Republic - Ядерная тяга как новая надежда на освоение дальнего космоса
res_publica9 ноября 2021 г. Андрей Сорокин.
Когда добыча урана из морской воды станет экономически оправданной, это сделает ядерную энергию полноценно возобновляемым видом. Однако и без этого атом переживает сейчас своеобразный ренессанс: крупные державы планируют увеличивать долю атомной энергии, в мире строится 52 новых ядерных реактора (больше всего, разумеется, в Китае), разрабатываются реакторы нового поколения, более эффективные, удобные в эксплуатации и компактные. Все это дает повод отвести ядерной энергии важную роль в энергетическом переходе и даже запланировать ее активное использование в космосе.
Энергия атома участвовала в освоении космоса с 1960-х, а сегодня, с возрождением космической гонки, встает вопрос о необходимости нового поколения летательных аппаратов. Несмотря на нереальность исследований даже близлежащих планет в обозримом будущем, ученые считают, что дальнейшее продвижение человека по космосу возможно только с использованием ядерных ракетных двигателей.
Один из вариантов такого двигателя — система с использованием тепловой энергии продуктов ядерных реакций (nuclear thermal propulsion, NTP). Однако его разработка — довольно сложная задача, поскольку используемые материалы должны выдерживать высокую температуру и регулярную бомбардировку высокоэнергетическими частицами.
Уилл Сирайт, докторант факультета ядерной инженерии Пенсильванского университета, провел исследование, которое поможет продвинуться в этом направлении. Результаты его предварительного моделирования были опубликованы в журнале Fusion Science and Technology Американского ядерного общества. Он смоделировал маломасштабный эксперимент, который имитирует работу реактора в космосе, чтобы понять, как составляющие компоненты и конструкция контура ведут себя в среде горячего водорода, нагретого до 1200 ºС.
Симуляция, проведенная с помощью программного средства Ansys Fluent, показала, что поток водорода через испытательную секцию был плавным и равномерным. Это позволяет говорить об уменьшении неравномерного распределения тепла по контуру, которое могло бы поставить под угрозу безопасность и срок службы установки. Предотвратить снижение температуры помогла установка термоэлемента в испытательной секции.
Это первые небольшие шаги в испытании подобной системы, но они прошли довольно успешно, что позволит продолжить разработки, которые могут оказать большое влияние на освоение космоса. Особенно примечательно то, что симуляция происходила с участием компании Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) — одним из основных подрядчиков NASA по ядерным реакторам. USNC при этом входит в пул компаний, получивших летом 2021 года гранты NASA и Министерства энергетики США на разработку прототипа ядерного ракетного двигателя.
Новая космическая гонка
Космическая и энергетическая структуры провели конкурс на годовые контракты, стоимостью $5 млн каждый. Средства на разработку проектов ядерного ракетного двигателя, которые распределяются через Национальную лабораторию Айдахо (одна из 16 национальных лабораторий Министерства энергетики США), выиграли три команды компаний, среди которых WX Technologies, X-energy, GE Hitachi, лаборатория General Electric Research и другие.
По словам Патрика Макклюра, руководителя проекта Kilopower (в рамках которого с 2017 года проходит испытания ядерный реактор для размещения на космических аппаратах), в NASA считают, что действующий реактор может быть готов уже к 2022 году. К 2022-му же NASA собирается завершить создание наземного ядерного реактора нового типа, который можно доставить на Луну или использовать при освоении Марса. В 2019 году Макклюр говорил, что такой реактор может быть создан в течение трех лет, поскольку во время наземных испытаний (2017–2018) Kilopower успешно преобразовал 30% выделяемого тепла в электроэнергию.
«Стратегические соперники, включая Китай, агрессивно инвестируют в широкий спектр космических технологий, включая ядерные двигатели», — заявил на слушаниях конгресса 20 октября Бхавья Лал, старший советник NASA по финансам.
Аналитики считают, что США необходимо спешить, чтобы продолжать оставаться лидерами глобального космического сообщества.
За границами плутония
Несмотря на сомнения, которые могут вызывать подобные заявления, NASA есть чем гордиться. С самого начала освоения космического пространства агентство использовало радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) в проектах, которые покидают Солнце настолько далеко, что не могут использовать его энергию.
Первой системой с таким генератором был аппарат Transit IV-A, запущенный лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в июне 1961 года. РИТЭГи использовались на «Вояджере-1» и «Вояджере-2», аппарате «Кассини», в проектах Apollo на Луне, а также на аппарате «Новые горизонты», который был запущен в 2006 году для изучения Плутона и внешней области Солнечной системы. Конец его миссии планируется на конец 2030-х годов, когда закончится выработка изотопного топлива.
Марсоход «Кьюриосити», запущенный на Марс в 2011 году, оснащен последним поколением радиоизотопных генераторов (предоставленных компанией Boeing). Он рассчитан на производство 125 Вт электроэнергии на старте миссии, и через 15 лет его выходная мощность снизится лишь до 100 Вт. Все РИТЭГи работают за счет естественного распада изотопа плутония-238.
Однако по мощности и ограниченности в сроке службы они не дотягивают до полноценного ракетного двигателя для корабля с экипажем и грузом, будь то экспедиция на Альфа Центавра или сбор космического мусора на околоземной орбите. Здесь больше подойдут NTP-двигатели с коэффициентом отношения тяги к весу в 10 тысяч раз больше, чем в электродвигательной установке, и удельным импульсом до пяти раз выше, чем в ракете с химическим двигателем.
Администрация NASA считает, что такой тип двигателя способен кардинально изменить условия игры в космосе. При этом использовать ядерные двигатели планируется лишь в межпланетном пространстве, а запускать носители с Земли на орбиту будут по-прежнему ракеты на химическом топливе.
Ядерная тяга
В ядерном тепловом двигателе энергия, выработанная после деления атома, передается рабочему телу, например, водороду, который нагревается до экстремальных температур, а затем переходит в газовую фазу, расширяется и проходит через сопло, создавая тягу.
Активно разрабатываются и новые виды топлива, которое потенциально может снизить расходы на обеспечение безопасности, по умолчанию сопутствующие использованию высокообогащенного топлива (в ядерных ракетных двигателях планируется использовать малообогащенный уран, содержащий до 20% изотопа u-235).
На сегодняшний день в разработке ядерного ракетного двигателя принимают участие не только компании, выигравшие грант от NASA. Среди них SpaceNukes, в создании которой также участвовал Патрик Макклюр, Министерство обороны США с проектом DARPA (демонстрационная ракета для прямых орбитальных операций, DRACO), а также Rolls-Royce, вдохновленный космическими успехами Илона Маска. Последний собирается разрабатывать микро-ядерные реакторы, которые можно будет обкатать на ракетах, а затем использовать для добычи ценных минералов на Луне и Марсе.
Глава оборонного отдела Rolls-Royce Дэйв Гордон отмечает, что Rolls-Royce является единственной компанией на планете, которая занимается и механикой, и электрикой, и ядерной составляющей, а также может опираться на опыт разработки ядерных подлодок для ВМС Великобритании.
Rolls-Royce планирует также производить и поставлять модульные реакторы (SMR) до 470 МВт для облачных операторов и дата-центров США в рамках борьбы за углеродно нейтральную энергию. В прошлом году правительство Великобритании выделило на эту программу 125 млн фунтов стерлингов.
Космос не обойдется без военных, поэтому стоит упомянуть, что проект DARPA — клон проекта NASA. Он нацелен на разработку ядерного ракетного двигателя для DRACO. Эту задачу Минобороны возложило на три компании: Blue Origin, General Atomics и Lockheed Martin (последние две также участвуют в разработках по гранту NASA). Цель — запуск ракеты на низкую орбиту Земли в 2025 году. Если Пентагон всерьез возьмется за эту разработку, то система, по словам менеджера проекта, майора авиации Натана Грейнера, может начать функционировать уже к началу 2030-х.
Разработка ядерного ракетного двигателя в США подстегивается правительственным постановлением (2021) о развитии модульных космических реакторов, которое стало частью национальной стратегии развития ядерных космических сил, описанной в директиве (2020). А началось все с того, что в августе 2019-го Трамп подписал указ о «запуске космического летательного аппарата с использованием ядерных систем».
Хорошо забытое
Этот указ, по сути, обновление стратегии, поскольку разработка ядерного ракетного двигателя — идея не новая. Такой проект уже существовал в NASA в 1960-х. Совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя — NERVA — работала до 1972 года. Ее оценивали как весьма успешную, но из-за опасений, что миссии на Марс выльются в долгосрочную и дорогостоящую космическую гонку, администрация Никсона закрыла проект.
В СССР с 1960-х также успешно разрабатывали ядерные энергетические установки для космических аппаратов, например, «Бук», «Енисей», «Топаз», но именно ракетный двигатель на ядерной тяге был один — «Иргит», он же РД-0410. Проект был разработан в воронежском конструкторском бюро, и его поддерживал сам С.П. Королев (полностью испытания «Иргита» прекратились в 1988 году).
С 2009 года в России ведутся работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса (ЯЭДУ) для использования на космическом транспортно-энергетическом модуле. В рамках программы Нуклон разрабатывается космический ядерный буксир «Зевс» для перемещения грузов между Землей и Луной, а также планетами Солнечной системы (Марсом в первую очередь). Заказчиком выступает «Роскосмос», а исполнителем — КБ «Арсенал». Контракт оценивается на сумму более 4 млрд рублей. В 2018 году прошли успешные испытания системы охлаждения для ЯЭДУ, а в конце октября 2021 года, на 72-м Международном конгрессе астронавтики в Дубае, «Роскосмос» впервые презентовал проект «Зевса» международному зрителю. Как утверждал в начале 2020-го первый замгендиректора «Роскосмоса» Юрий Урличич, летные испытания намечены на 2030 год.
Две компоновки космического буксира «Зевс» (в работу пойдет с рамой из трех телескопических труб). Автор: Kirill Borisenko — собственная работа, CC BY-SA 4.0, Wikipedia
Старые грабли
В мае 2021 года СМИ со ссылкой на Исследовательский центр им. Келдыша сообщили, что ядерный буксир «Зевс» с мегаваттной энергодвигательной установкой можно будет использовать в системе ПВО страны для отслеживания летательных аппаратов с орбиты и передачи координат целей средствам поражения. Учитывая планы Пентагона на патрулирование цислунарного пространства, похоже, новая космическая гонка будет напоминать российско-американские отношения 1950–1980-х годов.
Лодку раскачивают и союзники США — Великобритания, Франция, Германия, Япония и Австралия, — которые уговаривают Джо Байдена не менять действующую ядерную стратегию США и не включать в нее положение о «недопустимости первого удара». Они опасаются, что одобренные Конгрессом смягчения помешают политике сдерживания России и Китая.
Впрочем, у большинства стран, судя по заявлениям на той же конференции в Дубае, — исключительно мирные цели: основные миссии, анонсированные и США, и КНР, и Европейским космическим агентством, это получение образцов с планет, лун и астероидов для дальнейшей разработки минералов. Большинство из них долгосрочные, поэтому разработка двигателя, способного сократить сроки полетов в космосе, скорее всего, будут приоритетом не только для США и России.
Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/res_publica