Несколько лет назад Национальное аэрокосмическое агентство США объявило, что возобновляет свою ядерную программу по разработке космических двигателей. В 2023 году оно выбрало первую концепцию бимодальной ядерной двигательной установки, использующей «цикл возбуждения волнового ротора», которая должна будет сократить время полетов на Марс до 45 дней. Теперь же в агентстве определились с подрядчиком для создания атомного двигателя, с помощью которого можно будет исследовать соседние звездные системы и собирать образцы с межзвездных объектов.
У NASA грандиозные планы по освоению космоса на ближайшее десятилетие. Агентство планирует отправить несколько астробиологических миссий на Венеру и Марс для поиска следов внеземной жизни. Это произойдет одновременно с пилотируемыми полетами на Луну (впервые со времен «Аполлона»). Еще есть планы по отправке роботизированных миссий к спутникам Юпитера и Сатурна — на Европу и Титан, а также к другим похожим мирам, где может существовать подледный океан, а значит, и экзотические формы жизни.
Для достижения этих и других целей NASA запустило программу NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Агентство ежегодно выбирает революционные концепции в области аэронавтики и космонавтики, а после финансирует их разработку.
Например, в этом году выбор пал на беспилотники на солнечных батареях, биореакторы, световые паруса, астробиологические эксперименты и концепцию тонколистового изотопного ядерного двигателя (TFINER), предложенную Джеймсом Бикфордом (James Bickford) — старшим научным сотрудником американской некоммерческой научно-исследовательской организации Charles Stark Draper Laboratory.
В документах NASA отмечается, что такая установка необходима для «реализации нескольких миссий следующего поколения, для которых требуются высокие скорости; с помощью обычной современной ракетной техники такие скорости получить невозможно». Речь идет о запуске солнечно-гравитационного телескопа, который будет использовать гравитационную линзу Солнца (как усилитель) для наблюдения объектов на поверхности далеких экзопланет, а также о миссии по исследованию межзвездных объектов (каких именно — не говорится).
В последние десятки лет более всего на слуху два типа атомных установок для космоса: ядерно-тепловые двигатели (NTP) и ядерные электродвигатели (NEP), которые могут обеспечить нужную тягу и необходимую маневренность. Однако, по словам Бикфорда, такие установки громоздкие, тяжелые и дорогие.
«Напротив, мы предлагаем недорогую и более легкую альтернативу — тонколистовой ядерно-изотопный двигатель, использующий энергию распада радиоактивных изотопов. Эта установка будет обладать достаточными возможностями для сближения с быстродвижущимися межзвездными объектами и последующего возвращения образцов с них. С ее помощью, можно будет изучать соседние звездные системы. Кроме того, наша технология позволит перенаправлять гравитационно-солнечную обсерваторию таким образом, чтобы во время одной миссии можно было наблюдать множество важных целей», — пояснил Бикфорд.
В основе концепции тонколистового изотопного ядерного двигателя лежит технология светового паруса, только в установке будут применять тонкие листы радиоактивного изотопа торий-228 толщиной около 10 микрометров (0,01 миллиметра). Для создания тяги будет использоваться импульс продуктов распада изотопа. Торию-228 свойственен альфа-распад, период его полураспада равен 1,9 года.
Торий — радиоактивный металл, который присутствует в большинстве горных пород и почв. По оценкам геологов, его запасы на Земле в три-четыре раза превышают запасы урана.
По словам ученых, космическому аппарату потребуется 30 килограммов тория-228, распределенного на площади более 250 квадратных метров, что создаст тягу, необходимую для развития скорости свыше 150 километров в секунду. Для сравнения, зонд NASA Parker Solar Probe, который использует комплект двигателей, работающих на гидразине, удается развить скорость до 163 километров в час. Однако такая скорость по большей части обусловлена гравитационным маневром на орбите Венеры и притяжением Солнца.
Бикфорд объяснил главное преимущество его установки: конструкция основана на известной физике и известных материалах. При этом, в отличие от технологии светового паруса, новый двигатель позволит космическому аппарату легко маневрировать в космосе и эффективно менять траекторию полета.
 |
| Таблетка диоксида плутония-238, раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции. |
| Источник: Los Alamos Laboratory |
Инженер отметил, что, помимо листов тория-228, можно применять листы актиния-227 или других изотопов с более длительным периодом полураспада. Это позволит развить более высокую скорость. Еще можно использовать распад изотопа тория-233, в результате которого образуется уран-232, что приведет к увеличению производительности двигательной системы примерно на 500 процентов.
Предлагаемая технология откроет для NASA много возможностей в космосе, кроме того, с ее помощью можно будет выполнять сразу несколько космических задач, подчеркнул ученый.
Тонколистовой изотопный ядерный двигатель Джеймса Бикфорда не первая подобная установка, на которую обратило внимание NASA. В 2023 году в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts агентство выбрало бимодальную ядерную силовую установку с циклом топпинга волнового ротора, предложенную профессором Райаном Госсе (Ryan Goss) из Университета Флориды (США). Эта конструкция основана на твердотопливном реакторе NERVA, который будет обеспечивать удельный импульс (Isp) в 900 секунд, что в два раза превышает характеристики современных ракетных двигателей.
По мнению Госсе, его разработка потенциально позволит долететь до Марса за 45 дней. Это сократит общее время миссий до нескольких месяцев и снизит основные риски, связанные с полетами на Красную планету, включая радиационное облучение и микрогравитацию.