Атомная энергия и освоение Марса

Атомная энергия и освоение Марса
1. Пролог
Почему я выбрала эту тему? Все просто, эта тема очень интересна мне как
начинающему астроному, эта тема очень актуальна ( в СМИ идет очень много
обсуждении ), ядерная энергия (для большинства) считается чем-то сложным, я
вызовусь доказать что это не так и объясню основы и принципы простым
языком.
В своей работе я докажу, что ядерная энергия это не сложно и очень
интересно, мы разберем как работают различные устройства на принципе
ядерной энергии и сможем составить примерный путь и оснащение корабля для
полета на марс.
2. Принцип атомной (ядерной) энергии
Первое, что нужно понять для полного понимания темы это, то что вещество
состоит из молекул, молекулы из атомов, а атомы — из протонов, электронов и
нейтронов. Сам принцип работы атомной работы заключается в распаде атомов.
Некоторые тяжелые атомы имеют интересное свойство — если в них попадает
нейтрон, они распадаются на более легкие атомы и выпускают несколько
нейтронов. Если эти выпущенные нейтроны попадут в находящиеся рядом
другие тяжелые атомы, распад повторится, и мы получим цепную ядерную
реакцию.
3. Использование атомной энергии для получения электричества и
тепла
При распаде атом выпускает тепло, если бы не это свойство мы не смогли
бы использовать ядерную энергию. Человек научился использовать эту
реакцию:
В стержнях находится изотоп (вещество у которого при распаде атомов
выпускается тепло), эти стержни с уже начавшейся реакцией опускает в
тяжелую воду, она нагревается, труба с тяжелой водой идет к воде которая
принимает все тепло охлаждая тяжелую воду, при нагревании простая вода
испаряется и по трубе пар идет к турбине запуская ее, таким образом
запускается генератор и вскоре появляется электричество. По такому способу
работают атомные электростанции на земле.
Так
же
существует
РИТЭГ
(Радиоитозопный
термоэлектрический
генератор). Его используют для различных межпланетных аппаратов и
спутников. Он тоже использует тепловую энергию, выделяющуюся при
естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразующий её в
электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора.
РИТЭГ используют на многих аппаратах как говорилось ранее, а точнее он
был использован на Вояджер-2 или Кассини-Гюйгенс, используют его для
обеспечения аппаратуры энергией.
РИТЭГ
В зонде New Horizons в 2006 радиоизотопный генератор содержал 11 кг
высокочистого
диоксида 238Pu,
производившего
в
среднем
220
Вт
электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и 200 Вт к
концу).
Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии,
в качестве топлива для которых служил плутоний. Марсоход Curiosity получает
энергию благодаря плутонию-238. Марсоход использует последнее поколение
РИТЭГов. Это устройство производит 125 Вт электрической мощности, а по
истечении 14 лет — 100 Вт.
Несколько
килограммов
238
PuO2
использовались
миссиях Аполлонов для электропитания приборов ALSEP.
на
некоторых
РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14
4. Ядерные Ракетные Двигатели (ЯРД)
Есть несколько видов ЯРД я расскажу про самые популярные и часто
использующеися.
4.1.
Простой ЯРД, принцип работы
Водород из бака поступал в реактор, нагревался там, и выбрасывался наружу,
создавая реактивную тягу. Водород был выбран как рабочее тело потому, что у
него легкие атомы, и их проще разогнать до большой скорости. Чем больше
скорость реактивного выхлопа — тем эффективнее ракетный двигатель.
Отражатель нейтронов использовался для того, чтобы нейтроны возвращались
обратно
в
реактор
для
поддержания
цепной
ядерной
реакции.
Управляющие стержни использовались для управления реактором. Каждый
такой стержень состоял из двух половин — отражателя и поглотителя
нейтронов. Когда стержень поворачивался отражателем нейтронов, их поток в
реакторе увеличивался и реактор повышал теплоотдачу. Когда стержень
поворачивался поглотителем нейтронов, их поток в реакторе уменьшался, и
реактор понижал теплоотдачу, стержни использовались для корректирования
нагрева двигателя (перегрев был очень опасен и мог привести к взрыву).
Водород также использовался для охлаждения сопла, а теплый водород от
системы охлаждения сопла вращал турбонасос для подачи новых порций
водорода.
4.2.
Его
Газофазный ЯРД
конструкция
отличается
от
простого
ЯРД.
Главная особенность газофазного ЯРД это то, что область ядерной реакции
окружена достаточно термостойким веществом, как кварц, которое будет
пропускать тепло (пропускается оно излучением, поэтому вещество должно
быть прозрачным). Таким образом у нас получается газофазный ЯРД закрытого
цикла или как ее по другому называют «ядерная лампочка.
4.3.
Импульсные ЯРД внутреннего действия.
Особенность этого ЯРД заключается в выборе «горючего» , эту роль здесь
играет ядерный заряд(бомбы). Энергия, выделяемая при взрыве, передается
рабочему телу, которое нагревается и затем истекает из двигателя, создавая тягу.
В соответствии с обычными методами решения такой задачи ядерный заряд
помещается в «камеру сгорания», наполненную рабочим телом (тяжелой водой),
которое испаряется и затем расширяется с в сопле.
Такая система, которую мы называем импульсным ЯРД внутреннего
действия, очень эффективна, поскольку все продукты взрыва и вся масса
рабочего тела используются для создания тяги. Нестационарный цикл работы
позволяет такой системе развивать более высокие давления и температуры в
камере сгорания, а как следствие и более высокую удельную тягу по сравнению
с непрерывным циклом работы. Однако сам факт, что взрывы происходят
внутри некоторого объема, налагает существенные ограничения на давление и
температуру в камере, а следовательно, и на достижимую величину удельной
тяги. Ввиду этого, несмотря на многие достоинства импульсного ЯРД
внутреннего действия, импульсный ЯРД внешнего действия оказался проще и
эффективнее благодаря использованию гигантского количества энергии,
выделяемой при ядерных взрывах.
5. Базы на марсе, терраформирование
5.1.
Что такое терраформирование?
Терраформирование- (лат. terra — земля и forma — вид) — изменение
климатических
условий планеты,
для
приведения
атмосферы, температуры и экологических условий в состояние, пригодное для
обитания земных животных и растений.
5.2.
Важные параметры для терраформирования
Далеко не всякая планета может быть пригодна не только к заселению, но
и к терраформированию. К примеру непригодными являются газовые гиганты,
поскольку они не имеют твердой поверхности.
Ускорение
свободного
Гравитация терраформируемой
падения
на
планеты
должна
поверхности
быть
планеты.
достаточной
для
удержания атмосферы, иначе постоянная утечка воздуха в космическое
пространство сделает колонизацию планеты почти невозможной.
Объем принимаемой солнечной энергии. Для проведения работ по
терраформированию планет необходим достаточный объём солнечной энергии
для прогрева поверхности и атмосферы планеты. Прежде всего, освещенность
планеты Солнцем должна быть достаточной для прогрева атмосферы планеты
как минимум до достижения искусственного парникового эффекта(нагрева
нижних слоев атмосферы) для поддержания температур на поверхности,
достаточных для устойчивого нахождения воды в жидком состоянии.
Наличие
воды.
Необходимое
для
поддержания
заселения
планеты растениями и животными количество воды — это одно из неизменных
условий для возможностей заселения и успешного терраформирования. Воду
имели или имеют в атмосфере (пригодную для заселения) Марса и некоторые
спутники Сатурна
На марсе наличие воды в почве намного меньше и вода может находить на
планете только с состоянии льда т.к. при разряженном давлении вода испаряется
при +10 почти минуя жидкое состояние.
Радиационный фон. Грубо говоря это фон облучения который присутствует
всегда и везде, наша планета развивалась под радиационным фоном, поэтому
маленький
процент облучения радиационного фона для нас совершенно не
опасен , но процент облучения может быть разным в зависимости от параметров
планеты. Радиационный фон создается из определенных данных как:
космическое излучение( излучение которое идет постоянно на планету из
космоса), рануклиды в естественной среде (вещества излучающие облучение и
сформировавшиеся в естественной среде, например плутоний на нашей
планете), излучение от не естественных рануклидов (облучение от веществ
созданных самим человеком). Радиационный фон на планете не должен
привышать допустимой нормы, иначе человек не сможет терраформировать
планету.
Как раз таки проблема с облучением, ставит под угрозу весь план
колонизации, в особенности космическое излучение, его нельзя снизить без
магнитного поля, с нашим уровнем науки это будет очень проблематично.
Характеристика поверхности. Особую роль при терраформировании играет
поверхность планеты, конечно на «газовых гигантах» состоящих из различных
газов, нет какой-либо «почвы» и поэтому мы не сможем там расположиться, так
же
проблематично
высаживаться
на
планетах
с
частыми
ураганами,
извержениями и другими катаклизмами.
Сравнение размеров земли и марса. Марс по размерам в 2 раза меньше земли.
Марс-планета состоящая большую часть из твердых веществ и пород, к
тому же на нашей материнской планете есть отдаленные места не заселенные
человеком которые очень схожи с поверхностью марса.
Наличие у планеты магнитного поля. В последнее время появились
данные, что при отсутствии магнитного поля солнечный ветер активно
взаимодействует с верхними слоями атмосферы. При этом молекулы воды
расщепляются на водород и гидроксильную группу OH. Водород покидает
планету, которая полностью обезвоживается. Такой тип действия происходит на
Венере.
Карта магнитного поля марса
На марсе магнитное поле в 500 раз более разряженнее, и большим отличием
марса от земли является, то что магнитное поле на всей поверхности марса
разное в зависимости от место нахождения и может отличаться в 1.5-2 раза.
Астероидная ситуация. То есть где астероидный пояс находится в
опасной близости от предполагаемого места заселения, планета может
находиться под угрозой частых столкновений с астероидами, которые могут
нанести существенный ущерб поверхности планеты и тем самым вернуть её в
состояние до терраформирования.
5.3.
Использование ядерных реакторов
Проблема с энергией на межпланетном спутнике была решена, а как тогда с
энергией на самой планете?
В решении этой проблемы нам поможет ядерный реактор, возможно с
началом добычи урана, мы сможем обойтись простым реактором какой мы
используем на земле, но дальше потребность в энергии будет увеличиваться. На
эту ситуацию у нас идея постройки ядерного реактора, который будет запущен
на орбиту с этим его размеры увеличатся (на марсе использовать большие
атомные реакторы нельзя из-за ядерных отходов, на орбите же они не как не
будут причинять вред марсу) и таким образом увеличится и энергия.
6. Вывод
Создать «лагерь» на марсе вполне возможно но главное , главное что вы
должны были понять что высадка первого человека на марс и другие
достижения не за горами, и благодаря различным ученым и их работам уже в
этом столетии, а может и в следующем десятилетии, с учетом развития науки
различные параметры марса можно приблизить к нормам земли, и скорее всего
помощником в этой нелегкой колонизации будет ядерная энергия , и благодаря
этой работе и приобретенным знаниям вы сможете даже каким-то образом
поучаствовать в этой экспедиции.