النووي (TOPAZ nuclear reactor).^[1] وتوفر وحدة التسخين من النظائر المشعة الحرارة، وذلك من خلال الانحلال الإشعاعي للمواد، وقد تنتج طاقة حرارية لعقودٍ من الزمان.^[2]

وقد أرسلت روسيا ما يقرب من 40 مفاعلاً في الفضاء ويمكن لمفاعلها توباز-2 (TOPAZ-II) إنتاج 10 كيلووات.^[3] وتستخدم عائلة مفاعل روماشكا (Romashka reactor) اليورانيوم وتوجه التحويل الكهربي الحراري للكهرباء، بدلاً من استخدام السائل الساخن لدفع التوربينة.^[4] وقد اختبرت الولايات المتحدة مفاعلاً نوويًا في الفضاء لمدة 43 يومًا في عام 1965.^[3] وعلى الرغم من عدم اختباره بعد في الفضاء، فإن تجربة توضيح الانشطار باستخدام حاملة طائرات (DUFF) التي أجريت في 13 سبتمبر 2012 كانت الاختبار الأول لنظام طاقة المفاعل النووي بالنسبة للفضاء منذ ذلك الحين.^[5]

تتضمن أمثلة الطاقة النووية لأنظمة دسر الفضاء الصاروخ الكهربائي النووي (الدسر الكهربائي النووي) وصاروخ النظائر المشعة والدسر الكهربائي للنظائر المشعة (REP).^[6] ويُعد الصاروخ الحراري النووي واحدًا من الكثيرين الذين تم اكتشافها، وقد تم اختباره في برنامج المحرك النووي لتطبيق المركبة الصاروخية (NERVA).

الفوائد

بينما تعتبر الطاقة الشمسية أكثر شيوعًا في الاستخدام، يمكن أن تقدم الطاقة النووية مميزات في بعض المجالات. يمكن أن تستخدم الخلايا الشمسية فقط في تزويد المركبات الفضائية، الموجودة بالمدارات حيث التدفق الشمسي المرتفع، بالطاقة على نحو فعال، مثل المدار الأرضي المنخفض والوجهات بين الكوكبية القريبة بما يكفي من الشمس. وبخلاف الخلايا الشمسية، يمكن أن تعمل أنظمة الطاقة النووية بشكل مستقل عن ضوء الشمس، وهو أمر ضروري بالنسبة لرحلات استكشاف الفضاء العميق. يمكن أن تكون كتلة الأنظمة النووية أقل من الخلايا الشمسية المكافئة لها في الطاقة المُولَّدة، ما يسمح ببناء مركبات فضائية أصغر يسهل تغيير وضعيتها وتوجيهها في الفضاء. وفي حالة الرحلات الفضائية المأهولة، يمكن أن تقلل بعض تصورات الطاقة النووية، التي تستخدم في توليد الطاقة لأنظمة دعم الحياة وأنظمة الدفع، من تكلفة ووقت الرحلة.^[7]

تتضمن التطبيقات والتقنيات المختارة للفضاء:

الأنواع

أنظمة النظائر المشعة

على مدار أكثر من خمسين عامًا، استُخدمت بطاريات النظائر المشعة (RTG) باعتبارها المصدر النووي الرئيسي للطاقة في الفضاء بالولايات المتحدة. تقدم هذه البطاريات العديد من المميزات؛ فهي آمنة نسبيًا، ولا تحتاج إلى صيانة، وتتحمل الظروف القاسية، ويمكن أن تعمل على مدار عقود من الزمن. يُفضل استخدام هذه البطاريات تحديدًا في الأجزاء البعيدة من الفضاء، والتي تصبح فيها الطاقة الشمسية غير عملية. استُخدمت العشرات من هذه البطاريات في 25 مركبةً فضائيةً مختلفةً بالولايات المتحدة، ويعمل بعضها على مدار أكثر من 20 عامًا. استُخدمت أكثر من 40 بطاريةً للنظائر المشعة عالميًا (بالولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي بشكل رئيسي) في البعثات الفضائية.^[8]

ينتج مولد ستيرلنغ المتقدم للنظائر المشعة (ASRG)، وهو طراز من مولد ستيرلنغ للنظائر المشعة (SRG)، طاقةً كهربائيةً تعادل أربع مرات الطاقة التي تنتجها بطارية النظائر المشعة الواحدة لكل وحدة من الوقود النووي، ولكن من غير المتوقع أن تكون الوحدات القائمة على تقنية ستيرلنغ جاهزةً للطيران إلى الفضاء قبل عام 2028.^[9]

تضم مولدات الطاقة بالنظائر المشعة ما يلي:

أنظمة الطاقة النووية المساعدة (SNAP-19, SNAP-27)
مولدات النظائر المشعة بقدرة عدة مئات من الواط (MHW-RTG)
مولدات النظائر المشعة ذات مصدر حراري للأغراض العامة (GPHS-RTG)
مولدات النظائر المشعة متعددة المهام (MMRTG)
مولدات ستيرلنغ المتقدمة للنظائر المشعة (ASRG)

تستخدم وحدات التسخين بالنظائر المشعة (RHU) أيضًا في المركبات الفضائية لتدفئة الأجهزة العلمية حتى تصل إلى درجة الحرارة المناسبة لتعمل بكفاءة.

اقتُرح استخدام النظائر المشعة بطيئة التحلل على متن المسابير بين النجمية التي تصل فترة عملها إلى عدة عقود.^[10]

وبدءًا عام 2011، كان الاتجاه الآخر للتطوير قائمًا على مولدات النظائر المشعة بمساعدة التفاعلات النووية دون الحرجة.^[11]

المرئيات

قذيفة ملتهبة تتضمن انحلالاً نوويًا خاضعًا للبلوتونيوم، داخل المولد الحراري الكهربي للنظائر المشعة متعددة المهام الخاص بـ مختبر علوم المريخ.^[12] وقد تم إطلاق مختبر علوم المريخ في عام 2011 وهبط على كوكب المريخ في أغسطس 2012.

المظهر الخارجي للمولد الحراري الكهربي للنظائر المشعة متعددة المهام الخاص بمختبر علوم المريخ

مصنع الطاقة النووية الفضائية للمفاعل إس إن إيه بي-10أ (SNAP-10A)، حيث توضح الصورة الاختبارات التي تمت له على الأرض، وتم إطلاقه إلى المدار في ستينيات القرن العشرين.

المراجع

^ Hyder، Anthony K. (2000). Spacecraft Power Technologies. Imperial College Press. ص. p. 256. {{استشهاد بكتاب}}: |صفحات= يحتوي على نص زائد (مساعدة) والوسيط author-name-list parameters تكرر أكثر من مرة (مساعدة)
^ "Department of Energy Facts: Radioisotope Heater Units". U.S. Department of Energy, Office of Space and Defense Power Systems. ديسمبر 1998. مؤرشف من Radioisotope heater unit الأصل في 2019-12-10. اطلع عليه بتاريخ 2010-03-24. {{استشهاد ويب}}: |archive-date= / |archive-url= timestamp mismatch (مساعدة) وتحقق من قيمة |مسار= (مساعدة)
^ ^ا ^ب Yury Zaitsev - Nuclear Power in Space (2007) - Spacedaily/RIA Novosti نسخة محفوظة 25 مارس 2017 على موقع واي باك مشين.
^ Ponomarev-Stepnoi، N. N. (مارس 2000). ""Romashka" reactor-converter". Atomic Energy. New York: Springer. ج. 88 ع. 3: 178–183. DOI:10.1007/BF02673156. ISSN:1063-4258. مؤرشف من الأصل في 2020-03-28. اطلع عليه بتاريخ 2009-01-06. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط author-name-list parameters تكرر أكثر من مرة (مساعدة)
^ Researchers Test Novel Power System for Space Travel - Joint NASA and DOE team demonstrates simple, robust fission reactor prototype نسخة محفوظة 05 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.
^ McNutt, et al. - Radioisotope Electric Propulsion (2006) - NASA Glenn Research Center نسخة محفوظة 02 فبراير 2017 على موقع واي باك مشين.
^ Zaitsev، Yury. "Nuclear Power In Space". Spacedaily. مؤرشف من الأصل في 2020-02-01. اطلع عليه بتاريخ 2013-11-22.
^ Mason، Lee؛ Sterling Bailey؛ Ryan Bechtel؛ John Elliott؛ Mike Houts؛ Rick Kapernick؛ Ron Lipinski؛ Duncan MacPherson؛ Tom Moreno؛ Bill Nesmith؛ Dave Poston؛ Lou Qualls؛ Ross Radel؛ Abraham Weitzberg؛ Jim Werner؛ Jean-Pierre Fleurial (18 نوفمبر 2010). "Small Fission Power System Feasibility Study — Final Report". ناسا/DOE. مؤرشف من الأصل في 2020-08-01. اطلع عليه بتاريخ 2015-10-03. Space Nuclear Power: Since 1961 the U.S. has flown more than 40 Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) with an essentially perfect operational record. The specifics of these RTGs and the missions they have powered have been thoroughly reviewed in the open literature. The U.S. has flown only one reactor, which is described below. The Soviet Union has flown only 2 RTGs and had shown a preference to use small fission power systems instead of RTGs. The USSR had a more aggressive space fission power program than the U.S. and flew more than 30 reactors. Although these were designed for short lifetime, the program demonstrated the successful use of common designs and technology.
^ "Stirling Technical Interchange Meeting" (PDF). مؤرشف من الأصل في 2016-04-20. اطلع عليه بتاريخ 2016-04-08.
^ "Innovative Interstellar Probe". JHU/APL. مؤرشف من الأصل في 2018-08-08. اطلع عليه بتاريخ 2010-10-22.
^ Arias، F. J. (2011). "Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator: An Imperative Solution for the Future of NASA Exploration". Journal of the British Interplanetary Society. ج. 64: 314–318. Bibcode:2011JBIS...64..314A. مؤرشف من الأصل في 2020-08-06.
^ "Technologies of Broad Benefit: Power". مؤرشف من الأصل في 2008-06-14. اطلع عليه بتاريخ 2008-09-20.

[1] Hyder، Anthony K. (2000). Spacecraft Power Technologies. Imperial College Press. ص. p. 256. {{استشهاد بكتاب}}: |صفحات= يحتوي على نص زائد (مساعدة) والوسيط author-name-list parameters تكرر أكثر من مرة (مساعدة)

[doe1-2] "Department of Energy Facts: Radioisotope Heater Units". U.S. Department of Energy, Office of Space and Defense Power Systems. ديسمبر 1998. مؤرشف من Radioisotope heater unit الأصل في 2019-12-10. اطلع عليه بتاريخ 2010-03-24. {{استشهاد ويب}}: |archive-date= / |archive-url= timestamp mismatch (مساعدة) وتحقق من قيمة |مسار= (مساعدة)

[zaitsev-3] ا ^ب Yury Zaitsev - Nuclear Power in Space (2007) - Spacedaily/RIA Novosti نسخة محفوظة 25 مارس 2017 على موقع واي باك مشين.

[Romashka_reactor-converter-4] Ponomarev-Stepnoi، N. N. (مارس 2000). ""Romashka" reactor-converter". Atomic Energy. New York: Springer. ج. 88 ع. 3: 178–183. DOI:10.1007/BF02673156. ISSN:1063-4258. مؤرشف من الأصل في 2020-03-28. اطلع عليه بتاريخ 2009-01-06. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط author-name-list parameters تكرر أكثر من مرة (مساعدة)

[5] Researchers Test Novel Power System for Space Travel - Joint NASA and DOE team demonstrates simple, robust fission reactor prototype نسخة محفوظة 05 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.

[6] McNutt, et al. - Radioisotope Electric Propulsion (2006) - NASA Glenn Research Center نسخة محفوظة 02 فبراير 2017 على موقع واي باك مشين.

[7] Zaitsev، Yury. "Nuclear Power In Space". Spacedaily. مؤرشف من الأصل في 2020-02-01. اطلع عليه بتاريخ 2013-11-22.

[nasa/doe2010-8] Mason، Lee؛ Sterling Bailey؛ Ryan Bechtel؛ John Elliott؛ Mike Houts؛ Rick Kapernick؛ Ron Lipinski؛ Duncan MacPherson؛ Tom Moreno؛ Bill Nesmith؛ Dave Poston؛ Lou Qualls؛ Ross Radel؛ Abraham Weitzberg؛ Jim Werner؛ Jean-Pierre Fleurial (18 نوفمبر 2010). "Small Fission Power System Feasibility Study — Final Report". ناسا/DOE. مؤرشف من الأصل في 2020-08-01. اطلع عليه بتاريخ 2015-10-03. Space Nuclear Power: Since 1961 the U.S. has flown more than 40 Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs) with an essentially perfect operational record. The specifics of these RTGs and the missions they have powered have been thoroughly reviewed in the open literature. The U.S. has flown only one reactor, which is described below. The Soviet Union has flown only 2 RTGs and had shown a preference to use small fission power systems instead of RTGs. The USSR had a more aggressive space fission power program than the U.S. and flew more than 30 reactors. Although these were designed for short lifetime, the program demonstrated the successful use of common designs and technology.

[Meeting_2015-9] "Stirling Technical Interchange Meeting" (PDF). مؤرشف من الأصل في 2016-04-20. اطلع عليه بتاريخ 2016-04-08.

[Ref_t-10] "Innovative Interstellar Probe". JHU/APL. مؤرشف من الأصل في 2018-08-08. اطلع عليه بتاريخ 2010-10-22.

[11] Arias، F. J. (2011). "Advanced Subcritical Assistance Radioisotope Thermoelectric Generator: An Imperative Solution for the Future of NASA Exploration". Journal of the British Interplanetary Society. ج. 64: 314–318. Bibcode:2011JBIS...64..314A. مؤرشف من الأصل في 2020-08-06.

[MSLPower-12] "Technologies of Broad Benefit: Power". مؤرشف من الأصل في 2008-06-14. اطلع عليه بتاريخ 2008-09-20.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]