Переломный момент в космонавтике: ядерные реакторы для космоса

Для людей, мало связанных с космонавтикой, самыми узнаваемыми элементами космических систем являются либо ракетные двигатели, выбрасывающие языки пламени, либо панели солнечных батарей — размеры которых вполне сопоставимы с размерами самого аппарата. Международная космическая станция (МКС) — вполне показательный в этом плане пример.

Но в последнее время космонавтика все чаще сталкивается с ситуациями, когда солнечные батареи и традиционные химические ракетные двигатели уже не могут решить свои задачи: батареи не дают достаточное количество энергии. А двигатели почти достигли предела своих возможностей и не позволяют всерьез замахнуться на освоение более далеких частей Солнечной системы.

Поэтому все чаще инженеры возвращаются к использованию ядерных реакторов в космосе. Не то чтобы эта тема была какой-то абсолютно новой. Интерес к ней то возрастал, то затухал с самого начала космической эры. Однако в последние несколько лет тема атомных установок за пределами Земли снова оказалась в центре внимания.

Деоккупация юга страны – как украинские военные отвоевывают территории

Запрет на передвижение по стране для военнообязанных – все детали

Ракетные удары по мирным украинским городам - июль 2022

Ядерный терроризм россии

Суть дела: дефицит энергии

В наши дни в космонавтике применяются два типа устройств, основанных на применении ядерной энергии.

Первые — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). В них использовано тепло, выделяющееся при естественном радиоактивном распаде. Его при помощи разных физических эффектов преобразуют в электроэнергию.

Во втором типе устройств задействована энергия, выделяющаяся в ходе цепной реакции. Это тот же ядерный реактор, который используется на АЭС или субмаринах, но космос накладывает множество крайне жестких требований к конструкции. Поэтому космические установки мало схожи с земными "сородичами".

Наконец, огромные надежды возлагаются на термоядерные установки, где используется не расщепление, а синтез ядер. Однако ожидание затянулось на многие десятки лет, поэтому термоядерные реакторы мы из обсуждения опускаем.

Что же заставляет инженеров проявлять чудеса выдумки и отправлять сложные, небезопасные и зачастую громоздкие устройства за пределы Земли?

Во-первых, дефицит энергии. Где-то вычитал, что если потребление систем космического аппарата превышает величину в 10 кВт, впору задуматься об электроснабжении от ядерной установки. На земной орбите так остро вопрос еще не стоит: зачастую можно развернуть солнечные батареи большей площади (например, на той же МКС или многих спутниках). Однако чем дальше от Солнца, тем меньше света, и тем ниже эффективность использования фотоэлектрических элементов. Возле Марса площадь для получения той же мощности, что и на земной орбите, возрастает в 2,5 раза, над Юпитером — в 27 раз, Сатурном — почти сотню. Возле чудовищно далекого Нептуна нужно в 900 раз больше, чем возле Земли. А во всех этих ситуациях каждый килограмм аппарата в прямом смысле слова — на вес золота!
Второй фактор — необходимость в надежных источниках энергии с длительным (около 10 лет) ресурсом работы. Показательный пример — межпланетные автоматические станции, летящие к цели многие годы.

За счет радиоактивного распада гранула плутония-238 раскалена докрасна

Ритэг: изотопная "нагревайка"

Итак, при естественном радиоактивном распаде выделяется некоторое количество тепла. В зависимости от химического элемента процесс этот может проходить с разной интенсивностью и длиться разное время. То есть можно подобрать вещество, которое будет давать больше тепла, но в течение нескольких лет, а можно выбрать такой радиоактивный элемент, который будет еле-еле "греть" на протяжении десятилетий. В наши дни люди научились получать изотопы с необходимыми параметрами, либо облучая природные элементы в реакторах, либо используя те, что образуются при работе реакторов.

Принцип. Очень часто используют изотоп плутоний-238. РИТЭГи с его применением были на трех десятках американских космических аппаратов, начиная от уже ставших легендой "Вояджеров" и заканчивая марсианским долгожителем "Кьюриосити" и триумфальным "Кассини". А в советских луноходах РИТЭГи получали энергию из полония-210.

После "фаршировки" обкладываем капсулу с подобранным изотопом элементами, напрямую преобразующими тепловую энергию в электрическую — и вуаля!

Так выглядит принципиальная схема радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ). Могут меняться физические принципы и конструкция устройств, преобразующих тепло в электричество. Но суть не изменится.

Применение. Помимо снабжения электроэнергией, РИТЭГи используют для поддержания температурного режима внутри аппарата. Например, на "Луноходах" это была единственная функция таких устройств.

В наше время самым мощным радиоизотопным генератором является американский GPHS-RTG. Он содержит почти 8 кг изотопа плутония. Выдает 4,4 кВт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Эти значения прекрасно демонстрируют низкий КПД подобных устройств. Впрочем, это не помешало установить GPHS-RTG на аппараты, совершившие самые дерзкие миссии последних лет: "Улисс", "Галилео", "Кассини-Гюйгенс" и "Новые горизонты".

Подводя итог, можно сказать, что РИТЭГи стали привычным видом оборудования в космической технике и будут служить еще долго и надежно. Однако прорывных решений на их основе ждать не приходится.

GPHS-RTG. Изотопный генератор для станции "Новые горизонты". Фото: NASA

Реакторы: все еще в ожидании прорыва

Что ожидают конструкторы от ядерных реакторов, размещенных на космических аппаратах? Большого количества энергии при относительно небольших размерах ее источника и малого количества топлива для ее генерации. А еще — возможности регулировать поступление энергии при необходимости. Солнечные батареи и радиоизотопные источники с этими задачами не справляются. Поэтому именно на базе атомных реакторов рано или поздно будут сконструированы двигатели, которые позволят начать реальное освоение Солнечной системы, а не совершать эпизодические исследовательские вылазки.

В начале космической эры ядерные реакторы представлялись как обязательный элемент "звездных кораблей". Они просто не мыслились без таковых! Первый спутник, полет Гагарина, лунные миссии американцев — все это воспринималось просто как безъядерное детство космонавтики.

Однако в дальнейшем что-то пошло не так. Работа по созданию реакторов для космических аппаратов очень энергично велась в 60—70-е годы. Тогда ядерные энергетические установки в космосе перестали быть диковинкой. Американцы еще в 1965 г. запустили спутник с реактором SNAP-10A (650 Вт). В СССР с 1970 г. на военных спутниках применялись ядерные реакторы "Бук" (3 кВт) и сменивший его "Топаз" (6,6 кВт). Но чем ближе к границе тысячелетий, тем реже приходили новости о новых проектах из этой области. Похоже, на какое-то время научились обходится без АЭС на орбите. Но времена меняются: в мае NASA сообщило об успешном тестировании реактора Kilopower. К 2020 г. предполагается завершить создание мини-АЭС, полностью готовой к полету и использованию на Луне и Марсе.

SNAP-10A. Первый атомный реактор, использованный на спутнике. Фото: NASA

Двигатели: замена ракетной классике

Химические ракетные двигатели пока остаются единственным средством, помогающим человеку преодолеть земное притяжение. Но вот для длительных межпланетных путешествий такие двигатели уже не слишком подходят. Да, они обладают большой тягой. Их конструкция хорошо отработана и проверена многолетним опытом. Но химические ракеты очень прожорливы. Им нужны тонны топлива — которое в случае межпланетного путешествия нужно волочь с Земли. Одним словом, понадобились другие подходы. И вот здесь ядерные реакторы после некоторого забвения снова привлекли внимание.

К настоящему времени существует вполне приличный перечень конструкций двигателей для космических аппаратов с использованием ядерных реакторов. Но наиболее реальным и перспективным выглядит так называемый ионный двигатель, в котором ядерный реактор выполняет все ту же роль поставщика энергии.

Суть дела. Идея ионного двигателя выдвинута еще век назад, в 1917 г. В химическом ракетном двигателе тягу создает поток частиц сгорания топлива вылетающих из сопла двигателя. В ионном тяга возникает за счет потока заряженных частиц — ионов, разогнанных в электрическом поле. Существующие в наше время конструкции ионных двигателей обладают очень малой тягой, и это их большой недостаток. Но зато они могут работать очень долго. По сравнению с их химическими собратьями — почти постоянно. А воздействие даже слабой тяги, но длительное время, может разогнать аппарат до весьма внушительных скоростей. Конечно, набирать скорость такой космический корабль будет очень медленно. Зато, разогнавшись, может наверстать упущенное.

Несмотря на такую особенность, ионные двигатели уже добрых тридцать лет используются на спутниках Земли. Их применяют для маневрирования и ориентации в пространстве. Некоторые аппараты несут на себе до десятка миниатюрных ионных двигателей.

Однако для межпланетных миссий нужен иной размах. И такие двигатели тоже уже работают.
В запущенном еще в 1998 г. аппарате Deep Space 1 впервые в истории ионный двигатель использовался как маршевый. В 2003 г. стартовали к Луне европейский Smart-1 и зонд "Хаябуса" (Япония), отправившийся в долгую дорогу к астероиду Итокава.

А межпланетная станция Dawn (стартовала в 2007 г. и по сей день проводит исследования карликовой планеты Церера) оснащена тремя ионными двигателями. Топливом для этого многолетнего путешествия послужили около 500 кг инертного газа ксенона. При этом масса самого аппарата — 1240 кг. Для химических двигателей такое соотношение просто невозможно: там все было бы с точностью наоборот.

Но во всех этих примерах источники энергии для ионного двигателя были давно проверенные. Те же солнечные батареи, например. Для того, чтобы создать более мощные ионные двигатели, они явно не годились. И, естественно, конструкторы в который раз обратили взор на ядерные реакторы.

Прометей. Самым масштабным, хоть и нереализованным проектом ионного двигателя с применением ядерного реактора стал американский Prometheus. Планировалось, что компактный реактор будет развивать мощность 250 кВт. Тяги, которую должен был развить гипотетический двигатель, хватило бы на то, чтобы в разы сократить время полета к другим планетам.

Позднее было объявлено о планах по созданию ядерного корабля Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) для исследования спутников Юпитера. Длина JIMO должна была достигать почти 60 м, ширина — около 15 м. На рисунках сразу же бросаются в глаза огромные "крылья" по бокам корпуса. И это не солнечные батареи — это радиаторы для охлаждения корабельной АЭС. Их площадь должна была достигать 450 кв. м.

Старт проекта JIMO намечался на 2011 год. Потом — на 2016 г. Увы, дерзкое предприятие было остановлено в 2005 г. уже на стадии создания двигателя. Причина оказалась вполне банальной — перерасход финансирования.

Рекордсмен. Испытания X3 — самого мощного ионного двигателя. Фото: NASA

Ромбинзонада Марка Уотни

В 2015 году на экраны вышел фильм Ридли Скотта "Марсианин", снятый по книге Энди Вейра. Она интересна тем, что позволяет представить, как выглядят упомянутые в статье технологии уже в ближайшем будущем.

По сюжету астронавт Марк Уотни вынужден бороться за свое выживание на Марсе.

Корабль. Прежде чем сделать Уотни новым Робинзоном, астронавтам нужно добраться до Марса. В книге фигурирует корабль, курсирующий между орбитами планет. "У "Гермеса" ионные двигатели. Они выбрасывают аргон из задней части корабля с огромной скоростью, чтобы добиться мизерного ускорения. Немного аргона (плюс ядерный реактор как источник энергии) позволили поддерживать постоянное ускорение на всем пути. Вы удивитесь, как быстро можно перемещаться с малым ускорением на протяжении длительного времени", — объясняет герой книги.

Обогрев. На Марсе солнечные батареи быстро покрываются пылью, и без очистки их эффективность катастрофически падает. Поэтому нужен более надежный источник энергии. Так в арсенале экспедиции появился радиоизотопный генератор (РИТЭГ). Автор "Марсианина" отмечает, что это первый случай использования РИТЭГ в пилотируемой миссии. Устройство содержало 2,6 кг плутония-238 и выдавало 1500 Вт тепла, которые превращались в 100 Вт электричества. Когда Уотни понадобилось обогреть кабину марсохода, но не "сажать" аккумуляторы, он забросил туда РИТЭГ, снятый с посадочного модуля. Штуковина прогрела салон при стуже в –80°C. "Что подумает NASA, узнав, как я обращаюсь с РИТЭГ? Наверное, залезет под стол от ужаса, прижимая к груди свои логарифмические линейки", — мрачно язвил герой книги.