Ученые NASA изучают поверхность Марса с помощью ядерных технологий, надеясь найти признаки жизни.
Марсоход Perseverance («Настойчивость») будет исследовать на Красной планете почву вокруг кратера Hezero, и поможет ему в этом радиоизотопный термоэлектрический генератор на борту - ядерная батарея с зарядом в 10,6 фунтов плутониевого топлива. Она будет питать Perseverance в течение 14 лет. Космический аппарат отбирает образцы грунта, которые будут изучаться на месте, а в дальнейшем - доставлены на Землю для научных исследований.
У нового ровера NASA нет солнечных батарей. Он питается электричеством от ядерно-энергетической системы — многоцелевого радиоизотопного термоэлектрического генератора (MMRTG или РИТЭГ), который установлен в задней части аппарата.
MMRTG использует тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов и преобразует её в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора. Он имеет массу 45 кг и использует 4,8 кг диоксида плутония в качестве источника энергии. На момент запуска марсохода с Земли генератор вырабатывал примерно 110 Ватт, но с каждым годом это значение будет снижаться. Также на ровере установлены две литий-ионных перезаряжаемых батареи. Радиоизотопный термоэлектрический генератор, предоставленный Министерством энергетики США, должен обеспечить 14 лет работы марсохода.
В отличие от ядерных реакторов, энергосистеме марсохода не нужно поддерживать реакцию деления. Выходная мощность RTG невелика — всего несколько сотен ватт, КПД тоже мал. Генератор использует тепло, выделяемое при распаде плутония-238, и преобразует его в электричество.
Система способна бесперебойно работать без какого-либо обслуживания. Доказательство тому — сигналы от двух зондов Voyager, запущенных в космос в конце 1970-х годов и оснащенных аналогичными системами. Всего RTG использовались уже более чем в двух десятках миссий по исследованию дальнего космоса.
«Плутоний-238 является уникальным изотопом, который распадается под действием альфа-излучения. Благодаря этому он генерирует много тепла, — говорит руководитель программы снабжения плутонием Роберт Уэм из Национальной лаборатории Окриджа, которая в настоящее время сотрудничает с NASA. — Для такого небольшого аппарата, как Perseverance, не нужно интенсивное деление. Достаточно термического распада».
Первые три ровера (Sojourner, Spirit и Opportunity) использовали солнечную энергию. Четвертый ровер Curiosity, который опустился на Красную планету в 2012 году, инженеры оснастили ядерной батареей, в которой, кстати, находится российский плутоний. Но теперь у США есть свой изотоп.
Процесс строительства ядерной батареи начинается в Национальной лаборатории Айдахо, где производится нептуний-237 — радиоактивный оксид металла. Затем он направляется в Теннесси для прессования в таблетки размером с карандашные ластики. Затем «таблетки» укладываются в металлические стержни (по 52 штуки в каждый), которые, в свою очередь, помещаются в ядерный реактор либо в Окридже, либо в Национальной лаборатории Айдахо. Затем стержни в реакторе бомбардируются нейтронами для преобразования в плутоний. После остывания в течение нескольких месяцев плутоний отправляется в Лос-Аламосскую национальную лабораторию в Нью-Мексико, где другая машина прессует небольшие плутониевые шарики. На последнем этапе плутоний помещается в корпуса из иридия — практически неразрушимого металла, который препятствует проникновению радиации во внешнюю среду.
Некоторые предыдущие марсоходы, в частности Curiosity, полагались в своей работе на солнечную энергию, но Perseverance использует ядерную батарею - из-за того, что световой энергии недостаточно. NASA поставило цель провести больше экспериментов и исследований с использованием устройствами с электрическим приводом, поэтому Perseverance нуждался в гораздо большем количестве энергии. К тому же, марсианский год длится вдвое дольше земного. В отличие от предшественников, ровер сможет работать и по ночам, и в условиях пыльных бурь, что было бы невозможным при использовании солнечных батарей, так как фотоэлектрические панели в таких условиях быстро загрязняются песком и пылью.
В ядерной батарее используется термопар для преобразования тепла, выделяемого при распаде радиоактивного материала в электричество в результате эффекта Зеебека. Этот тип генератора является самым надежным, поскольку не имеет движущихся частей.
«Персеверанс», разработанный для исследования кратера Езеро на Марсе в рамках миссии Американского аэрокосмического агентства, стартовал с Земли 30 июля 2020 года. Полёт продолжался около семи месяцев. Посадка на Марс была произведена 18 февраля 2021 года в автоматическом режиме.
Марсоход имеет 7 научных инструментов для изучения поверхности Марса в районе кратера Езеро, где, по мнению учёных, могут находиться дельты высохших рек. Аппарат оснащен камерами для съёмки и микрофонами для записи звука, а также укомплектован отдельным беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) вертолётного типа. Первый в мире внеземной вертолет Ingenuity («Индженьюити», в переводе с англ. — «Изобретательность») поможет обнаружить новые локации для изучения.
Как только будет найдено подходящее место для «вертолетной площадки», марсоход выпустит Ingenuity для выполнения серии тестовых полетов в течение 30-дневного экспериментального периода. Автономный беспилотник-разведчик массой 1,8 кг использует солнечные батареи.
Во время первого полета геликоптер взлетит вверх на несколько футов, зависнет в воздухе примерно на 20-30 секунд и «примарсится». После этого команда предпримет дополнительные экспериментальные полеты на все большее расстояние и большую высоту. После того, как вертолет завершит демонстрацию технологий, Perseverance продолжит свою научную миссию.
Пятисуставный роботизированный манипулятор-«рука» длиной 2,1 м вместе с поворачиваемой башней-турелью предназначены для захвата и анализа геологических образцов с марсианской поверхности.
Преобразование тепловой энергии в электрическую происходит с помощью полупроводникового преобразователя (термобатареи). Источником тепловой энергии является радионуклидный источник. В какой-то момент запас изотопа в генераторе истощится, и тогда марсоход остановится.
В России РИТЭГи используются для питания удаленного научного оборудования и прочих систем, а также маяков.
Начиная с первых шагов по освоению космоса, США и Советский Союз разрабатывали ядерные батареи для космических аппаратов. В этих устройствах применялись термоэлектрические материалы, с помощью которых тепло ядерной реакции напрямую преобразовывалось в электроэнергию. Такие установки были очень компактными, так как в них отсутствовали парогенераторы, турбины, генераторы. Но эффективность подобных устройств крайне низка (КПД варьируется в пределах 3—7% и даже в экспериментах не превышает 10%).
Небольшие ядерные реакторы и атомные батареи уже давно используются при создании беспилотных спутников-шпионов. И NASA, и советская космонавтика потратили огромные суммы, пытаясь создать безопасную систему, которая бы обеспечила движение космического корабля в пространстве, после того, как он покинет Землю. Такие звездолеты можно сравнить с атомными субмаринами.
Большинство космических кораблей оснащены химическими ракетами, а дополнительную энергию они получают от солнечных модулей, однако существующая технология непрактична для межпланетных полетов, даже для рейса к нашему самому близкому планетарному соседу, Марсу.