Для исследование космоса нам нужно больше мощных ядерных двигателей

В прошлом году «Вояджер-2» окончательно прорвался в межзвездное пространство, пройдя более 18 миллиардов километров. Эта эпическая миссия стала возможной благодаря ядерной энергии, на технологии которой космические аппараты работали десятилетиями. Космические аппараты, подобные паре «Вояджеров», оснащены радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ). Эти двигатели полагаются на то, что по мере разрушения радиоактивных веществ выделяется тепло. Преобразуя тепло, вырабатываемое при распаде плутония-238 (P-238), в электричество, космический аппарат продолжает работать еще долго после того, как солнечные лучи становятся тусклым отблеском.

РИТЭГ также сдерживают нас. Если мы хотим отправлять космические корабли — или людей — дальше, быстрее и чаще, мы не можем продолжать полагаться на те же самые ядерные технологии, которые использовали десятилетиями. Как нам расширить наш охват?

Наши запасы плутония-238 практически исчерпаны. Первые его партии производились в США как побочный продукт создания боевого плутония-239 во время холодной войны. Чтобы продолжать исследования, NASA нужно намного больше.

Национальная лаборатория Ок-Ридж взяла на себя задачу его производства в 2012 году. Производство даже нескольких граммов было медленным и ручным процессом. Но в прошлом месяце ученые из Ок-Ридж объявили, что наконец-то разработали способ автоматизации и увеличения производства нептуниевых и алюминиевых гранул, необходимых для производства P-238. Гранулы превращаются в драгоценный P-238 в процессе спрессовывания в алюминиевых трубках с последующим облучением в реакторе.

Создание этих гранул было самым проблемным местом в этом процессе, и выведение людей из этого уравнения также требовало много экспериментов. «Во многих ядерных работах нужно «выпекать и смотреть», говорит менеджер программы Боб Уэм. «Вы проектируете, вкладывая много факторов безопасности в дизайн; достаете; смотрите, работает ли так, как вы ожидали». После многих лет работы по автоматизации измерений и производства, все получилось.

Теперь лаборатория производит 50 граммов P-238 в год, но в ближайшее время планирует выйти до 400 граммов в год. По прогнозам, годовой цели NASA в 1,5 килограмма удастся достичь в течение двух лет. Чем больше у нас P-238, тем больше миссий мы сможем отправлять в дальний космос.

NASA также исследует создание более эффективных РИТЭГ — усовершенствованных многоцелевых РИТЭГ, или УМРИТЭГ. Но чтобы осуществить прорыв, нужно искать что-то новое. В конечном итоге понадобятся более мощные системы. Только ядерное деление может обеспечить такую мощь в краткосрочном сценарии, говорит Дэвид Постон из Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Посттон — главный разработчик реактора для Kilopower, прототипа реактора деления, который NASA успешно протестировало в прошлом году. Он сможет обеспечивать длинные миссией энергией, возможно даже планетарные аванпосты людей. «То, как мы воплотили это в реальности, упростило всё», говорит Постон. «У нас было много программ космических реакторов за последние 30 лет, но все они провалились. Главном образом потому, что оказались слишком дорогими». В настоящее время мощность Kilopower составляет 4 киловатта, но ученые надеются разогнать его до 10 кВт.

Не так давно рассматривались и более футуристические идеи, включая детонацию атомных бомб в задней части космического аппарата в так называемом импульсном ядерном двигателе (очевидно, у него был ряд практически проблем). Но некоторые люди все еще работают над тем, чтобы воплотить в жизнь безумные идеи.

Одна из этих команд работает в Princeton Satellite Systems, которая стремится генерировать мегаватты энергии с помощью термоядерного синтеза. Да, мы перешли от ватт к киловаттам и мегаваттам. Вы наверняка знакомы с синтезом — он происходит в небе каждый день, благодаря нашему солнцу. Синтез производит в несколько раз больше энергии, чем деление, но его трудно контролировать.

Princeton Satellite Systems разрабатывает двигатель на прямом синтезе, который использует магнитные поля для  генерации тока в плазме и его нагрева до 1 миллиарда градусов Цельсия. Команда говорит, что тяга, которую в теории сможет производить машина размером с минивен, могла бы сократить время в пути между солнечными системами более чем наполовину (поездка на Плутон заняла бы четыре года, а не девять), и еще энергия осталась бы.

«Если у вас будет энергия к моменту, когда вы достигнете пункта назначения, вы можете провести много действительно крутых экспериментов», говорит физик компании Чарльз Свонсон. «Одна из самых крутых вещей, которые сделал «Кассини», это радиолокационные снимки спутника Сатурна Титана. Но радар требует много энергии и ограничен в возможностях. Наличие мегаваттной мощности освобождает варианты».

Компания получила огромное количество средств от NASA и Министерства энергетики США, так что кто-то верит в успех этого мероприятия. Но будем честны, успех придет не скоро. Термоядерный синтез находится на самых ранних стадиях исследования.