核熱推進における燃料研究 |マサチューセッツ工科大学ニュース

月に行くことは別のことだった。火星に行くのは全く別のことになるだろう。距離があるだけでも恐ろしいです。月までの距離は 338,855 マイルですが、火星までの距離は 3,300 万〜 2 億 4,900 万マイルです。私たちを月に到達させた推進システムは機能しません。

原子力科学工学部（NSE）の修士課程の学生であるテイラー・ハンプソンは、この問題をよく知っています。それが、彼が NASA の後援による原子力熱推進 (NTP) の研究に興奮している多くの理由の 1 つです。

この技術では、核エネルギーを利用して水素などの推進剤を極度の高温に加熱し、ノズルから噴射します。結果として生じる推力により、化学ロケットと比較して火星への移動時間を大幅に短縮できます。 「同じ推力の原子力推進エンジンからは、2倍以上の効率が得られます。さらに、微小重力環境は宇宙飛行士にとって理想的ではないため、宇宙飛行士をより早くそこに到達させたいと考えます。これが、化学的同等物よりも原子力推進を使用する強い動機になります」とハンプソン氏は言う。

核熱推進を理解する

ハンプソンの研究がどこに当てはまるかを理解するには、ロケット推進技術について簡単に調査する価値があります。

ロケットの推進には、大きく 3 つのタイプがあります。1 つはロケット推進剤の燃焼によって推力が得られる化学的推進力です。電気的。電場が荷電粒子を高速まで加速して推力を達成します。そして原子力は、原子力エネルギーが必要な推進力を供給します。

原子力推進は、宇宙に到達するためではなく宇宙でのみ使用されますが、さらに 2 つのカテゴリのいずれかに分類されます。原子力電気推進は、原子力エネルギーを使用して発電し、推進剤を加速します。ハンプソン氏が研究している核熱推進は、原子力を利用して推進剤を加熱する。 NTP の重要な利点は、同じ推力で化学的等価物の 2 倍 (またはそれ以上) の効率を実現できることです。欠点: コストと規制のハードル。 「確かに、原子力推進エンジンからは2倍以上の効率が得られますが、コストの高さを正当化できるほどそれを必要とするミッションケースはこれまでありませんでした」とハンプソン氏は言う。

今まで。

火星への有人ミッションが非常に現実的な可能性になりつつある中で（NASAは早ければ2030年代に火星に宇宙飛行士を派遣する計画を立てている）、NTPはすぐに注目を集めるかもしれない。

「ほぼ未来的ですね」

フロリダのスペースコーストで育ち、スペースシャトルの打ち上げを見たことが、ハンプソンの初期の科学への興味を刺激しました。歴史や数学など、他の多くの科目が大好きだったハンプソンは、大学 4 年生になるまで工学部門に自分の運命を賭けました。宇宙探査が彼を航空宇宙工学に夢中にする一方で、ハンプソンはより環境に優しい未来への道として原子力工学の可能性にも興味をそそられました。

優柔不断に悩まされた彼は、両方の分野の学校に応募し、ジョージア工科大学で航空宇宙工学の学士号を取得しました。ブルー オリジンやストーク スペースなどの宇宙技術企業での一連のインターンシップや、ジョージア工科大学のロケット チームへの参加が、ハンプソンのロケット推進への愛情を確固たるものにしたのはここでした。

大学院での研究を目指すなら、MIT が次のステップとして当然だと考えました。 「MIT は核教育と航空宇宙教育の最良の組み合わせを持っており、核燃料試験の分野では非常に強いと思います」とハンプソン氏は言う。 MIT 原子炉内の施設により、原子力推進エンジンで見られるような条件下で核燃料の試験が可能になります。それは役に立ちました コロウシュ・シルヴァンNSEの准教授であり、エネルギー研究のアトランティック・リッチフィールド・キャリア開発教授である彼は、核燃料の試験にほとんどの努力を集中しながら、NASAと核熱推進の取り組みに取り組んでいました。

MIT では、ハンプソンはシルヴァンのアドバイスの下で働いています。ハンプソン氏は、NASA でのインターンシップで始めたプロジェクト、つまり核熱推進エンジンの研究でさらなる研究を進める機会に恵まれました。 「原子力推進自体は先進的であり、私はその後に来るものに取り組んでいます。それはほとんど未来的です」と彼は言います。

核熱推進の効果のモデル化

NTP の前提は有望に思えますが、その実行はおそらく簡単ではありません。まず、NTP を使用すると、ロケット エンジンは単純な内燃エンジンのように起動および停止されません。温度の急激な上昇は材料の破損を引き起こす可能性があるため、起動は複雑です。また、核崩壊による熱のため、エンジンが停止するまでにさらに時間がかかることもあります。その結果、十分な量の核分裂生成物が崩壊して熱がほとんど残らなくなるまで、部品を冷却し続ける必要があるとハンプソン氏は言う。

ハンプソン氏は、ロケット エンジン システム全体 (タンク、ポンプなど) をモデル化し、これらおよび他の多くのパラメーターがどのように連携するかを理解しています。部品構成の違い (さらには燃料) が性能に影響を与える可能性があるため、エンジン全体を評価することが重要です。計算を簡素化し、シミュレーションをより高速に実行するために、彼は比較的単純な 1 次元モデルを使用しています。これを使用して、ハンプソン氏は、エンジン動作全体を通じて各コンポーネントの温度や圧力などのパラメーターに対する変数の影響を追跡できます。

「課題は、熱力学的効果と中性子効果を組み合わせることにあります」と彼は言います。

今後のさらなる課題に備える準備ができています

何年も優柔不断で、学術関連のほぼすべての決定をギリギリまで先送りした後、ハンプソン氏は、何年も前のスペースシャトルの打ち上げに触発されて、生涯の仕事になると期待していることに焦点を当てているようで、卒業後は博士課程に進むことを希望している。

ハンプソンは常に挑戦を歓迎しており、それが彼を走る動機となっている。ボストンマラソンのトレーニング中、彼は足を骨折したが、さらに別のレースであるビーンタウンマラソンに出場するときにその怪我が表面化した。彼はその出来事に屈していません。ハンプソン氏は、「あなたが思っているよりもずっと有能であることが分かりました。ただし、コストについては自問する必要がありますが」と笑います。 （その後、彼は数週間松葉杖をつきました）。

挑戦への渇望も、彼が熱核推進の研究を選んだ多くの理由の 1 つです。研究が彼のこの分野への愛を満喫するのに役立ちます。 「相対的に言えば、これはさらに進歩が必要な分野であり、未解決の問題がさらにたくさんあります」と彼は言います。