Космос кажется самым очевидным пространством для использования ядерных технологий, активно осваиваемых на поверхности Земли в мирных целях. Однако все оказывается не так просто – используемые сегодня технологии малоэффективны, а подъем на орбиту новых решений кардинально меняет «экономику» процесса
Почему все стали вспоминать о ядерных технологиях в космосе?
Совсем недавно стало известно, что госкорпорация «Роскосмос» запланировала создание космического аппарата с ядерной энергоустановкой, «способного дистанционно при помощи лазерного излучения подзаряжать спутники на околоземной орбите». Так сообщили в октябре «Известия».
Почему всех не устраивают солнечные батареи, ведь на орбите нет ночи – Солнце всегда под рукой?
Солнечные батареи более или менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты. Но уже на орбите Марса их площадь и масса для получения той же мощности должны быть увеличены в 2,5 раза, на орбите Юпитера – в 27 раз, на орбите Сатурна – в 91, а на орбите Нептуна – аж в 900. В принципе, энергию Солнца можно запасать, но для этого необходимы аккумуляторы, а это сильно снижает эффективность системы.
Специалисты NASA объясняют что такое ядерные двигатели и зачем они нужны
Разве никто раньше не пытался использовать в космосе ядерные технологии?
Безусловно, первые шаги человечества в космосе вызвали большую эйфорию в отношении использования ядерных технологий. Например, президент США Джон Кеннеди называл программупо созданию ракеты с ядерным двигателем одним из четырех приоритетных направлений в освоении космоса. Однако впоследствии энтузиазм падал все больше – для использования всех преимуществ ядерных технологий в космосе надо было слишком дорого заплатить: найти радикально новые решения в материаловедении, металлургии, теплотехнике, на что даже у ведущих держав было недостаточно средств.
Неужели достижения ядерщиков вообще не использовались в космосе?
Использовались. Но большинство атомных энергетических установок космического назначения не использовали цепную реакцию, полагаясь лишь на тепло, выделяющееся при естественном распаде плутония-238 или стронция-90 (то есть радиоизотопные источники). Это решение уравнивало последние с солнечными батареями по крайней мере в одном отношении: регулирование поступления энергии оставалось невозможным.
Можно рассказать о радиоизотопных источниках подробнее?
Они появились еще до активного развития ядерных технологий. В 1913 году Генри Мозли изготовил первый генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток. Изумительное по своей простоте устройство, представляло собой полую, посеребренную изнутри сферу, в центр которой помещалось некоторое количество радия. Излученные радием электроны поглощались слоем серебра, что приводило к разделению заряда и возникновению разности потенциалов. КПД батареи Мозли было ничтожным, источник производил почти исключительно тепло. Недаром капсулы с полонием-210 в советских «Луноходах» служили именно для обогрева приборного отсека. Тем не менее такие качества радиоизотопных генераторов, как предельная простота устройства, нетребовательность к обслуживанию и небольшая по отношению к выделяемой энергии масса, были отмечены уже тогда.
И кто первым использовал эту технологию в космосе?
Впервые ядерный реактор был выведен на орбиту в 1965 году. Американская установка SNAP-10A проработала 43 дня. Источник энергии, в частности, обеспечивал питание ионного двигателя, но его КПД составлял всего 1,5%. Поэтому SNAP-10A вошел в историю как единственный ядерный реактор, не способный обеспечить работу даже обычного электрочайника.
Видеохроника разработки и использования SNAP-10A (доступны русские субтитры)
Советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, отличался чуть лучшими характеристиками. При тепловой мощности 100 кВт в электрическую форму полупроводниковым термоэлектрическим генератором переводилось около 3 кВт. «Бук» предназначался для питания радиолокационной аппаратуры спутников-шпионов и представлял собой миниатюрный реактор на быстрых нейтронах.
Разве не предпринимались попытки совершенствования системы, придуманной еще в 1913 году?
В настоящее время американские исследователи работают над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим много общего с известным еще с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается. Преобразование ядерной энергии в тепловую, потом в кинетическую, и только потом в электричество представляется чрезмерно сложным процессом. Но первое впечатление обманчиво: нет никаких препятствий объединению принципов термоэлектрогенерации и тепловой машины Стирлинга. В последнем случае поршень позволит преобразовать в электричество до 30% энергии распада.
Почему в космос нельзя отправить ядерные реакторы, подобные тем, что работают на наземных АЭС?
Масса реактора примерно на порядок больше, чем у радиоизотопной батареи, а надежность существенно ниже. Тот же SNAP-10A вышел из строя в результате сбоя управляющей аппаратуры. Аварии подобного рода в космосе вполне вероятны, так как могут провоцироваться воздействием самого реактора на электронику: жесткие требования к массе не позволяют установить противорадиационную защиту. Ионизирующее излучение из активной зоны, которое нельзя ни экранировать, ни использовать, исключает применение реакторов на пилотируемых кораблях. Невелик и срок службы реактора – всего около года. Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите если и теоретически возможны, то нерентабельны. Предельная же миниатюризация и упрощение конструкции реактора приводят к тому, что цепная реакция прекращается даже при незначительном падении содержания необходимого изотопа.
Разве одного года недостаточно?
Один год – это слишком мало. Миссии космических аппаратов, направляющихся к Юпитеру, Сатурну, Плутону, продолжаются куда дольше, и реактор не может составить конкуренцию радиоизотопному источнику энергии, способному проработать 30−40 лет, прежде чем генерируемая мощность упадет вдвое. Актуальной остается и проблема утилизации реакторов, выполнивших свою задачу. Практикуемый с 1970-х годов перевод активной зоны на «орбиту захоронения» высотой 1000 км означает лишь отсрочку неизбежного. Когда-то их придется возвращать на Землю. А на Земле и без того много лишнего.
Что же тогда такое разрабатывают в «Роскосмосе»?
Как удалось выяснить «Известиям», согласно техзаданию «Роскосмоса» нпетербургское КБ «Арсенал» должно исследовать возможные варианты применения космического аппарата для решения задач «направленной передачи энергии лазерным излучением». Генерировать энергию на борту должен атомный источник, разработка которого ведется с 2010 года.
Перспективные технологии от НПО «Энергомаш»
И как оценивают перспективы этого проекта эксперты?
Научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев заявил «Известиям», что считает разработку «космической АЭС» бесперспективной, поскольку ее техническая реализация слишком сложна, а варианты применения непонятны: «Что проще, поставить на спутник традиционные солнечные батареи или обеспечивать взаимное маневрирование двух аппаратов для удержания лазерного луча?» По словам эксперта, потери электроэнергии при преобразовании ее в световой луч, а затем обратно будут настолько велики, что технология окажется экономически невыгодной.
Но есть и противоположное мнение. Это решение может оказаться перспективным научным исследованием. Член-корреспондент Российской академии космонавтики имени Циолковского Андрей Ионин считает исследования лазерных технологий в космосе перспективными. Однако он затруднился пояснить возможные сферы применения «космической АЭС». «Испытания лазера в космосе – продолжение идей по передаче солнечной энергии со спутника на Землю лазерным лучом. Но если в атмосфере такой луч будет рассеиваться, то в космическом вакууме ему практически ничего не мешает. Это довольно интересный проект. Ничего подобного пока не предлагалось, но мне кажется, что эти две темы — ядерную энергетику и лазерные технологии – нужно разделить», – уверен он.
А где можно использовать эту технологию?
Лазерные технологии в космосе могут найти применение в проектах по отправке микроспутников за пределы Солнечной системы. Например, подобный проект – Breakthrough Starshot – в 2016 году презентовали интернет-инвестор Юрий Мильнер и ученый Стивен Хокинг. С помощью мощного лазера предлагается разогнать малый спутник до скорости 160 млн км/ч, что позволит ему за 20 лет добраться до звезды альфа Центавра.
Проект Юрия Мильнера и Стивена Хокинга может позволить человечеству добраться до соседних звезд в скором времени
