The Economist (Великобритания): в космосе скоро начнется ядерный век – и вот почему
Благодаря ядерным двигательным установкам космические спутники станут более быстрыми и маневренными. Уже сегодня Россия, США и Китай активно развивают ядерную энергетику для космических программ - как военных, так и мирных, пишет The Economist. Открытыми остаются вопросы о безопасности и рентабельности проектов.
В ноябре прошлого года Россия уничтожила в космосе свой уже не работавший спутник. В результате образовались обломки, которым на протяжении многих десятилетий суждено летать на околоземной орбите. Подобные испытания ракеты с так называемым прямым наведением проводились в России впервые. Здесь мы видим повторение испытаний оружия, проведенных Китаем еще в 2007 году, – в тот раз тоже образовалось устойчивое облако обломков. По своим списанным спутникам стреляли также Индия и США, хотя в этих случаях каких-то устойчивых скоплений космических обломков на орбите, к счастью, не появилось.
Вся эта стрельба по спутникам беспокоит руководителей оборонного ведомства США, поскольку им будет непросто вести войну, если ключевые спутники вдруг будут выведены из строя. Поэтому, по задумке Пентагона, американские спутники следующего поколения должны обладать достаточной мощностью, чтобы уклоняться от ракет. В Пентагоне полагают, что решить эту задачу можно с помощью появления на борту ядерной силовой установки.
Изучение данного вопроса будет проводиться в рамках двух специальных программ. Первую осуществляет Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA); в рамках данной программы будет испытываться технология, известная как "ядерный ракетный двигатель".
В сотрудничестве с американскими компаниями (включая такие как Blue Origin, General Atomics и Lockheed Martin) DARPA установит на космический корабль небольшой ядерный реактор; в результате расщепления атомов урана в реакторе будет производиться огромное количество тепловой энергии. Это тепло будет поглощаться жидким водородом, который перекачивается из топливного бака, также установленного на борту космического корабля. Водород, который находится в жидком виде при температуре -253°C и ниже, будет по мере нагревания быстро расширяться. Этот горячий газ будет вырываться из сопла, расположенного в задней части космического корабля, и тем самым будет создавать тягу двигателя.
Космический корабль с ядерным ракетным двигателем способен всего за несколько часов подняться на геостационарную орбиту на высоту почти 36 тыс. км. Сравните: для достижения той же высоты спутнику, работающему на обычном ракетном топливе, понадобилось бы несколько дней. Спутники с ядерными двигателями огромной мощности уничтожить очень и очень трудно, поскольку их траектории достаточно часто меняются и тем самым не поддаются прогнозированию. В 2025 году DARPA намерена испытать на орбите свой космический корабль, получивший название DRACO (Демонстрационная ракета для быстрых маневров между Землей и Луной). Как видим, сроки довольно-таки амбициозны, учитывая тот факт, что ядерные ракетные двигатели до сих пор никогда в космосе не испытывались.
Второй ядерной программой руководит Подразделение оборонных инноваций Пентагона (DIU). В сентябре 2021 года это подразделение запросило предложения по ядерным системам, предназначенным для спутниковых двигателей (или же, в качестве альтернативного варианта, – для питания бортовой электроники). Предлагаемые компаниями идеи должны соответствовать нескольким условиям: во-первых, они не должны касаться ядерных ракетных двигателей, над которыми уже работает DARPA; во-вторых, они должны быть в состоянии построить прототип в течение трех-пяти лет; и, в-третьих, необходимо представить заслуживающий доверия план о проведении испытаний в космосе. DIU будет выбирать окончательный проект из десятков проектов, предлагаемых компаниями, причем, ожидается, что первые два победителя будут объявлены в конце этого месяца.
Помимо дракона
Как поясняет капитан ВВС США Райан Уид (Ryan Weed), который возглавляет программу DIU, все представленные предложения компаний делятся на несколько категорий. В некоторых присутствуют проекты ядерных реакторов, которые, однако, не предназначены для разогревания жидкого водорода. Вместо этого выделяемое тепло будет использоваться для выработки электроэнергии, которая затем будет использоваться по отношению к газообразному топливу (такому, например, как ксенон). Благодаря этому процессу, появляются заряженные ионы, которые будут ускоряться электрическим или магнитным полем, а затем вылетать из сопла, создавая тем самым тягу двигателей.
Ионный двигатель — идея не новая. Однако ядерный реактор, в отличии даже от большой солнечной батареи, способен произвести гораздо больше электроэнергии для питания ионного двигателя. Кроме того, спутник без солнечных батарей пригодился бы и для военных целей; его труднее отследить и вывести из строя.
Во многих конструкциях ядерных электроракетных двигателей тоже предусматривается расщепление атомов (как известно, аналогичный процесс происходит и в наземных атомных электростанциях). Комплект бортового оборудования будет весить не менее тонны, поэтому ему предстоит снабжать энергией только большие спутники.
Другая группа проектов, поступивших от компаний, имеет отношение к радиоизотопным термоэлектрическим генераторам (РИТЭГ). Такие "ядерные батарейки" уже давно используются для питания космических аппаратов, отправляемых в дальний космос, – в те области, куда практически не проникает солнечная энергия. Вместо того, чтобы строить ядерный реактор, в РИТЭГах используются устройства (термоэлектрические преобразователи) для получения небольшой мощности за счет тепла, выделяемого при распаде радиоактивных изотопов. Плутоний-238 – это один из тех материалов, который появился в рамках программы по созданию ядерного оружия; он использовался НАСА в качестве источника питания для поддержания работы не только зондов "Вояджер", запущенных в 1970-х годах и все еще функционирующих, но также и марсохода "Кьюриосити", который в настоящее время работает на Марсе.
Однако, доступ к плутонию-238 строго регулируется, к тому же это вещество – дефицитное. А поскольку период полураспада плутония-238 составляет 87,7 года, то выделяемое им при радиоактивном распаде тепло, способно сохраняться в течение долгого времени. Поэтому DIU ищет аналоги с более коротким периодом полураспада и, как пояснил капитан Райан Уид, "с гораздо более высокой удельной тепловой мощностью". Многообещающей альтернативой, судя по всему, станет более коммерчески доступный кобальт-60 с периодом полураспада 5,3 года. Хотелось бы достичь следующую цель: с помощью электропитания РИТЭГов создать реактивную тягу спутников размером со стиральную машину и поддерживать работу их бортовой электроники.
Во-первых, не навреди
Однако насколько безопасна отправка в космос ядерных устройств, в особенности ядерных реакторов? Как заявил майор ВВС США Нейтан Грейнер (Nathan Greiner), возглавляющий программу DARPA, ему часто задают вопрос: а не взорвется ли космический корабль DRACO на стартовой площадке? По словам Грейнера, подобное происшествие было бы не более опасным, чем взрыв обычного космического корабля, поскольку в момент взрыва бортовой реактор еще не включен, а его урановое топливо также не опасно, если говорить о его радиоактивности.
Но большая угроза возникнет в том случае, если вдруг ядерный реактор рухнет в море. В этом случае вода может поспособствовать началу цепной ядерной реакции, в ходе которой происходит расщепление атомов урана и высвобождение нейтронов, а те, в свою очередь, инициируют расщепление других атомов урана. Если этот процесс не контролировать, то цепная реакция может привести к расплавлению активной зоны ядерного реактора. Поэтому DRACO спроектирован таким образом, что даже при погружении в воду сделанные из бора "поглотители нейтронов" остаются неповрежденными. Напомним, что бор используется в ядерных реакторах для замедления или даже остановки деления ядра.
Существует еще одна опасность — случайное возвращение космического аппарата в плотные слои атмосферы. В Советском Союзе было запущено не менее 33 спутников-шпионов с ядерными реакторами в качестве бортового источника питания (но не в качестве двигателя). Можно, например, вспомнить аварию спутника "Космос 954": в конце полета его реактор не удалось вывести на достаточно высокую "орбиту захоронения" и в 1978 году всё закончилось тем, что произошло распыление радиоактивного мусора над огромным районом Северо-Западных территорий Канады. Чтобы избежать подобной аварии, пояснила Табита Додсон (Tabitha Dodson), главный инженер DRACO, ядерный реактор DARPA не будут запускать на низкие орбиты.
Недавний всплеск интереса к идее использования ядерной энергетики в космических программах напрямую связан с тем, что в руках у разработчиков теперь оказались более мощные компьютеры, предназначенные для моделирования ядерных реакторов. Долгое время ученые считали, что ядерный реактор на борту ракеты должен работать на топливе, сильно обогащенном с помощью урана-235, т.е. изотопом урана, который легко распадается. Топливо для советского спутника "Космос 954", например, состояло на 90% из урана-235, похожего на материал, использованный в атомной бомбе, взорванной над Хиросимой в 1945 году.
Это топливо можно использовать по двойному назначению, что всегда внушает беспокойство. Именно по этой причине при создании ядерных реакторов ученым пришлось сталкиваться с жесткими бюрократическими мерами, затягиванием сроков и огромными затратами. И даже если бы всё прошло хорошо, потребовалось бы, как выразился Майкл Идс (Michael Eades), руководитель инженерного отдела USNC Advanced Technologies (субподрядчика из Сиэтла, участвующего в создании DRACO), "много охранников и оружия". Однако за последние годы, благодаря увеличившейся эффективности компьютерного моделирования, ученые смогли спроектировать ядерные реакторы, использующие топливо, в котором содержание изотопа урана-235 не достигает 20%. Здесь, как мы видим, доля содержания урана намного ниже, чем в оружейном уране, поэтому правительственные ограничения в данном случае будут менее обременительны.
США не одиноки в ядерных исследованиях. Ядерную энергетику для космических программ также развивают Китай и Россия. Помимо всего прочего, Китай поставил целью создать атомные космические челноки, а Россия разрабатывает грузовой космический корабль – "Зевс" – с электрореактивным двигателем; этот космический корабль будет оснащен ядерным реактором. Российское космическое агентство Роскосмос надеется отправить его в космос в 2030 году.
Перспектива создания более мощных спутников, несомненно, вызовет подозрения у космических держав. Космические аппараты с ядерными двигателями, вырабатывающими большое количество электроэнергии, можно использовать для подавления спутниковой связи. В некоторых документах, имеющих отношение к КБ "Арсенал" (петербургской компании, разрабатывающей "Зевса", а также, по некоторым данным, работающей над созданием другого космического корабля с ядерным двигателем – "Экипаж"), говорится о возможности использования больших антенн, которые способны охватывать зоны покрытия с помощью мощного электромагнитного излучения. Благодаря этому конструкторскому решению появляется возможность подавлять относительно слабые радиосигналы, обычно отправляемые и принимаемые спутниками связи.
Столь амбициозные начинания способны привлечь к себе интеллектуальные ресурсы. В меморандуме 2019 года тогдашний президент Дональд Трамп (Donald Trump) заявил, что космические системы, работающие на базе ядерной энергии, имеют "жизненно важное" значение для доминирования США в космосе. В этой и последующих президентских инициативах Трамп упростил правила. Президент Джо Байден (Joe Biden) не стал менять взятый курс. Данный подход привел к стимулированию дальнейших исследований и разработок по данной теме как в государственном, так и в частном секторе.
Дерзайте
Однако интерес к ядерной энергетике отнюдь не всегда исходит от военных. В настоящее время НАСА, которое стремится когда-нибудь в будущем отправить астронавтов на Марс, занимается исследованиями по созданию электроракетного двигателя с ядерной установкой, а также работает над проектом, предусматривающим разработку ядерного ракетного двигателя. Вторая из упомянутых систем называется PADME (Демонстрационный марсианский двигатель с регулируемой мощностью), а ее прототип должен пройти испытания в 2026 году.
Двигатель PADME будет весить около 3,5 тонн и, оказавшись на орбите, способен примерно за 15 минут разогнать космический корабль больших размеров до скорости 12 км в секунду. Такой корабль мог бы достичь Марса менее чем за шесть месяцев, т.е. на три месяца раньше, чем корабль с двигателем, использующим обычное химическое топливо. НАСА хочет провести испытания этого двигателя во время грузовой миссии на Марс, которая может состояться в 2030-х годах. К концу нынешнего десятилетия НАСА также хотело бы построить атомную электростанцию для обеспечения электроэнергией лунной базы. Проекты по созданию "ядерной энергоустановки, размещаемой на поверхности планеты", мощностью 10 киловатт должны быть представлены НАСА к середине февраля. Все вышесказанное говорит нам о следующем: в области космических исследований так или иначе наступает ядерный век.
