Переломний момент в космонавтиці: ядерні реактори для космосу

Андрій Мазур редактор

Катерина Степаненко редактор

Читать на русском

Змінити розмір

А+

а-

МаленькийСереднійВеликий

10 червня 2018, 06:21

В закладинки

Поділитися

Копіювати лінк

Лінк скопійовано

При освоєнні Сонячної системи не обійтися без використання ядерної енергії

Для людей, мало пов'язаних з космонавтикою, найбільш пізнаваними елементами космічних систем є або ракетні двигуни, що викидають язики полум'я, або панелі сонячних батарей – розміри яких цілком можна порівняти з розмірами самого апарату. Міжнародна космічна станція (МКС) – цілком показовий в цьому плані приклад.

Але останнім часом космонавтика все частіше стикається з ситуаціями, коли сонячні батареї і традиційні хімічні ракетні двигуни вже не можуть вирішити свої завдання: батареї не дають достатню кількість енергії. А двигуни майже досягли межі своїх можливостей і не дозволяють всерйоз замахнутися на освоєння більш далеких частин Сонячної системи.

Тому все частіше інженери повертаються до використання ядерних реакторів в космосі. Не те щоб ця тема була якоюсь абсолютно новою. Інтерес до неї то зростав, то згасав з самого початку космічної ери. Однак в останні кілька років тема атомних установок за межами Землі знову опинилася в центрі уваги .

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ

Астронавт NASA розповів, як замовив піцу з космосу

Суть справи: дефіцит енергії

У наші дні в космонавтиці застосовуються два типи пристроїв , заснованих на застосуванні ядерної енергії .

Перші – радіоізотопні термоелектричні генератори (РІТЕГ). У них використано тепло, що виділяється при природному радіоактивному розпаді. Його за допомогою різних фізичних ефектів перетворять в електроенергію.

У другому типі пристроїв задіяна енергія, що виділяється в ході ланцюгової реакції. Це той же ядерний реактор, який використовується на АЕС або субмаринах, але космос накладає безліч вкрай жорстких вимог до конструкції. Тому космічні установки мало схожі із земними "родичами".

Нарешті, величезні надії покладаються на термоядерні установки, де використовується не розщеплення, а синтез ядер. Однак очікування затяглося на багато десятків років, тому термоядерні реактори ми з обговорення опускаємо.

Що ж змушує інженерів проявляти чудеса вигадки і відправляти складні, небезпечні і часто громіздкі пристрої за межі Землі?

По-перше, дефіцит енергії. Десь вичитав, що якщо споживання систем космічного апарату перевищує величину в 10 кВт, час задуматися про електропостачання від ядерної установки. На земній орбіті так гостро питання ще не стоїть: часто можна розгорнути сонячні батареї більшої площі (наприклад, на тій же МКС або багатьох супутниках). Однак чим далі від Сонця, тим менше світла, і тим нижче ефективність використання фотоелектричних елементів. Біля Марса площа для отримання тієї ж потужності, що і на земній орбіті, зростає в 2,5 рази, над Юпітером – в 27 разів, Сатурном – майже сотню. Біля жахливо далекого Нептуна потрібно в 900 разів більше, ніж біля Землі. А у всіх цих ситуаціях кожен кілограм апарату в прямому сенсі слова – на вагу золота!
Другий фактор – необхідність надійних джерел енергії з тривалим (близько 10 років) ресурсом роботи. Показовий приклад – міжпланетні автоматичні станції, що летять до цілі багато років .

За рахунок радіоактивного розпаду гранула плутонію-238 розпечена до червоного кольору

Рітег: ізотопна "нагрівайка"

Отже, при природному радіоактивному розпаді виділяється певна кількість тепла. Залежно від хімічного елемента процес цей може проходити з різною інтенсивністю і тривати різний час. Тобто можна підібрати речовину, яка буде давати більше тепла, але протягом кількох років, а можна вибрати такий радіоактивний елемент, який буде ледве-ледве "гріти" протягом десятиліть. У наші дні люди навчилися отримувати ізотопи з необхідними параметрами, або опромінюючи природні елементи в реакторах, або використовуючи ті, що утворюються при роботі реакторів.

Деокупація півдня країни – як українські військові відвойовують території

Заборона на пересування країною для військовозобов'язаних – всі деталі

Ракетні удари по мирних українськиих містах - липень 2022

Ядерний тероризм Росії

Принцип. Дуже часто використовують ізотоп плутоній-238. РІТЕГи з його застосуванням були на трьох десятках американських космічних апаратів, починаючи від легендарних "Вояджерів" і закінчуючи марсіанським довгожителем "К'юріосіті" і тріумфальним "Кассіні". А в радянських місяцеходах РІТЕГи отримували енергію з полонію-210.

Після "фарширування" обкладаємо капсулу з підібраним ізотопом елементами, які безпосередньо перетворюють теплову енергію в електричну – і вуаля!

Так виглядає принципова схема радіоізотопного термоелектричного генератора (РІТЕГ). Можуть змінюватися фізичні принципи і конструкція пристроїв, що перетворюють тепло в електрику. Але суть не зміниться .

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ

Китай запропонував користуватися своєю космічною станцією всім країнам ООН

Застосування. Крім постачання електроенергією , РІТЕГи використовують для підтримки температурного режиму всередині апарату . Наприклад , на " Місяцеходах " це була єдина функція таких пристроїв .

У наш час найпотужнішим радіоізотопним генератором є американський GPHS-RTG. Він містить майже 8 кг ізотопу плутонію. Видає 4,4 кВт теплової потужності і 300 Вт електричної. Ці значення прекрасно демонструють низький ККД подібних пристроїв. Втім, це не завадило встановити GPHS-RTG на апарати, які здійснили найсміливіші місії останніх років: "Улісс", "Галілео", "Кассіні-Гюйгенс" і "Нові горизонти".

Підводячи підсумок, можна сказати, що РІТЕГи стали звичним видом обладнання в космічній техніці і будуть служити ще довго і надійно. Однак проривних рішень на їх основі чекати не доводиться .

GPHS-RTG. Ізотопний генератор для станції "Нові горизонти". Фото: NASA

Реактори: все ще в очікуванні прориву

Що очікують конструктори від ядерних реакторів, розміщених на космічних апаратах? Великої кількості енергії при відносно невеликих розмірах її джерела та малу кількість палива для її генерації. А ще – можливості регулювати надходження енергії при необхідності. Сонячні батареї і радіоізотопні джерела з цими завданнями не справляються. Тому саме на базі атомних реакторів рано чи пізно будуть сконструйовані двигуни, які дозволять почати реальне освоєння Сонячної системи, а не робити епізодичні дослідні вилазки.

На початку космічної ери ядерні реактори представлялися як обов'язковий елемент " зіркових кораблів " . Вони просто не мислилися без таких ! Перший супутник , політ Гагаріна , місячні місії американців – все це сприймалося просто як без'ядерне дитинство космонавтики .

Однак в подальшому щось пішло не так. Робота зі створення реакторів для космічних апаратів дуже енергійно велася в 60-70-і роки. Тоді ядерні енергетичні установки в космосі перестали бути дивиною. Американці ще в 1965 р запустили супутник з реактором SNAP-10A (650 Вт). В СРСР з 1970 р на військові супутники застосовувалися ядерні реактори "Бук" (3 кВт) і "Топаз" (6,6 кВт). Але чим ближче до кордону тисячоліть, тим рідше приходили новини про нові проекти з цієї області. Схоже, на якийсь час навчилися обходиться без АЕС на орбіті. Але часи змінюються: в травні NASA повідомило про успішне тестування реактора Kilopower. До 2020 р передбачається завершити створення міні-АЕС, повністю готової до польоту і використання на Місяці і Марсі.

SNAP-10A. Перший атомний реактор, використаний на супутнику. Фото: NASA

Двигуни: заміна ракетній класиці

Хімічні ракетні двигуни поки залишаються єдиним засобом, що допомагає людині подолати земне тяжіння. Але ось для тривалих міжпланетних подорожей такі двигуни вже не дуже підходять. Так, вони мають велику тягу. Їх конструкція добре відпрацьована і перевірена багаторічним досвідом. Але хімічні ракети дуже ненажерливі. Їм потрібні тонни палива – яке в разі міжпланетної подорожі потрібно волочити з Землі. Одним словом, знадобилися інші підходи. І ось тут ядерні реактори після деякого забуття знову привернули увагу.

На цей час існує цілком пристойний перелік конструкцій двигунів для космічних апаратів з використанням ядерних реакторів . Але найбільш реальним і перспективним виглядає так званий іонний двигун , в якому ядерний реактор виконує все ту ж роль постачальника енергії .

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ

Маск показав корабель для космічних подорожей

Суть справи. Ідея іонного двигуна висунута ще століття тому, в 1917 р хімічному ракетному двигуні тягу створює потік частинок згоряння палива, які вилітають з сопла двигуна. В іонному тяга виникає за рахунок потоку заряджених частинок – іонів, розігнаних в електричному полі. Існуючі в наш час конструкції іонних двигунів мають дуже малу тягу, і це їх великий недолік. Але зате вони можуть працювати дуже довго. У порівнянні з їх хімічними побратимами – майже постійно. А вплив навіть слабкої тяги, але тривалий час, може розігнати апарат до досить значних швидкостей. Звичайно, набирати швидкість такий космічний корабель буде дуже повільно. Зате, розігнавшись, може надолужити згаяне.

Незважаючи на таку особливість, іонні двигуни вже добрих тридцять років використовуються на супутниках Землі. Їх застосовують для маневрування і орієнтації в просторі. Деякі апарати несуть на собі до десятки мініатюрних іонних двигунів.

Однак для міжпланетних місій потрібен інший розмах. І такі двигуни теж уже працюють.
У занедбаному ще в 1998 р апараті Deep Space 1 вперше в історії іонний двигун використовувався як маршовий. У 2003 р стартували до Місяця європейський Smart-1 і зонд "Хаябуса" (Японія), що відправився в довгу дорогу до астероїда Ітокава.

А міжпланетна станція Dawn (стартувала в 2007 році і до цього дня проводить дослідження карликової планети Церера) оснащена трьома іонними двигунами. Паливом для цієї багаторічної подорожі послужили близько 500 кг інертного газу ксенону. При цьому маса самого апарату – 1240 кг. Для хімічних двигунів таке співвідношення просто неможливо: там все було б з точністю навпаки.

Але у всіх цих прикладах джерела енергії для іонного двигуна були давно перевірені. Ті ж сонячні батареї, наприклад. Для того, щоб створити більш потужні іонні двигуни, вони явно не годилися. І, природно, конструктори вкотре звернули погляд на ядерні реактори.

Прометей. Наймасштабнішим, хоч і нереалізованим проектом іонного двигуна із застосуванням ядерного реактора став американський Prometheus. Планувалося, що компактний реактор буде розвивати потужність 250 кВт. Тяги, яку повинен був розвинути гіпотетичний двигун, вистачило б на те, щоб в рази скоротити час польоту до інших планет.

Пізніше було оголошено про плани зі створення ядерної корабля Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) для дослідження супутників Юпітера. Довжина JIMO повинна була досягати майже 60 м, ширина – близько 15 м. На малюнках відразу ж кидаються в очі величезні "крила" з боків корпусу. І це не сонячні батареї – це радіатори для охолодження корабельної АЕС. Їх площа повинна була досягати 450 кв. м.

Старт проекту JIMO намічався на 2011 рік. Потім – на 2016 р. На жаль, зухвалий проект було зупинено в 2005 р вже на стадії створення двигуна. Причина виявилася цілком банальною – перевитрата фінансування .

Рекордсмен. Випробування X3 – найпотужнішого іонного двигуна. Фото: NASA

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ

Міжнародна група вчених знайшла життя на Марсі

Ромбінзонада Марка Уотні

У 2015 році на екрани вийшов фільм Рідлі Скотта " марсіанин " , знятий за книгою Енді Вейра . Вона цікава тим , що дозволяє уявити , як виглядають згадані в статті технології вже в найближчому майбутньому .

За сюжетом астронавт Марк Уотні змушений боротися за своє виживання на Марсі.

Корабель. Перш ніж зробити Уотні новим Робінзоном, астронавтам потрібно дістатися до Марса. У книзі фігурує корабель, що курсує між орбітами планет. "У "Гермеса" іонні двигуни. Вони викидають аргон з задньої частини корабля з величезною швидкістю, щоб домогтися мізерного прискорення. Трохи аргону (плюс ядерний реактор як джерело енергії) дозволили підтримувати постійне прискорення на всьому шляху. Ви здивуєтеся, як швидко можна переміщатися з малим прискоренням протягом тривалого часу", – пояснює герой книги.

Обігрів. На Марсі сонячні батареї швидко покриваються пилом, і без очищення їх ефективність катастрофічно падає. Тому потрібне більш надійне джерело енергії. Так в арсеналі експедиції з'явився радіоізотопний генератор (РІТЕГ). Автор "марсіанин" зазначає, що це перший випадок використання РІТЕГ в пілотованій місії. Пристрій містив 2,6 кг плутонію-238 і видавав 1500 Вт тепла, які перетворювалися в 100 Вт електрики. Коли Уотні знадобилося обігріти кабіну марсохода, але не "садити" акумулятори, він закинув туди РІТЕГ, знятий з посадкового модуля. Штуковина прогріла салон при холоді в -80° C. "Що подумає NASA, дізнавшись, як я поводжусь з РІТЕГ? Напевно, залізе під стіл від жаху, притискаючи до грудей свої логарифмічні лінійки", – похмуро кепкував герой книги .