Что может быть чуднее, чем космический корабль с паровой машиной, – котлом и стучащими поршнями? Фантазия в духе стимпанка, хотя в произведениях Жюля Верна, к романтике которых данное культурное течение восходит, для космических полётов уже использовался двигатель реактивный. Ну или пушка, – там близкий принцип… Между тем, как минимум, паровой котёл в конструкцию проектируемых кораблей с ядерным двигателем включается. Ведь турбину для получения электричества питающего ускоритель ионов там, как и на земных АЭС, крутит образующейся во втором контуре охлаждения водяной пар.
С другой стороны, всё-таки, турбину. Поршни, как в паровозе, не требуется.
Но можно в космосе летать и с поршнями. На данном этапе это даже более реалистично, чем реактор предполагающий использование турбины.
...Собственно, ядерная энергетическая установка в наши дни есть едва ли не на каждом космическом аппарате. Но обычно это радиоизотопный источник, – капсула с короткоживущим 238 изотопом плутония. Там ничего не кипит и не стучит, поскольку энергия распада ядер превращается в электрическую с помощью термоэмиссионного преобразователя. Однако, несмотря на постоянные доработки, недостатком таких устройств остаётся КПД достойный именно паровых машин, – не более 7%. Прочее переходит в тепло, сброс которого в вакууме представляет нешуточную проблему.
Как следствие, мысль конструкторов давно работает над тем, как лишнее тепло использовать.
И наиболее перспективным вариантом представляется адаптация к нуждам космонавтики изобретённого Робертом Стирлингов ещё с 1816 года парового двигателя. КПД «машины Стирлинга» очень высок для примитивных вообще, но в частности и для новейших космического назначения устройств… Тут сложная логическая связь. Но противоположности, как известно, стремятся к единству… Короче говоря, КПД 30% в данном случае это почти фантастика.
Принцип действия машины очень прост. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, газ сжимается и поршень опускается под собственным весом. Таким образом, легко понять почему даже в начале XIX, рассмотрев гениальное творение Стрилинга, потенциальные заказчики сразу сказали, что такое им даром не нужно.
Проблема в том, что двигатель Стирлинга развивает никакую мощность по отношению к собственному весу. Плюс, движение поршня происходит мучительно медленно. Первое и второе не позволило Стирлигну конкурировать с появившимися ранее паровыми машинами Уатта… Но с другой стороны, двигатель имеет и изюминку: он позволяет использовать, трансформируя в поступательное движение, любую разницу температур, даже самую незначительную. А капсула в плутонием, как раз, не топка с углём, и много тепла не даёт.
Не считая экстравагантности замысла, – атомная установка с поршнем действительно выглядит странно, – идея не имеет очевидных недостатков. Ведь, нет никаких препятствий тому, чтобы объединить принципы термоэлектрогенерации и тепловой машины Стирлинга. В последнем случае, поршень, если дополнить его механизмом переводящим движение во вращательное, позволит преобразовать в электричество дополнительно 30% энергии распада.
Но с достоинствами тоже негусто. Всё что может быть сделано проще, делается проще, а на данном этапе при организации миссий автоматических межпланетных станций, если нужно больше энергии проще взять на борт больше плутония… Капсула с полупроводниковым термоэлектрическим генератором почти ничего не весит. Поршень же плох хотя бы тем, что будет создавать вибрацию. Вроде бы, мелочь, однако, и это придётся учитывать.
...То есть, «стирлинг» на основе радиоизотопного источника это, в принципе, ни о чём. И другой вопрос, если на борту корабля появится настоящий реактор. Реактор, в отличие от капсулы с изотопом, даёт много энергии, много, – даже опасно много, – лишнего тепла, как отмечалось выше, там уже есть котёл и турбина, так как вопрос с вибрацией отпадает (она будет). Плюс, реактор тяжёл. Значит, проблема повышения КПД обретает большую остроту.
...Приделать поршни Стирлинга к ядерному реактору, впрочем, тоже не удалось. Иначе бы данное ноу-хау нашло бы применение на Земле. Однако всё изменится, если реактор и машина Стирлинга окажутся одном и тем же устройством. Для этого потребуется использовать в качестве рабочего тела самоядерное горючее. Которое, соответственно, должно стать газообразным. Звучит это ещё страннее, чем «поршень», но тут, как раз, нет проблемы. Обогащение уран проходит именно в газообразной форме гексофторида.
Если запустить в цилиндр газообразный 235-уран, начавшаяся цепная реакция приведёт к нагреву и расширению топлива и поршень придёт в движение. Соответственно, объём увеличится, плотность газа упадёт, и реакция прекратится сама собой. В ядерной энергетике это называется «внутренней безопасностью»… А затем тепловое расширение гексафторида во втором цилиндре толкнёт поршень назад и запустит новый цикл.
И никто не мешает использовать термоэлектрогенераторы, как наружную оболочку машины и получать дополнительную энергию.
Главное достоинство собранного по принципу машины Стирлинга газофазного ядерного реактора – минимальный, сравнительно с другими вариантами, вес. Дополнительным плюсом оказывается убийственная простота. Минус же, собственно, только один – работать это при сколько-то разумных габаритах установки не будет.
Засада в том, что плотность газообразного гексафторида недостаточно велика. Соответственно, огромным, сравнительно с таковым в твёрдом уране, окажется пробег быстрых нейтронов. Если поперечник цилиндра не исчисляется десятками метров, они просто уйдут из активной зоны.
Замедлитель – в виде водяного пара или метана, – лишь создаст новые проблемы (за счёт радиационного разложения например), но старых не решит. Причина та же – низкая плотность.
...И казалось бы, что мешает плотность до желаемого уровня повысить, – ведь газ сжимаем. Но сжатие подразумевает высокое давление, а значит большую прочность конструкции и соответствующий вес. Плюс, суперстирлинг на максималках начнёт работать как настоящая паровая машина, – с бешеной частотой циклов, тряской и перегрузками… Став просто опасным. Ведь поршни будет толкать пусть и микро, но ядерный взрыв.
Так что, пока, нет кораблей, в которые двигатель габаритами десятки на сотню метров поместится, – да ну его. Пусть лучше пар турбину крутит.