NASA призвало «агрессивно» разрабатывать космические ядерные реакторы для путешествия к Марсу

За фееричными обещаниями Илона Маска освоить Красную планету как-то померкли более основательные планы NASA по пилотируемым марсианским миссиям. Но американское космическое агентство последовательно развивает соответствующие проекты. Из последнего: ведомство заказало у своих дочерних структур, а также сторонних организаций анализ существующих и перспективных разработок в области космической ядерной энергетики.

Соответствующий объемный отчет опубликован на портале Национальных академий наук, инженерии и медицины (NASEM). Печатная копия стоит 45 долларов (около 3300 рублей), а бесплатный PDF-файл можно скачать после регистрации. В публикации ведущие эксперты ракетно-космической отрасли приводят свое авторитетное мнение по двум ключевым вопросам: тепловые ядерные ракетные двигатели (NTP, ЯРД) и ядерные силовые установки для электроракетных двигателей (NEP).

Оба этих направления деятельности в той или иной стадии прорабатывались и даже воплощались «в металле», но для марсианских миссий этого недостаточно. Напомним, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) планирует высадить людей на Красной планете около 2039 года. Этому будет предшествовать пилотируемый облет Марса или его спутника Фобоса в 2033 году. Вроде бы, времени предостаточно, однако эксперты считают, что если не принять меры, лететь придется на химических ракетах и сильно ограничивать программу миссий. Весь отчет пронизан одной мыслью: без увеличения финансирования и «агрессивного» темпа разработок ядерные реакторы колонизаторам Марса не помогут никак.

Каких только космических проектов не породила атомная эра — по некоторым из них даже предполагалось подрывать позади корабля небольшие ядерные заряды. На иллюстрации как раз показан один из таких, «Орион». Он даже был достаточно детально проработан и считается реалистичным / ©Joe Bergeron

Можно подумать, что NASA и сопутствующие американские ведомства просто в очередной раз пытаются убедительно выпросить у политиков и общественности расширение финансирования. В какой-то степени это так, но, с другой стороны, все запросы вполне обоснованы. Если абстрагироваться от точки зрения «им просто денег больше надо», в отчете есть много полезных и разумных рассуждений. Особенно интересно почитать мнение зарубежных специалистов ракетно-космической отрасли на фоне многолетней эпопеи с разработкой ядерного космического буксира в России. Итак, в отчете выделяются сразу несколько фундаментальных трудностей в разработке каждого из направлений.

Тепловые ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

С точки зрения простоты конструкции, NTP — безусловный лидер в сфере космических ядерных технологий. По сути, это обычный тепловой ракетный двигатель, в котором рабочее тело (обычно — водород) нагревается не химической реакцией с окислителем, а протекая через активную зону атомного реактора. Схема всей установки обманчиво примитивна: газ из бака попадает на тепловыделяющие сборки, нагревается и расширяется, а затем с огромной скоростью истекает из сопла. Подобные установки даже проходили тестирование в прошлом веке, а некоторые были готовы к вводу в эксплуатацию. Но не срослось.

Устройство термического ядерного ракетного двигателя (NTP, ЯРД) кажется невероятно простым / ©Wikimedia

Для создания мощных, безопасных и долговечных ЯРД нужно решить, всего-то, одну проблему. А точнее — придумать такие материалы, которые выдержат необходимые температуры в активной зоне. Как правило, эффективность подобных двигателей максимальна при нагреве водорода до 2700 градусов Кельвина. В зависимости от конструкции это значение колеблется между 2,5 и 3 тысячами градусов. И в данном направлении материаловедения пока что глухо: либо единичные экспериментальные разработки, либо провалы на испытаниях.

Дополнительной головной боли добавляет вопрос тестов таких двигателей — на дворе уже далеко не экзальтированные космической гонкой 1960-е, выбросы тысяч кубометров радиоактивных газов в атмосферу нынче граждане не потерпят нигде. Так что и со стендами придется что-то придумывать, либо проводить испытания сразу в космосе. Наконец, остается проблема хранения водорода на протяжении всего путешествия к Марсу и обратно. Этот газ в жидком состоянии диффундирует во многие материалы и будет покидать бак через микропоры в материале стенок, да и довольно быстро испаряется.

Художественный эскиз космического аппарата «Транспортно-энергетический модуль» / ©«Роскосмос»

Реакторы для электрических ракетных двигателей

Фактически, NEP (Nuclear electric propulsion) — это именно то направление, которым идут подрядчики отечественного «Роскосмоса». Ядерный реактор, как и на Земле, просто вырабатывает энергию, а ее уже расходуют невероятно эффективные электрические ракетные двигатели (ЭРД). Да, в этом варианте тяга будет смехотворной, зато ее можно поддерживать хоть всю дорогу — рабочего тела расходуется очень мало. А удельный импульс, главная мера эффективности реактивных двигателей, у ЭРД просто запредельно высокий по сравнению с химическими «коллегами».

С ядерными реакторами в космосе все еще сложнее. У NASA и российских инженеров есть опыт разработки и эксплуатации таких энергетических установок на орбите. Но для межпланетного путешествия их мощность потребуется поднять на пару порядков — с единиц или десятков киловатт на мегаватты. А это совершенно новые сложности с системами охлаждения, обеспечения безопасности и преобразования тепловой энергии в электричество.

Самый распространенный тип космической энергетической установки на основе делящихся материалов — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ, RTG). В них используется плутоний-238, тепло от распада которого преобразуется в электричество. Их эффективность сравнительно низка, но зато окупается высокой безопасностью и технологичностью. РИТЭГи используются во всех миссиях к дальним рубежам Солнечной системы, почти на всех на аппаратах к планетам-гигантам и для мощных марсоходов. На фото — РИТЭГ SNAP-27, который установил на Луне экипаж миссии «Аполлон-14» для питания набора долговременного научного оборудования / ©NASA, Alan Shepard

Немного особняком в отчете стоит вопрос «поверхностных» реакторов, то есть тех, что будут питать базы на Луне или Марсе, если солнечных панелей недостаточно. Ну, или для необходимой мощности фотоэлектрические преобразователи просто невозможно подвезти из-за слишком больших габаритов. Данное направление направление признано приоритетным по трем причинам. Во-первых, уже есть доказавший свою работоспособность проект Kilopower, который можно масштабировать. Это компактный ядерный реактор с двигателями Стирлинга электрической мощностью до 10 киловатт. Во-вторых, такие установки нужны для лунной программы Артемида, которая развернется раньше. Ну, и, в-третьих, работы по «поверхностным» реакторам косвенно продвинут и NEP, поскольку во многом могут быть унифицированы.

Сдерживающие факторы

Да, по мнению американских специалистов, ядерные энергетические установки — если не необходимый, то крайне желательный элемент пилотируемых марсианских миссий. И аргументы в пользу этой точки зрения весьма сильны. Как минимум, астронавтам не придется подвергаться повышенным дозам космического излучения по полгода: атомный космический буксир способен добраться до Марса за 1,5-2 месяца. А это сокращает время всего полета туда-обратно более чем вшестеро. Или дает больше времени для работы на поверхности Красной планеты.

Уменьшенный макет ядерного реактора «Топаз-1», использовавшегося в аппарате «Космос-1818» / ©Wikimedia

Но есть и весьма неприятные нюансы, обусловленные опытом. Лидером по использованию ядерных реакторов в космосе по праву можно считать Советский Союз. И он же является абсолютным рекордсменом по количеству опасных инцидентов со спутниками, имевшими немалые количества радиоактивных материалов на борту. В результате неполадок с такими аппаратами, СССР, пусть и ненароком, но все-таки забросал кусками высокообогащенного урана-235 северо-запад Канады и остров Вознесения. А некоторые околоземные орбиты на высотах между 760 и 860 километрами еще несколько сотен лет будут нежелательны для размещения там любых спутников: на них находятся металлические капельки теплоносителя из реактора аппарата «Космос-1818» диаметром до 30 миллиметров.

Легко понять, почему все разработки в этой области идут так медленно — к ним предъявляются еще более строгие требования по безопасности конструкции, чем обычно в ракетно-космической отрасли. И даже если все теоретические и экспериментальные данные покажут надежность ядерных реакторов для дальних полетов, не факт, что их будут массово использовать. В современном обществе крайне сильны антиатомные настроения, так что мысль поместить подобную энергетическую установку на ракету мало кому понравится.