Hur lång tid skulle det ta att utnyttja jorden som en slunga till solen?
2023-04-04
Om man skulle skicka utbränt atomavfall till solen, hur lång tid skulle det ta om man utnyttjar jorden som en slunga lika med satelliternas hastighet?
Frågan ställdes 2023-04-04 av Bertil, 78 år.
Det är inte en bra idé att skicka använt kärnbränsle till solen. Låt oss gå igenom några av anledningarna till detta.
1. Riskerna
Lyft av material till rymden sker än så länge med hjälp av raketer. Dessa störtar ibland https://www.youtube.com/watch?v=RY1cEOzaf78 https://www.youtube.com/watch?v=RY1cEOzaf78>. Om syftet med raketlyftet är att få bort kärnavfallet från vår miljö, så skulle det minst sagt slå tillbaka på oss om en rymdraket fullastad med använt kärnbränsle trillade ner på oss. Eftersom raketkrascher kan ske med mycket hög fart, och raketbränsle brinner med mycket hög temperatur, så skulle det vara utmanande att göra en transportbehållare för avfallet som vore säker i en sådan krasch.
2. Kostnaderna
Det vore väldigt dyrt. Enbart att ta upp 1 kg till rymden kostar ca 55 000 USD https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/74082/ICES_2018_81.pdf?sequence=1&isAllowed=y https://ttu-ir.tdl.org/bitstream/handle/2346/74082/ICES_2018_81.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Trots att kärnkraft kan skryta om hög energidensitet, vilket ger relativt låga mängder avfall mätt i kg, så är avfallslagren för stora för att göra ett lyft till rymden till ett attraktivt alternativ. I enbart Sverige har vi i storleksordningen 10 000 ton kärnbränsle att ta hand om. Så det skulle kosta 100-tals miljarder dollar för att få upp bara själva bränsleavfallets massa i rymden. Lägg därtill att det skulle behövas tung skärmning och stadiga transportbehållare som kan förmodas väga ännu mer. Lägg därtill att man har lång kvar för att komma till solen, när man nått ut i rymden. Mer om det nedan.
3. Svårigheterna
Visst kan det verka som att det vore lätt att komma till solen, när vi väl kommit ut i rymden. Vi skulle väl falla dit med gravitationens hjälp, eller? Nej, tyvärr. Vi faller ju mot solen hela tiden, men missar, eftersom vi har en jättehög hastighet i vår omloppsbana runt solen. Den omloppsbanan är vi fast i https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/its-surprisingly-hard-to-go-to-the-sun https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/its-surprisingly-hard-to-go-to-the-sun>.
Ett sätt att komma till solen vore att skjuta raketen i motsatt riktning mot jordklotets riktning kring solen, och när vi kompenserat för vår ursprungliga hastighet (omloppshastigheten på 30 000 m/s) då skulle raketen med avfallet börja falla inåt mot solen. En viktig iakttagelse är att 30 000 m/s är mycket större än flykthastigheten från jorden (bara 11 000 m/s). Lägg till kostnaderna för det i punkt 2 ovan. Man kan även notera att det vore enklare och billigare (och säkrare?) att skicka avfallet ut från solsystemet! För det behöver vi bara 42 000 m/s, av vilka vi redan färdas i ca 30 000 m/s i år omloppsbana. Så det vore lättare att ”putta ut” avfallet ur solsystemet helt genom att öka den hastighet vi redan har, än att ”putta in” det i solen genom att bromsa.
4. Bumerangeffekt?
Om vi lyckades med att skjuta upp avfallet från jorden, och dessutom bromsa det i förhållande till solen, så skulle avfallet faktiskt börja falla mot solen. Men svårigheterna tar tyvärr inte slut där. Solen är mycket varm (6000 K), vilket kommer försvåra färden. Varje gång avståndet till solen halveras, så fyrdubblas den värmeeffekt som raketen tar emot från solstrålningen. Innan raketen når fram så kommer raketen och dess innehåll att smälta, förgasas till ett mycket stort gasmoln, och till sist bli ett plasma (dvs. en joniserad gas). Likt all annan materia som redan är i solen. Är det här ett problem? Ja möjligen. För plasma i solens utkant och omgivning skickas ut i stor hastighet, med ett utflöde som kallas för solvinden https://sv.wikipedia.org/wiki/Solvind https://sv.wikipedia.org/wiki/Solvind>. För kärnavfallet i fråga innebär det här att resan mot solen når en närmsta punkt, där det blir en joniserad gas, och sedan kommer det eventuellt att transporteras ut igen, ut till planetsystemen och vidare till det interstellära mediet. Vissa mindre spår av det radioaktiva avfallet kunde förväntas deponeras på jorden, månen och andra himlakroppar på vägen, vilket kan väcka frågor om man verkligen kommer att lyckas med uppsåtet.
5. Det finns bra alternativ
Det är sannerligen en knepig idé att skicka saker man vill bli av med in i solen. Men det kan också vara värt att belysa att det existerar alternativ. Det är geologiskt förvar som är den vedertagna idén för hur använt kärnbränsle ska lagras. Det finns många platser där berggrunden är stabil över miljontals år eller mer, vilket överträffar den tid som avfallet har betydande radiotoxicitet. Det ter sig som en bra idé i jämförelse.
Frågan besvarades av Peter Andersson, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik, institutionen för fysik och astronomi.
Jag tänkte som du för det är lätt att räkna på: Stoppa lasten i jordbanan och låt den falla och har räknat på det:
Vad gäller tiden så utgår jag från jordens banhastighet runt solen, ca 30 km per sekund. Det är den hastigheten som gör att jorden inte faller rakt in i solen. Därför tänker jag mig att man ger lasten farten 30 km per sekund rakt ”bakåt”, tvärtemot jordens färdriktning. Effekten blir då att lasten ”står stilla” på jordens avstånd från solen och att den börjar falla rakt in mot solen med avstängd motor. (30 km/s är egentligen mycket snabbare än någon av de satelliter som går i banor runt jorden). Fallet skulle då ta drygt 2 månader (det går sakta i början) men farten när den nådde solen skulle vara över 400 km per sekund.
När man använder planeter som slungor handlar det förmodligen om minst två planeter och då är möjligheterna väldigt många, för många och för komplexa att räkna på utan att vara expert på banberäkningar (först måste man bestämma tiden för uppskjutning och sedan vilka planeter man ska runda). Resultatet skulle förmodligen bli ungefär som ovan plus att man dessutom först skulle kryssa runt i det inre solsystemet under flera år.
Frågan besvarades av Bengt Edvardsson, universitetslektor vid avdelningen astronomi och rymdfysik, institutionen för fysik och astronomi.