Ядерные реакторы на Луну?
NASA собирается на пути к Марсу отработать ядерные источники энергии на Луне.
Источник: Forbes
Перепечатка
Агентство NASA выделило деньги на создание атомных реакторов для работы на поверхности Луны. Возвращение ядерных технологий в космос может сделать реальностью поселения на других планетах. Если, конечно, новые реакторы будут достаточно безопасными — а этого очень непросто добиться, предупреждает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев
Космическое агентство NASA и Министерство энергетики США анонсировали контракты на разработку ядерных реакторов для освоения Луны. Каждая установка должна иметь мощность 40 киловатт (кВт) и не менее 10 лет проработать в жестких условиях лунной поверхности. Заметим, что до сих пор еще ни один атомный реактор не работал на поверхности другого небесного тела, хотя они и выводились на околоземную орбиту.
Проект называется Fission Surface Power, что можно перевести как «Энергия деления [атомных ядер] на поверхности [Луны]». Всего по нему будет заключено три годовых контракта, каждый на $5 млн. Столь скромные сроки и суммы объясняются тем, что от исполнителей не требуется реактор под ключ. Нужно лишь разработать предварительную концепцию. Установки «в железе» ожидаются к концу десятилетия, и их создание потребует совсем других расходов.
Исполнителем по первому договору станет компания Lockheed Martin, известный производитель космической и военной техники, в партнерстве с BWXT и Creare. Второй контракт заключается с компанией Westinghouse of Cranberry Township в партнерстве с Aerojet Rocketdyne. Наконец, третья сделка будет заключена с компанией IX. Ее партнерами станут такие корифеи космической отрасли, как Maxar и Boeing.
Энергия амбиций
Напомним, что в США реализуется амбициозная лунная программа Artemis («Артемида»). Ее бюджет на 2021-2025 годы составляет почти $28 млрд. Уже в этом году должен состояться запуск беспилотного корабля для облета Луны, а на 2024 год намечена первая в XXI веке лунная экспедиция. В перспективе же планируется создание лунной базы, на которой астронавты будут находиться по несколько месяцев. Такие длительные миссии станут репетицией полета на Марс.
Естественно, базе потребуется электроэнергия. Где ее взять? Солнечные батареи — отличное решение для МКС и спутников Земли, у которых никогда не наступает ночь. А вот на Луне, за исключением ее полярных регионов, ночь длится почти 15 земных суток. Правда, строительство базы планируется как раз в районе южного полюса Луны. Но и там несколько дней непрерывной тьмы — обычное явление.
Получается, что солнечные батареи как минимум потребуют громоздких аккумуляторов. Не лучшее решение, учитывая, что доставка на Луну одного килограмма груза оценивается в сотни тысяч долларов. При таких тарифах нужно упаковать в килограмм энергосистемы как можно больше киловатт-часов (обеспечить высокую плотность энергии, как говорят специалисты). А по этому показателю ничего лучше ядерных реакций человечество пока не придумало.
Есть несколько способов извлечь энергию из атомного ядра. Можно использовать радиоактивный распад, деление ядер или термоядерный синтез. Каждый следующий процесс в этом списке дает больше энергии, но и требует больше усилий от создателей установки. О термоядерной энергетике в космосе говорить рано, она и на Земле — дело будущего. А вот энергия распада и деления ядер уже питала космические аппараты.
Сила в простоте
Проще всего использовать радиоактивный распад. В этом процессе радиоактивные элементы сами собой, без внешнего вмешательства, превращаются в другие элементы (например, плутоний — в уран). При этом испускаются заряженные частицы. Пролетая сквозь толщу вещества, они тормозятся, и их энергия превращается в тепло. Это тепло, в свою очередь, можно преобразовать в электроэнергию. Так и работает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ).
Радиоактивный распад — это самопроизвольный и чрезвычайно стабильный процесс. На его размеренный ход невозможно повлиять при всем желании, поэтому РИТЭГ и не нуждаются в управлении. И в техническом обслуживании тоже, поскольку устроены они крайне просто и не имеют движущихся частей. Наконец, такой генератор может давать энергию десятилетиями, хотя его мощность плавно уменьшается по мере распада радионуклида. В общем, это устройство класса «сделал и забыл» — то, что нужно для космических аппаратов.
И действительно, РИТЭГи летают в космос с 1960-х годов. Их первые космические испытания проводились на спутниках Земли. Но основная ниша РИТЭГов — там, где солнечные батареи не работают или работают плохо.
Это, разумеется, Луна с ее долгой ночью. Именно РИТЭГи питали советские «Луноходы», а также приборы, оставленные на Луне американскими астронавтами.
Пригодились радиоизотопные генераторы и на Марсе. От них запитаны марсоходы Curiosity и Perseverance, что позволяет им не зависеть от капризов местной погоды. Конечно, на Красной планете работают и солнечные батареи (марсианская ночь длится примерно как земная). Но их постепенно заносит пылью, отчего энерговыделение падает. По этой причине прямо сейчас медленно умирает InSight — первый зонд, зафиксировавший марсотрясения.
Наконец, РИТЭГи незаменимы на зондах, чересчур удаляющихся от Солнца. Например, «Вояджеры» поддерживают связь с Землей уже более 40 лет и за это время успели выйти в межзвездное пространство. Понятно, что никакая солнечная батарея не будет работать, когда Солнце выглядит просто яркой звездочкой.
Однако при всех своих достоинствах РИТЭГи имеют высокую стоимость и невысокую мощность. Например, источник питания марсохода Curiosity вырабатывает чуть больше 100 Вт. Ровер массой под тонну вынужден довольствоваться мощностью бытовой советской лампочки. И чтобы получать свои 70 киловатт-часов в месяц, ему требуется почти 5 кг чрезвычайно дорогого диоксида плутония.
Для сравнения: среднее российское домохозяйство тратит за месяц сотни киловатт-часов. И это на Земле, в городской квартире, где водопровод, вентиляция, канализация и так далее работают просто так, не терзая наш электросчетчик. А сколько энергии понадобится обитаемой лунной базе, вынужденной обеспечивать себя буквально всем? Нет смысла даже подсчитывать, во что обойдется ей использование РИТЭГов: сумма выйдет во всех смыслах слова астрономической. Радиоизотопные генераторы хороши для марсоходов, но космическим поселенцам нужны атомные электростанции (АЭС).
АЭС на орбите
Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). Ядро делится, когда в него попадает нейтрон. При этом оно само испускает несколько нейтронов, те попадают в другие ядра и заставляют делиться уже их, и так далее. Это и называется цепной реакцией.
Цепная реакция — гораздо более капризный процесс, чем радиоактивный распад. Чтобы она не затухла, ядерного топлива в активной зоне должно быть достаточно много. Но если его будет слишком много, произойдет взрыв. Конструкторы и операторы установки вынуждены поддерживать этот очень тонкий баланс, нарушение которого грозит катастрофой. Зато энергии при этом выделяется столько, что усилия многократно окупаются. Тому порукой почти 450 атомных реакторов, эксплуатировавшихся в мире на конец 2020 года.
Но ядерная энергетика в космосе — задача совсем другого порядка. Грузоподъемность ракет накладывает чрезвычайно жесткие ограничения на массу и габариты как самого реактора, так и вспомогательных систем. В космос не возьмешь с собой ни пруд-охладитель, ни защитный бетонный купол, ни оператора с пультом. Операторы, разумеется, будут дежурить на Земле, но связь с Землей может и прерваться. Однако конструкторов не остановили трудности.
Первым спутником с реактором на борту стал американский SNAP-10a, запущенный в 1965 году. Однако вскоре в США свернули все работы в этом направлении, сконцентрировавшись на лунной программе.
А вот СССР отправил на орбиту целую серию атомных спутников. Большинство из них несло на борту реактор «Бук». При очень скромных габаритах он имел ресурс 4400 часов и мощность вырабатываемого электричества 3 кВт. С 1970 по 1987 год в космос было запущено 32 «Бука». 11 из этих 32 полетов (более трети) сопровождались теми или иными неполадками. Расскажем о самых серьезных из них.
Активная зона первого запущенного «Бука» (1970 год) буквально расплавилась из-за небрежности, допущенной при сборке. По команде с Земли аварийный реактор отделился от спутника и отправился на орбиту захоронения, где пребывает и сейчас. Эта орбита достаточно высока, чтобы он не упал на Землю ни за какое обозримое время.
В 1973 году произошла новая авария, на этот раз с ракетой-носителем. Спутник не вышел на орбиту и упал в Тихий океан. Эта авария не стала экологической катастрофой, поскольку не сгоревшие урановые стержни не слишком радиоактивны. По-настоящему опасно отработанное ядерное топливо, богатое чрезвычайно активными радионуклидами.
Самый неприятный инцидент случился в 1978 году. Со спутником «Космос-954» была потеряна связь, команда на отстрел реактора не прошла, и радиоактивные обломки аппарата рухнули на территорию Канады. Ликвидация загрязнения заняла много месяцев. Канада предъявила СССР счет на более чем 6 млн канадских долларов, из которых было выплачено 3 млн.
После этого «Буки» были оснащены дополнительной системой безопасности. Если реактор входил в атмосферу, она автоматически выбрасывала наружу топливные стержни. Они разрушались потоком воздуха и рассеивались высоко над землей, так что радиоактивные вещества выпадали на поверхность планеты уже в безопасных концентрациях. Эта система пригодилась при авариях еще двух спутников, запущенных в 1982-м и 1987 году.
В 1987-м на орбиту отправились два советских аппарата с ядерными реакторами «Топаз», более мощными, чем «Бук». К 1988-му еще более перспективная установка «Енисей» прошла полный цикл наземных испытаний и была готова отправиться на орбиту.
Однако в том же 1988 году в СССР были свернуты все работы по ядерным реакторам в космосе. Тому было несколько причин — здесь и экономические трудности в стране, и Чернобыльская авария, подорвавшая доверие к ядерным технологиям. Свою роль сыграло и давление США. Вашингтон нервировали витающие над головой ядерные реакторы, с которыми регулярно что-то случалось — тем более что у него их не было.
Тропинки далеких планет
Интересно, что США когда-то свернули разработки космических реакторов ради первой лунной программы, а теперь возрождают их ради второй. Впрочем, ядерные технологии могут дать космосу гораздо больше программы «Артемида». Еще в 1950-х годах начались разработки ядерных ракетных двигателей. В таких установках вещество, истекающее из сопла, нагревается ядерным реактором (хотя само оно и не является продуктом реакции). Потенциально такие двигатели имеют куда большую тягу, чем сегодняшние химические. Они позволили бы строить межпланетные лайнеры в духе ранних Стругацких.
Тяжелые корабли — важное условие для колонизации Марса, о которой сегодня так модно говорить. Некоторые эксперты считают, что только на корабле с очень толстыми стенами и можно туда добраться, не погибнув по дороге от космической радиации. И в любом случае серьезный межпланетный поток людей и грузов явно требует чего-то большего, чем «Драгоны» или даже «Старшипы».
Корабли на ядерной тяге пока остаются на страницах классиков научной фантастики. Но о работах в этом направлении сегодня заявляют как в США, так и в России. Возможно, недалек тот день, когда эта технология наконец станет былью.
Автор публикации
