A NASA 2024-re újra embereket szeretne küldeni a Holdra az Artemis program keretében. Ehhez 2020-ban megkapta az USA Kongresszusának 6 milliárd dollárra rugó támogatását, amely segítségével a Space Launch System rakétafejlesztés, az Orion űrhajó, a Holdon telepítendő felfedező egységek és az általános kutatás és fejlesztés beindulhatott. A NASA becslése szerint a teljes költségek kb. 35 milliárd dollárt tesznek majd ki, mire ténylegesen emberek — beleértve az első nőt is — járnak újra a Hold felszínén. 2024 után a NASA évente legalább egy Hold küldetést tervez végrehajtani, hogy 2028-ra elérjék azt a szintet, hogy ezek szokványossá válnak.

A Holdon megszerzett tapasztalatok a későbbi Mars küldetések alapját szolgáltatják majd. Ennek egyik fontos eleme az energiatermelés kifejlesztése. A most fejlesztés alatt álló megoldások között most ott szerepel az atomenergián alapuló áram és hőtermelés, amelyet korábban még nem alkalmaztak a Holdon, írja a C&EN. A fejlesztések központjában fontos kérdések megválaszolása áll, hiszen a nukleáris energiát felhasználó reaktorokat baleset nélkül kell a Holdra eljuttatni, és ott azt az igencsak zord körülmények között meghibásodások nélkül üzemeltetni. A mostani tervek új, moduláris, könnyű és egyszerű (értsd minimális mozgó alkatrészeket tartalmazó) atomreaktorokat tűztek ki célul, amelyek kifejlesztése a földi alkalmazásokat is nagyban segíthetik majd.

Az energiaforrás kiválasztása a küldetés igényei szerint történik. Az elektromos áramot lehet atomreaktorok, napelemek, akkumulátorok, üzemanyagcellák vagy — a megfelelő elektromos hálózat jelenléte esetén — ezek kombinációja segítségével előállítani.

Minden energiaforrás bizonyos előnyöket és hátrányokat hordoz magában. A napelemek sok évtized során bizonyították használhatóságukat, de az üzemelésükhöz elengedhetetlen a fény jelenléte. Így például az árnyékos és nyersanyagokban várhatóan gazdag Hold kráterekben nem lehet őket alkalmazni. A marsi szelek és poros környezetben is várhatóan a napelemek állandó fenntartást igényelnek majd, vagyis létfenntartási célokra nem alkalmasak. Az akkumulátorok és üzemanyagcellák élettartama viszonylag rövid, főleg űrbeli alkalmazások esetén, így legfeljebb csak támogatói szerepet töltenek be rendszerint a fő energiaforrás mellett.

Az ezidáig leggyakrabban alkalmazott termonukleáris energiaforrás, amellyel űreszközök elektromos áramszükségletét látják le, a plutónium-238 izotóp bomlásának hőjét felhasználó generátor. Ezeket az 1960-s évek óta használják sikerrel űrszondák, mint például a Voyager vagy Cassini szondák, és a Marsra telepített eszközök, pl. Mars rover-ek meghajtására. Bár az egyik legfontosabb energiaforrások ezek, eddig csak néhány száz wattos teljesítmény szinten álltak rendelkezésre, amely például elegendő a rádiójelek Földre történő sugárzásához, vagy a készülékek kameráinak és érzékelőinek működéséhez.

A Földön persze ennél sokkal nagyobb teljesítményű atomreaktorok állnak rendelkezésre, amelyek általában az urán-235-ös izotóp bomlásából felszabaduló hőt alakítják árammá. A mostani fejlesztők szerint hasonló atomreaktorok lesznek nagy valószínűséggel a kulcsai a folyamatos, több évig és megbízhatóan működő elektromos ellátásnak a viszonylag kisméretű kezdeti Földön kívüli településeknek.

Ezidáig több mint harminc nukleáris reaktorral rendelkező műhold kering Föld körüli pályán, amelyek jelentős többségét (31 darabot) a Szovjetunió űrprogramja keretében bocsátottak fel a hatvanas évek óta.

A 2010-es évek elején a fejlesztések új lendületet kaptak. A NASA Glenn Kutatóközpontja és az USA Energia Minisztériuma által elindított Kilopower program keretében — amelynek jelenlegi neve Nuclear Fission Power Project — új, legalább 10 kW teljesítményű reaktorokat terveznek.

Négy ilyen reaktor képes lenne ellátni hat űrhajóst a Marson, mivel ezek kb. 40 kW teljesítményt igényelnének. Az új tervek olyan könnyű és moduláris rendszert tartalmaznak, amelyek alkalmasak az űrben való telepítésre — a fellövés során minden kilogram számít — hiszen a korábbi prototípusokhoz képest, amelyek akár 12–14 tonnát is nyomhattak (6–7 tonna a reaktor, ehhez jön még egy vésztartalékként funkcionáló másodpéldány is), a mostani Kilopower rendszer összesen 1,5 tonnát tesz csak ki.

Az új terv alapja az egyszerűség. Nemcsak a tervekben, hanem a tervező csapatban, a vezetésben és minőségbiztosításban is. Ezeknek köszönhetően a mostani reaktor méretét a tesztekhez általában felhasznált kapszulák méretéhez igazították, így a régiek helyett nem kellett újakat gyártani ehhez a programhoz.

A reaktor magja körülbelül egy konyhai törlőpapír tekercs nagyságú 28 kg-os ötvözet, amely 8% molibdén és 92% dúsított uránt tartalmaz. Az atomhasadásra képes hengert berillium-oxid köpeny vesz körül, amely feladata a kiszökő neutronok visszatükrözése a magba. A mag közepén egy bór-karbid szabályozó rúd található, amely a neutronokat elnyelve a hasadás sebességét képes lassítani vagy akár teljesen le is állítani.

A bór-karbid szabályozó rúd segítségével lehet elérni az egyensúlyi állapotot, amikor a termelt neutronok száma megegyezik az atomhasadáshoz felhasznált, és a szabályozó rúd és köpeny által elnyelt és a köpenyen át kiszabaduló neutronok számával. A megtermelt hőt folyékony nátrium fémmel töltött csöveken vezetik ki a reaktorból, hogy azt az úgynevezett Stirling-típusú motorokban elektromos árammá alakítsák. A már 1800-as évek eleje óta ismert motorok egyszerű szerkezete egy dugattyú segítségével éri ezt el. A többlet hőmennyiséget hőcserélőkön keresztül adja le a reaktor.

Az első kezdetleges prototípus (DUFF) sikeresen bemutatta, hogy a rendszer elektromos áramot tud így termelni. 2018-ban egy második prototípust is üzembe helyeztek, amely a teljes működési ciklus sikeresen befejezte, többfajta vészleállás és az alrendszerek szimulált meghibásodását is beleértve. Ez a prototípus sikeresen elérte a célul kitűzött 5 kW teljesítményt is. További optimalizálásnak köszönhetően a 10 kW cél elérhető közelségbe került.

Persze vannak olyanok, akik a maghasadáson alapuló energiatermelést szkeptikusan fogadják, főleg az lehetséges és valós veszélyek miatt, legyenek ezek közvetlen emberi életre való hatások vagy a nukleáris fegyverkezést potenciálisan elősegítő technológia fejlesztés.

A NASA fejlesztői szerint az urán alapanyag csak gyenge alfa-sugárzást bocsát ki, amelyek akár egy papírlapon vagy az emberi bőrön sem tudnak áthatolni. Emiatt a reaktor mostani köpenye biztonsággal védené meg az azzal együtt utazó vagy együtt élő űrhajósokat. Az üzemidő befejeztével a reaktort magára lehetne hagyni, hiszen a szilárd állapotú bomlási mellék- és végtermékek nem tudnak kiszabadulni a köpenyből.

A lehető legrosszabb esetben, amikor felszállás közben az űrhajó felrobban, sem járna igazán komoly következménnyel egy ilyen reaktor szétesése, hiszen a szétszóródó urán részecskék csak néhány millirem nagyságú sugárzást okoznának egy kilométer távolságban, amely kevesebb mint az egy repülőút alatt ért átlagos sugárzás.

A tervek szerint az új reaktor típust először a Holdon tesztelik majd, hiszen bármilyen meghibásodás esetén innen viszonylag könnyen visszajuttathatók az űrhajósok. A marsi telep esetében érthető okokból jobb, ha minden a tervek szerint működik: ide már kiforrott technológiai megoldások szükségesek.

A fejlesztőgárda további tesztek elvégzését tervezi a közeljövőben. A működési paraméterek optimalizálása mellett további stressz-teszteknek kell a rendszert kitenni, hogy a szélsőséges hőmérséklet és a Holdra történő út viszontagságait (rázkódás, megnövekedett nehézségi erők, stb.) is biztosan túlélő reaktorokat tudjanak készíteni.

Az biztos, hogy ha ezek a reaktorok eljutnak a Holdra és ott sikerrel üzemelnek majd, az egész bolygó felfigyel majd az ilyen egyszerű és biztonságos atomreaktorokra.