Космос вот-вот вступит в ядерную эру: Двигатели, работающие на ядерном топливе, сделают космические корабли более быстрыми и маневренными

В ноябре прошлого года Россия взорвала устаревший спутник, создав осколки, которые будут летать по орбите Земли в течение десятилетий. Испытание ракеты "прямого взлета" было первым для России и повторило аналогичное испытание оружия, проведенное Китаем в 2007 году, которое также создало долговечное облако обломков. Индия и Америка тоже стреляли по неработающим спутникам, но, к счастью, без создания такого большого количества связанного с ними долговечного космического мусора.

Вся эта практика с мишенями беспокоит американских руководителей оборонного ведомства, которым будет трудно вести войну, если важнейшие спутники будут выведены из строя. Поэтому Пентагон хочет, чтобы следующее поколение спутников обладало достаточной мощностью, чтобы быть способным уклоняться от атак. Он считает, что ответ на этот вопрос лежит в ядерной силовой установке.

Две инициативы будут исследовать эту концепцию. Первая, возглавляемая Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (Darpa), будет тестировать технологию, известную как "ядерная тепловая тяга". 

В сотрудничестве с американскими компаниями, включая Blue Origin, General Atomics и Lockheed Martin, космические корабли darpa будут оснащены небольшим ядерным реактором. Внутри него атомы урана будут расщепляться с выделением огромного количества тепла. Это тепло будет поглощаться жидким водородом, всасываемым из бака на борту космического корабля. Водород, который будет храниться при температуре ниже -253°C, будет быстро расширяться по мере нагревания. Когда этот горячий газ вырвется из сопла в задней части космического корабля, он создаст тягу.

Такой космический корабль может за считанные часы подняться на геостационарную орбиту над Землей на высоту почти 36 000 км. Спутникам, работающим на обычном ракетном топливе, для такого же путешествия требуется несколько дней. 

Спутники с ядерным двигателем и большим количеством энергии также будет трудно уничтожить - их траектории можно менять достаточно часто, чтобы они стали непредсказуемыми. darpa хочет испытать свой космический аппарат, получивший название draco (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), на орбите в 2025 году. Это амбициозные сроки, учитывая, что ядерные тепловые двигатели никогда не испытывались в космосе.

Второй ядерной инициативой руководит подразделение оборонных инноваций Пентагона (diu). 

В сентябре 2021 года он запросил предложения по ядерным системам для приведения в движение спутников или, в качестве альтернативы, для питания бортовой электроники. Компании, предлагающие свои идеи, должны соответствовать нескольким условиям: они должны избегать технологии ядерно-тепловой тяги, над которой уже работает darpa; они должны быть в состоянии создать прототип в течение трех-пяти лет; и они должны иметь убедительный план испытаний в космосе. Из десятков предложений, поступивших в диу, первые два победителя будут объявлены в конце этого месяца.

Райан Уид, капитан ВВС США (usaf), возглавляющий программу diu, говорит, что поступившие предложения делятся на разные категории. В некоторых из них предусмотрены ядерные реакторы, но не для нагрева жидкого водорода. Вместо этого тепло будет использоваться для выработки электроэнергии, которая затем будет подаваться на топливный газ, такой как ксенон. Это приведет к ионизации газа, который, благодаря электрическому или магнитному полю, вырвется из сопла и создаст тягу.

Ионные двигатели - идея не новая, но ядерный реактор может производить гораздо больше электроэнергии для их питания, чем даже большая солнечная батарея. Спутники без солнечных батарей, что полезно для военных целей, будет сложнее отследить и вывести из строя.

Многие проекты ядерных электрических двигателей предусматривают тот же процесс расщепления атомов, который используется в наземных атомных электростанциях. Комплект для космоса будет весить не менее тонны, поэтому он сможет питать только большие спутники.

Другие предложения касаются радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ). Такие "ядерные батареи" уже давно используются для питания зондов, отправляемых в дальний космос, где солнечная энергия особенно слаба. 

Вместо того чтобы строить ядерный реактор, rtg использует устройства, называемые термопарами, для получения скромной мощности от тепла, выделяемого при распаде радиоактивных изотопов. 

Плутоний-238, который является побочным продуктом разработки оружия, использовался НАСА для питания зондов "Вояджер", запущенных в 1970-х годах и до сих пор работающих, а также марсохода "Кьюриосити", который в настоящее время колесит по Марсу.

Плутоний-238, однако, строго регламентирован и находится в дефиците. А с периодом полураспада в 87,7 лет тепло, выделяемое им при радиоактивном распаде, распределяется на длительное время. 

Поэтому диу ищет альтернативы с более коротким периодом полураспада и "гораздо более высокой плотностью тепловой мощности", - говорит капитан Уид. Кобальт-60, период полураспада которого составляет 5,3 года, является многообещающей альтернативой и доступен на коммерческой основе. Он хотел бы, чтобы РТГ обеспечивал электроэнергией тягу, а также бортовую электронику спутников размером со стиральную машину.