De Fase I-winnaars van NIAC 2013 tonen futuristische ruimtevaartconcepten

Anonim

De Fase I-winnaars van NIAC 2013 tonen futuristische ruimtevaartconcepten

Ruimte

Brian Dodson

5 augustus 2013

5 afbeeldingen

Een nucleair aangedreven ruimtevaartuig is een winnend concept van NASA's Innovative Advanced Concepts 2013 Phase I awards (Image: Shutterstock)

Een tiental uitvinders hebben de kans gekregen om het potentieel van hun huisdierenruimteprojecten te demonstreren als winnaars van de Fase I-awards van de 2013 Innovative Advanced Concepts (NIAC) van NASA. De winnaars werden gekozen op basis van hun potentieel om toekomstige ruimtevaartmissies te transformeren door doorbraken in aerospace-mogelijkheden of geheel nieuwe missies mogelijk te maken. Lees verder voor een kijkje op enkele van de meest veelbelovende voorstellen met het oog op hoe ze zouden werken en waar de lastige dingen zich zouden kunnen verbergen.

Elke NIAC Phase I-winnaar ontvangt ongeveer US $ 100.000 om een ​​jaar lang hun ideeën na te streven, inclusief een eerste haalbaarheidsstudie van een nieuw ruimtevaartconcept. De voorstellen dit jaar omvatten; 3D printen van biomaterialen; galactische stralen gebruiken om de binnenkant van asteroïden in kaart te brengen; en een "eeuwig vlucht " platform dat in de atmosfeer van de aarde zou kunnen zweven.

    De lijst met winnaars van dit jaar omvat:
  • Rob Adams van NASA Marshall Space Flight Center - Pulsed Fission-Fusion (PuFF) voortstuwingssysteem

  • John Bradford van SpaceWorks Engineering - Torpor induceert transferhabitat voor menselijke stasis naar Mars
  • Hamid Hemmati van NASA Jet Propulsion - Tweedimensionale planetaire landers aan het oppervlak
  • Nathan Jerred van Universities Space Research Association - Dual-mode voortstuwingssysteem dat CubeSat-verkenning van het zonnestelsel mogelijk maakt
  • Anthony Longman - Groei aangepaste tensegrity structuren
  • Mark Moore van NASA Langley Research Center - Eternal flight as the solution for 'X '
  • Thomas Prettyman van het Planetary Science Institute - Diep in kaart brengen van kleine zonnestelsellichamen met galactische kosmische straling secundaire deeltjestouches
  • Lynn Rothschild van NASA Ames Research Center - Biomaterialen uit het niets
  • Joshua Rovey van de University of Missouri - Plasmonic force propulsion revolutionatiseert de mogelijkheden van Nano / PicoSatellite
  • Adrian Stoica van NASA Jet Propulsion Lab - Transformers voor extreme omgevingen
  • Christopher Walker van de Universiteit van Arizona - 10 meter sub-orbitale ballon refletor
  • SJ Ben Yoo van de Universiteit van Californië-Davis - Vlakke fotonische beeldsensor met lage massa
  • Laten we eens kijken naar drie van de meest veelbelovende concepten met het oog op hoe ze zouden werken en waar de lastige dingen zich zouden kunnen verbergen.

    Rob Adams PuFF gepulseerd splijting-fusie voortstuwingssysteem

    Het PuFF-voortstuwingssysteem is een nieuwe kijk op een oud idee. Om een ​​deuterium-tritium-plasma te beperken tot een breakeven-reactor. Mensen proberen dit al een halve eeuw serieus en zijn daar nog niet in geslaagd. Een dergelijk ruimtestation op zo'n ding baseren, zou extreem speculatief zijn.

    In de PuFF-benadering is echter de versmelting van de deuterium-tritiumbrandstof slechts de eerste fase van het proces. In plaats van een bepaald vermogen te zoeken, wordt de fusiereactie uitgevoerd om een ​​bron van neutronen te leveren. Deze DT-reactie geeft een alfa-deeltje van 3, 5 MeV vrij en een neutron met 14, 1 MeV kinetische energie.

    Zoals we hierboven zagen, kunnen in een tweede fase van kernreactie de fusie-neutronen worden gevangen door een uraniumkern, waardoor deze wordt gesplitst, waardoor ongeveer 200 MeV aan kernenergie vrijkomt. Vanwege de hoge energie van de fusie-neutronen zullen in het algemeen vier tot vijf neutronen worden vrijgemaakt van uraniumsplitsing, in plaats van de twee tot drie die worden waargenomen met thermische neutronen.

    Als je een neutron in een kritieke massa van splijtstof stuurt, gaat de resulterende kettingreactie door totdat de kritische massa explodeert. Als u echter een beetje minder dan een kritische massa heeft, is het totale aantal fissies als gevolg van de invoer van een zwerm splijtingsneutronen tamelijk indrukwekkend.

    Impact van 1.000 fusie-neutronen op uraniumkernen veroorzaakt aanvankelijk 1000 uraniumatomen tot splijting. Dit zal ongeveer 5000 neutronen in het uranium vrijmaken, vanwege de grote energie van de fusie-neutronen. Als het splijtbare materiaal één procent verwijderd is van een kritische massa, zullen sommige van deze neutronen uit het uranium ontsnappen, maar voldoende zullen fissies veroorzaken die 0, 99 keer 5000 of 4, 950 neutronen produceren. Dit vereist ongeveer 1.980 fissies. In de volgende stap veroorzaken de 4.950-neutronen fissies die 0, 99 keer 4950 neutronen produceren, of 4, 900 neutronen, waarvoor 1.960 fissies nodig zijn.

    Terwijl de ketting doorgaat, raakt deze uiteindelijk op stoom, zoals blijkt uit de vermindering van het aantal neutronen. In de loop van de niet erg kritische kettingreactie zullen ruwweg 200.000 uraniumkernen een splijting ondergaan. Uraniumsplijting geeft ongeveer 200 MeV aan energie af. De originele 1.000 fusies die de 1.000 gratis neutronen produceren, geven ongeveer 19 GeV vrij, maar de resulterende fissies geven ongeveer 40.000 GeV vrij. Koppeling van de fusie-neutronen tot een niet erg kritische massa uranium resulteert in een versterking van de fusiekracht met een factor van ongeveer 2100, wat voldoende kracht voor een ruimtevaartuigaandrijving oplevert!

    Een gepulseerde aandrijving gebaseerd op het fusie-fusie-combinatieproces behoeft geen fusie-onderbreking te bereiken. In plaats daarvan ligt de focus op op fusie gebaseerde neutronengeneratie gevolgd door op splijting gebaseerde neutronenvermenigvuldiging. De grootste traagheidsopsluitmachines produceren momenteel tientallen megajoules per puls. Als de neutronenuitvoer in een Puff-type fusie-fissie-aandrijving zou worden gericht, zou de totale nucleaire output per puls gemakkelijk 10 GJ kunnen zijn, of ongeveer 3 MWh energie-afgifte per seconde - waarschijnlijk 1000 keer het vermogen dat nodig is om een ​​ruimteschip te laten rijden, waardoor veel ruimte voor compromis voor engineering.

    Nathan Jerred's Small-scale Dual-mode voortstuwingssysteem

    Een aanzienlijk aantal verkennende ontwerpen is naar voren gekomen, met de algemene bedoeling om het nano / pico-satelliet / sonde-concept voorbij een lage baan om de aarde te gebruiken. De meeste hiervan zijn single-principle drives, die onder sommige omstandigheden ontbreken. Een CubeSat kan bijvoorbeeld snelheden bereiken die vereist zijn voor interplanetaire verplaatsingen met behulp van een ionaandrijving op zonne-energie. Een groot aantal trajecten zou echter niet haalbaar zijn, omdat de ionaandrijving onvoldoende stuwkracht biedt voor koerswijzigingen, koerscorrectie, baaninvoeging of andere astronavigatie-uitdagingen.

    In dergelijke nanoprobes lijkt het onwaarschijnlijk dat twee onafhankelijke voortstuwingssystemen op hun plaats kunnen worden gemonteerd terwijl ze nog steeds voldoende prestaties hebben voor interplanetaire missies. Jerred 's dual-mode voortstuwingssysteem is een nieuwe poging om dit probleem aan te pakken.

    De twee modi waarover hij spreekt, zijn een thermische aandrijving en een ionenaandrijving. De krachtbron voor beide zou radioactief verval zijn, waarschijnlijk van een massa plutonium 238 (Pu-238). Dergelijke radioactieve bronnen zijn in veel ruimtemissies gebruikt om een ​​warmtebron te verschaffen voor een radio-isotoop thermo-elektrische generator (RTG). Een RTG drijft de Cassini-missie, de Mars Rover Curiosity en de New Horizons-missie naar Pluto.

    In Jerred's dual-mode drive levert een gemodificeerde RTG stroom voor beide rijmodi. Voor de thermische aandrijving wordt de reactiemassa in de voortstuwingstanks met thermische voortstuwing door de RTG gevoerd en daarin verwarmd tot ongeveer 850 ° C (1.500 ° F). Dit is meer dan genoeg om het drijfgas te vergassen en een hoge druk te genereren, waarna het door het mondstuk expandeert om stuwkracht te produceren.

    Zonder meer technische informatie is het erg moeilijk om te bepalen hoeveel stuwkracht, maar het moet in de orde van één Newton (ongeveer 1/4 lb) zijn. De specifieke impuls moet rond de 300 seconden liggen, vergelijkbaar met die van chemische brandstoffen. Het uitvoeren van de RTG op een hogere temperatuur is een mogelijkheid, die zou resulteren in een grotere specifieke impuls, maar hogere temperaturen belasten de Stirling RTG-componenten.

    De tweede manier van voortstuwing is de ionenaandrijving. In dit geval werkt de RTG om elektriciteit te produceren voor een ionenaandrijving. Een RTG die 1 kW warmte en ongeveer 300 W aan elektrisch vermogen levert, zou ongeveer 2 kg (4, 4 lb) Pu-238 nodig hebben, de meest gebruikelijke isotoop die in RTG's wordt gebruikt. Maar Pu-238 heeft een halfwaardetijd van bijna 90 jaar, wat te veel is voor, laten we zeggen, een missie naar een asteroïde of naar Mars. Als twee tot drie maanden voortstuwingsvermogen genoeg zou zijn voor een missie, zou polonium 210 kunnen worden gebruikt. Het heeft een halfwaardetijd van 138 dagen en slechts ongeveer 15 g (0, 5 oz) is nodig om 1 kW warmte te produceren.

    De voorbeeldopdracht voor de voorgestelde studie is om een ​​payload van 10 kg (22 lb) naar Europa te sturen. De fase I-studie zal engineering-analyse van de belangrijkste componenten bieden en kijken naar prestatie-gerelateerde compromissen die zullen helpen bij het bepalen van de haalbaarheid van een dergelijke missie. Positieve resultaten kunnen leiden tot een onderzoek van 18 maanden dat de steekproefmissie dieper bestudeert.

    John Bradford's Torpor to Mars Missions

    Een probleem met ruimtevluchten in onze huidige staat van vooruitgang is dat het te lang duurt. Vluchttijden binnen het zonnestelsel worden gemeten in maanden of jaren, gedurende welke tijd astronauten over het algemeen maar heel weinig te doen hebben, maar doorgaan met het consumeren van volledige hulp van voedsel, water, zuurstof en kracht. Psychologen suggereren ook dat de eindeloze verveling van lange ruimtevluchten aanzienlijke problemen voor een bemanning kan opleveren.

    Science fiction heeft vaak zijn toevlucht genomen tot het opwekken van geschorste animatie om deze saaie periodes te vermijden. Het probleem met het kijken naar gesuspendeerde animatie voor een oplossing is dat mensen het vermogen missen om veilig een significante mate van winterslaap of torpor te bereiken. Desondanks hebben de diepgaande medische toepassingen die de stofwisselingsstaten mogelijk hebben verlaagd, aanzienlijk onderzoek gestimuleerd naar wat de oorzaak is van winterslaap, hoe het verschilt van torpor, en hoe het kan worden geïnduceerd bij zoogdieren zonder natuurlijke toegang tot deze toestanden. John Bradford heeft de NASA ervan overtuigd dat het tijd is om serieus naar toepassingen in de ruimtevaart te kijken.

    Het idee is niet om mensen te bevriezen en mensen te ontdooien / reanimeren op Mars, of om een ​​winterslaap te veroorzaken. Echte winterslaap vindt plaats wanneer een dier zijn hartslag laat vallen en de lichaamstemperatuur daalt tot een paar graden boven de omgevingstemperatuur.

    Een beter model is waarschijnlijk een overwinterende beer. Beren vertragen hun hartslag tot slechts 10 slagen per minuut (normaal is het ongeveer 40 slagen in slaap), maar laten hun lichaamstemperatuur slechts ongeveer 5 ° C dalen (9 ° F). Hun lange winterslaap wordt vaker 'torpor' of 'lethargie' in de winter genoemd. Dit is het algemene patroon van de grotere zoogdieren die 'overwinteren'. Naar analogie wordt van mensen verwacht dat ze gemakkelijker in langdurige torporiteit terechtkomen dan in echte winterslaap.

    Aanzienlijke experimenten zijn gedaan op zoek naar triggers voor torpor. Op het gebied van drugsachtige triggers, toonde één onderzoek nogal overtuigend aan dat kleine hoeveelheden waterstofsulfide in de lucht een winterslaapachtige toestand zouden veroorzaken. Hun lichaamstemperatuur daalde tot ongeveer 2 ° C (4 ° F) boven omgevingstemperatuur en hun ademhalingsfrequentie daalde met meer dan 90 procent. Hun bloeddruk bleef echter hoog. Onderzoekers zijn ook in staat geweest gedurende enkele uren torpor in varkens te veroorzaken zonder duidelijke schade.

    John Bradford neemt wat bekend is over torpor om een ​​ "wat als'-onderzoek uit te voeren. Zijn project zal een torpor-module ontwerpen voor astronauten op een langzame boot naar Mars, en zal de aanbod- en missie-eisen vergelijken voor een reeks conventionele technologische aannames voor dergelijke missies. Deze fase I-analyse is alleen bedoeld om de compatibiliteit van een torpor-module met reizen binnen het zonnestelsel te onderzoeken. Later in het programma zal hij, als hij wordt vernieuwd, bestuderen hoe het doel van inductie en onderhoud van torpor in een bemanning van astronauten kan worden bereikt.

    In het verleden kon worden gesteld dat de winnende concepten van het NIAC-programma (en zijn voorgangers) te alledaags waren en het onwaarschijnlijk dat ze de envelop in onverwachte richtingen zouden duwen. NASA lijkt dit jaar dit probleem te hebben opgelost. Meer kracht voor hen.

    Bron: NASA

    Het fusie-fissie-aandrijfconcept op nucleair niveau (Foto: NASA)

    Rob Adam's PuFF-aandrijving waarin DT-gas wordt ingevoerd in de SCF-plasmoid, die op zijn beurt wordt omgeven door splijtbaar materiaal (Image: NASA)

    Het dual-mode voortstuwingssysteem van Nathan Jerred deelt de meeste componenten om een ​​high-thrust thermische aandrijving en een low-thrust ionenaandrijving mogelijk te maken (Photo: NASA)

    Een stasishabitat, waarin astronauten zachtjes een staat van verdoving zullen binnendringen, kan helpen om een ​​significante verkenning en exploitatie van het zonnestelsel tot stand te brengen (Foto: NASA)

    Een nucleair aangedreven ruimtevaartuig is een winnend concept van NASA's Innovative Advanced Concepts 2013 Phase I awards (Image: Shutterstock)