Już na wczesnych etapach rozwoju przemysłu rakietowego i kosmicznego pojawiły się pierwsze propozycje wykorzystania różnych technologii jądrowych. Zaproponowano i opracowano różne technologie i jednostki, ale tylko niektóre z nich weszły w życie. W przyszłości spodziewane jest wprowadzenie zupełnie nowych rozwiązań.
Pierwszy w kosmosie
W 1954 roku w USA powstał pierwszy radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG lub RTG). Głównym elementem RTG jest izotop promieniotwórczy, który naturalnie rozpada się wraz z uwolnieniem energii cieplnej. Za pomocą termoelementu energia cieplna zamieniana jest na energię elektryczną, która jest dostarczana konsumentom.
Główną zaletą RTG jest możliwość długotrwałej pracy przy stabilnych charakterystykach i bez konserwacji. Żywotność jest określona przez okres półtrwania wybranego izotopu. Jednocześnie taki generator charakteryzuje się niską sprawnością i mocą wyjściową, a także wymaga ochrony biologicznej i odpowiednich środków bezpieczeństwa. Jednak RTG znalazły zastosowanie w wielu obszarach o specjalnych wymaganiach.
W 1961 roku w USA powstał RTG typu SNAP 3B z 96 g plutonu-238 w kapsułce. W tym samym roku na orbitę wszedł wyposażony w taki generator satelita Transit 4A. Stał się pierwszym statkiem kosmicznym na orbicie Ziemi, który wykorzystywał energię rozszczepienia jądrowego. W 1965 r. ZSRR wystrzelił satelitę Kosmos-84, swoje pierwsze urządzenie Orion-1 RTG wykorzystujące polon-210.
Następnie oba supermocarstwa aktywnie wykorzystywały RTG do tworzenia technologii kosmicznych do różnych celów. Na przykład wiele łazików marsjańskich w ostatnich dziesięcioleciach było napędzanych rozpadem pierwiastków radioaktywnych. Podobnie zapewnione jest zasilanie misji oddalających się od Słońca.
Od ponad pół wieku RTG udowadniają swoje możliwości w wielu obszarach, m.in. w przemyśle kosmicznym, choć pozostały specjalistycznym narzędziem do konkretnych zadań. Jednak w takiej roli generatory radioizotopów przyczyniają się do rozwoju przemysłu, badań itp.
Rakieta jądrowa
Wkrótce po rozpoczęciu programów kosmicznych wiodące kraje zaczęły wypracowywać kwestię stworzenia silnika rakietowego. Zaproponowano różne architektury z różnymi zasadami działania i różnymi korzyściami. Na przykład w amerykańskim projekcie Orion zaproponowano statek kosmiczny, który do przyspieszenia wykorzystuje falę uderzeniową głowic jądrowych o małej mocy. Opracowywane były również projekty o bardziej znanym wyglądzie.
W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych NASA i powiązane organizacje opracowały silnik NERVA (ang. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Jego głównym elementem był reaktor jądrowy o otwartym cyklu. Płyn roboczy w postaci ciekłego wodoru musiał zostać podgrzany z reaktora i wyrzucony przez dyszę, tworząc ciąg. Silnik jądrowy tego rodzaju przewyższał pod względem konstrukcyjnym tradycyjne chemiczne układy paliwowe, choć był bardziej niebezpieczny w eksploatacji.
Projekt NERVA został przetestowany na różnych komponentach i całym zespole. Podczas testów silnik był włączany 28 razy i pracował prawie 2 h. Charakterystyki zostały potwierdzone; nie było żadnych istotnych problemów. Jednak projekt nie otrzymał dalszego rozwoju. Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych amerykański program kosmiczny został poważnie uszczuplony, a silnik NERVA zrezygnowano.
W tym samym okresie podobne prace prowadzono w ZSRR. W obiecującym projekcie zaproponowano zastosowanie silnika z reaktorem podgrzewającym płyn roboczy w postaci ciekłego wodoru. Na początku lat sześćdziesiątych stworzono reaktor do takiego silnika, a później rozpoczęto prace nad pozostałymi jednostkami. Przez długi czas trwały testy i rozwój różnych urządzeń.
W latach siedemdziesiątych gotowy silnik RD-0410 przeszedł serię testów ogniowych i potwierdził główne cechy. Jednak projekt nie był dalej rozwijany ze względu na dużą złożoność i ryzyko. Krajowy przemysł rakietowy i kosmiczny nadal używał silników „chemicznych”.
Holowniki kosmiczne
W toku dalszych prac badawczych i projektowych w Stanach Zjednoczonych i naszym kraju doszli do wniosku, że nie jest celowe stosowanie silników typu NERVA lub RD-0410. W 2003 roku NASA rozpoczęła testowanie całkowicie nowej architektury statku kosmicznego z elektrownią jądrową. Projekt nazwano Prometeusz.
W nowej koncepcji zaproponowano budowę statku kosmicznego z pełnoprawnym reaktorem na pokładzie, dostarczającym energię elektryczną, a także jonowym silnikiem odrzutowym. Taka aparatura mogłaby znaleźć zastosowanie w dalekosiężnych misjach badawczych. Jednak rozwój „Prometeusza” okazał się zbyt kosztowny, a wyników spodziewano się dopiero w odległej przyszłości. W 2005 roku projekt został zamknięty z powodu braku perspektyw.
W 2009 roku w Rosji rozpoczął się rozwój podobnego produktu. „Transport and Power Module” (TEM) lub „kosmiczny holownik” ma przyjąć elektrownię atomową o mocy megawatów sprzężoną z silnikiem jonowym ID-500. Proponuje się, aby statek kosmiczny był montowany na orbicie okołoziemskiej i służył do transportu różnych ładunków, przyspieszania innych statków kosmicznych itp.
Projekt TEM jest bardzo złożony, co wpływa na jego koszt i harmonogram. Ponadto pojawiły się liczne problemy organizacyjne. Niemniej jednak, w połowie dziesiątych części, poszczególne komponenty TEM zostały wyjęte do testów. Prace trwają i mogą w przyszłości doprowadzić do powstania prawdziwego „kosmicznego holownika”. Budowa takiego aparatu planowana jest na drugą połowę lat dwudziestych; uruchomienie - w 2030
W przypadku braku poważnych trudności i terminowej realizacji wszystkich planów, TEM może stać się pierwszym na świecie produktem tej klasy oddanym do użytku. Jednocześnie istnieje pewien margines czasu, jednocześnie wykluczając możliwość pojawienia się na czas konkurentów.
Perspektywy i ograniczenia
Technologie jądrowe cieszą się dużym zainteresowaniem przemysłu rakietowego i kosmicznego. Przede wszystkim przydatne mogą być elektrownie różnych klas. RTG znalazły już zastosowanie i są mocno zakorzenione w niektórych obszarach. Pełnoprawne reaktory jądrowe nie są jeszcze używane ze względu na ich duże wymiary i masę, ale na statkach z takim wyposażeniem już zachodzą zmiany.
Przez kilkadziesiąt lat wiodące mocarstwa kosmiczne i jądrowe wypracowały i przetestowały w praktyce szereg oryginalnych pomysłów, określiły ich wykonalność i znalazły główne obszary zastosowań. Takie procesy trwają do dziś i prawdopodobnie wkrótce przyniosą nowe rezultaty o charakterze praktycznym.
Należy zauważyć, że technologie jądrowe nie upowszechniły się w sektorze kosmicznym i ta sytuacja raczej się nie zmieni. Jednocześnie okazują się przydatne i obiecujące w pewnych obszarach i projektach. I właśnie w tych niszach realizowany jest już dostępny potencjał.
