После окончания советской эпохи запуски атомных реакторов в космосе прекратились, однако сейчас ситуация постепенно меняется. Илон Маск рассматривает возможность использования атомной энергетики для марсианских колоний, а в России разрабатываются проекты лунных АЭС — несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что определяет растущий интерес космической отрасли к атомным реакторам? Как это ни удивительно, ядерная энергетика в космосе становится еще более значимой, чем на Земле. Попробуем понять причины этого.
Подавляющее большинство энергии, доступной для использования во Вселенной, заключена в ядрах атомов, тогда как остальные ресурсы представляют собой ее производные различных порядков.
Речь идет о том, что подавляющая часть, а именно 99 процентов, энергии обусловлена термоядерными реакциями, происходящими в недрах звезд (и являющимися источником света и тепла солнечных лучей), и распадом радиоактивных изотопов (который обеспечивает небольшое количество тепла, исходящего из глубины Земли).
Солнечный свет является результатом реакций слияния ядер атомов второго порядка. Внешние слои Солнца не подвержены термоядерным реакциям, однако они нагреваются до значительных температур и испускают энергию, освещая и согревая Землю. Энергия атомных ядер имеет и производные третьего порядка, такие как древесина, полученная из деревьев, которые использовали солнечную энергию. И даже четвертого порядка: растительность, покрывавшая землю в прошлые геологические эпохи, после своей гибели образовала углеводороды, которые впоследствии преобразовались в нефть и газ.
Люди использовали источники энергии, основанные на атомной энергии третьего порядка, на протяжении нескольких миллионов лет. Вначале это были дрова, затем уголь, после чего нефть и газ. Как уже отмечалось, переход к метану пока не завершен: авиатранспорт в будущем перейдет на него).
Причина этого прогресса была очевидной: теплотворная способность дров недостаточна, что делает их использование либо затратным, либо неудобным. Ископаемое топливо обладает гораздо большей концентрацией энергии, однако и оно имеет свои недостатки. Главный из них – конечность ресурсов. Независимо от подхода, объем древней растительной биомассы, преобразованной в нефть и газ, не является безграничным.
Этот вопрос становится еще более значимым в связи с освоением космического пространства. В мире наблюдается тенденция, которую известный инженер Роберт Зубрин называет «тенденцией к темным векам» — распространением в обществе представлений о бессмысленности космических полетов. Специалисты во всем мире уверены, что судьба человечества зависит от того, сможет ли оно освоить космос, или же столкнется с гибелью.
Риски, связанные с проживанием на одной планете, относительно невелики в масштабах тысяч лет, однако на горизонте миллиона лет ситуация кардинально меняется. Астероиды неоднократно уничтожали крупные формы жизни на Земле, и было бы неразумно полагать, что в будущем эта тенденция прекратится. Независимо от желаний человечества, ему предстоит освоить Солнечную систему – иначе выживание на Земле будет поставлено под угрозу.
В космическом пространстве использование производных энергии атома третьего порядка невозможно, поскольку отсутствует либо уголь и углеводороды, либо кислород, необходимый для их сжигания. Таким образом, освоение космоса ставит перед человечеством важную задачу: либо перейти к прямому использованию энергии, полученной из производной атомной энергии (например, солнечного света), либо переориентироваться на использование самой атомной энергии.
На протяжении десятилетий ученые и футурологи исследуют перспективы энергетического обеспечения человечества в космосе, и на данный момент существуют две основные точки зрения. Одна из них предполагает, что солнечные электростанции станут преобладающим источником энергии. В рамках этой концепции рассматривается создание сферы Дайсона — массивной системы станций, расположенных вокруг Солнца и принимающих от него энергию, которая затем, посредством лазеров или микроволновых излучателей, передается на Землю, на лунные базы или на Марс.
Еще в середине XX века Айзек Азимов в цикле «Основание» предложил альтернативный способ энергообеспечения в космосе: использование атомных электростанций, которые благодаря своей компактности и небольшому расходу материалов могут стать основным источником энергии.
Так кто же из них победит в обозримом будущем?
Как работает атомная энергия в космосе
Космические ядерные реакторы существенно отличаются от крупных наземных энергоустановок, используемых в России. Условия космического пространства требуют компактности: ограниченное пространство под обтекателями ракет, доставляющих полезную нагрузку, и нежелательность большой массы делают это необходимым. Кроме того, дефицит чистой воды практически исключает (до начала активной колонизации Марса) применение водяного теплоносителя.
В начале космической эры, столкнувшись с определенными трудностями, американские инженеры попытались решить их, внедрив минимальные изменения в конструкцию: для этого они использовали турбины, работающие на альтернативных рабочих телах, например, на инертных газах вместо водяного пара. Однако, оказалось, что такие системы отличаются громоздкостью (поскольку газ обладает низкой теплоемкостью, что требует значительного увеличения размеров активной зоны) и подвержены частым поломкам.
В связи с этим, США выбрали более простые радиоизотопные генераторы. В них активное деление изотопа, например, плутония-238, приводит к испусканию частиц, которые нагревают полупроводник, и в результате нагрева генерируется электрический ток. Эти «ядерные батарейки» обеспечивают электроэнергией все дальние космические аппараты, начиная с «Вояджеров» и заканчивая «Кассини», а также марсоходы. Однако необходимо учитывать, что их мощность ограничена сотнями ватт, максимум – киловаттами, поэтому для решения задач большего масштаба они не подходят.
Эти ограничения можно рассматривать не только как недостатки, но и как преимущества, при условии иного подхода к проектированию атомных реакторов. Так, в 1965 году в США (SNAP-10A), а в 1970-м в СССР («Бук») были выведены в космос реакторы, использующие термоэмиссионные преобразователи для преобразования тепла, выделяющегося в процессе распада атомов, в электричество, вместо традиционной турбины. Принцип их работы достаточно понятен: при нагревании до сотен градусов многие металлы начинают испускать электроны.
И SNAP-10A, и система «Бук» применяли крайне высокообогащенный уран, близкий к оружейному, поскольку для космических аппаратов критически важен минимальный вес. Топливо с обычным уровнем обогащения, характерным для наземных реакторов (несколько процентов), оказалось бы слишком тяжелым. В обоих случаях тепло от топливных стержней отводилось смесью натрия и калия. На Земле данная смесь представляет опасность, поскольку способна самовоспламеняться на воздухе.
Поскольку в космическом пространстве отсутствует горючее вещество, натрий и калий обладают низкой способностью к замедлению нейтронов, что позволяет создавать очень компактные реакторы. Кроме того, они нагреваются до температур, при которых эффективна работа термоэмиссионных преобразователей – также чрезвычайно компактных устройств, не имеющих движущихся частей, в отличие от турбин наземных атомных электростанций. Американские специалисты осуществили запуск всего одного такого реактора, однако он оказался неэффективным: спутник, на котором он был установлен, прекратил функционировать. Советский Союз вывел на орбиту 31 ядерный реактор типа «Бук» и успешно применял их на протяжении всего периода своего существования.
В современных перспективных разработках «космических» реакторов рассматриваются необычные теплоносители, включая литий, самый легкий из металлов. Однако термоэмиссионный преобразователь по-прежнему является их важнейшим элементом, при этом эффективность его работы увеличилась с 3% у «Бука» до 10% в наиболее продвинутых проектах.
Теперь, когда мы рассмотрели основные принципы работы космического реактора, важно понять его роль в освоении космического пространства.
База на Луне: стоит ли использовать солнечные батареи или ядерный реактор?
В настоящее время вопросы о создании баз на других небесных телах Солнечной системы активно обсуждаются преимущественно на Западе, поскольку российская космическая отрасль не располагает четкими планами в этой области (или не делится информацией о них).
С 2007 года в информационном поле распространяются сведения о планах по возведению российской лунной базы (первоначально планировалось, что она будет создана к 2015 году, а в 2020-м Дмитрий Рогозин заявил о возможности создания такой базы вместе с Китаем). Но дело в том, что что-то определенное об этих планах узнать крайне сложно. Ведь даже ракет, пригодных для полета на Луну, у «Роскосмоса» нет (у КНР, впрочем, тоже), и конкретные сроки их создания госкорпорация избегает называть. В то время как в США сейчас строят две подобные ракеты (SLS и Starship), и одна из них в следующем году должна начать полеты в космос. Следуя западной моде, эти планы — «гелиоцентрические».
США планируют возвести лунную базу в районе «пиков вечного света» – лунных образований вблизи полюсов, где солнечный свет практически не заходит. Это обусловлено тем, что у Луны крайне незначительный угол наклона оси вращения, поэтому ее северный полюс во время «зимы» не отклоняется значительно от Солнца, и, в отличие от Земли, здесь отсутствуют периоды темноты.
Несколько лет назад Японское космическое агентство выдвинуло более амбициозный проект «энергетической колонизации» Селены, предполагавший создание сплошной полосы солнечных батарей, опоясывающей ее экватор. В ночное время на одной стороне Луны энергия будет передаваться по кабелю – сверхпроводящему и проложенному под массивом солнечных батарей – с дневной стороны, и наоборот.
Оба плана выглядят обоснованными, но при детальном рассмотрении возникают сложности. Постоянно потребуется электроэнергия для работы исследовательской базы. Однако зонд Lunar Reconnaissance Orbiter, данные, полученные NASA, показали, что на Луне отсутствуют приполярные области, находящиеся в постоянном солнечном освещении. Существуют участки, где свет присутствует в течение 94% лунного периода, однако и там происходят затмения, вызванные прохождением Земли между Луной и Солнцем или затенением от близлежащих гор. Эти затмения могут длиться до 43 часов.
Для обеспечения работы лунной базы необходимы солнечные батареи и литиевые аккумуляторы, способные запасать энергию на двое суток. В настоящее время это вполне осуществимо, особенно если база будет относительно небольшой и с ограниченным штатом сотрудников. Увеличение масштабов базы усложнит эту задачу.
Существует и более существенное препятствие для реализации сценария «пиков вечного света». Как гласит известное изречение, созданная на основе стихотворения Льва Толстого, «гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить». 94% от продолжительности года освещаются только горы кольца, окружающего кратер Шеклтон у южного полюса Селены. Общая площадь такого уникального региона — десять квадратных километров.
Однако еще в 2005 году исследователи NASA отметили, стены кратера довольно круто спускаются вниз, что значительно усложняет, а возможно, и делает невозможным его автоматизированное исследование. Размещение базы на внешней стороне также сопряжено с трудностями: под постоянным воздействием солнечного света лунная поверхность нагревается до +130 градусов. Кроме того, склоны «пиков вечного света» там также характеризуются значительным перепадом высот.
Naked Science ранее сообщало, что современные лунные скафандры отличаются значительным весом (более 100 килограммов в западных моделях), из-за чего астронавту, испытавшему падение в таком скафандре, крайне затруднительно подняться без посторонней помощи. Из-за этого изучение местности становится сложной задачей.
Как мы будем устанавливать солнечные батареи на этих крутых склонах? Как протянем оттуда длинные кабели до базы? Как гарантировать надежность их работы, учитывая, что верхний слой лунного реголита постоянно нагревается до температур, превышающих точку кипения воды на Земле?
Следует учитывать, что расстояние от места посадки модуля до базы будет значительным. Первые астронавты едва не погибли из-за выбора сложной, пересеченной местности для посадки. Поэтому планировать прилунение следует в удаленном от края кратера районе, чтобы обеспечить безопасность миссии.
Но это еще не полный перечень. В 2014 году группа исследователей, работающих в корпорации «Энергия», представила отчет отчет о наиболее эффективном обеспечении энергией лунной базы. Обнаружилась интересная вещь: чтобы использовать чисто исследовательскую базу на десять человек, требуется до 100 киловатт постоянной электрической мощности.
Для обеспечения электропитания даже самых эффективных солнечных батарей (из арсенида галлия, с эффективностью 40%) потребуется не менее 250 квадратных метров. Чтобы обеспечить электроснабжение в периоды затмений, необходимы аккумуляторы с емкостью не менее нескольких мегаватт-часов. Даже при минимальной емкости в один мегаватт-час, вес подобной системы составит не менее пяти тонн.
Согласно расчетам, представленным в работе, производство электроэнергии с использованием солнечных батарей на лунных базах, так называемых «пиках вечного света», составит 13,25 доллара за киловатт-час, а атомная энергетика, при мощности реактора в 600 киловатт, – 12,6 доллара за киловатт-час. При этом стоимость тепла, производимого солнечной батареей, будет 5,0 цента за килокалорию, а от атомного реактора — 1,5 цента. Действительно, возникает вопрос: зачем необходимо тепло на Селене, особенно в районе пика вечного света, где основной задачей является его рассеивание?
Несмотря на это, потребность в тепле существует и весьма существенна. Прежде всего, размещение базы на вечном свете представляется неоптимальным решением. Солнечное излучение способно вызывать перегрев наружных конструкций, что требует защиты в виде толщи грунта. Кроме того, выход на поверхность во время солнечной бури в районе «пиков вечного света» нежелателен, поскольку уровень протонов, приходящих от Солнца, будет слишком высоким.
Вместо этого, при расположении базы в затененной области радиация не представляет существенной угрозы, однако потребуется обеспечить нагрев. Также необходимо тепло для плавления водяного льда, содержащегося в кратере Шеклтона, из которого возможно получение кислорода для дыхания и водород для компонентов ракетного топлива.
При потреблении энергии, превышающем 500 киловатт, лунная база, скорее всего, не сможет обойтись без атомного реактора. По мнению авторов исследования, база, укомплектованная более чем десятью сотрудниками и использующая местные запасы льда для получения ресурсов, неизбежно потребует сотен киловатт, что делает атомную электростанцию наиболее целесообразным вариантом.
Если база располагается не у кратера Шеклтона, а в любой другой точке лунной поверхности, лишенной его уникальных особенностей, то ситуация усугубляется. В таком случае затраты на системы хранения энергии, необходимые для преодоления лунной ночи и затмений, сделают даже самые эффективные солнечные батареи более затратным источником энергии по сравнению с атомным реактором.
Финансовые затраты в данном случае не играют существенной роли, гораздо важнее другие аспекты: масса и размеры грузов, которые необходимо будет доставить на базу. Атомный реактор с термоэмиссионным преобразователем, преобразующим тепло в электричество, отличается компактностью и может быть размещен под обтекателем даже на ракете относительно небольших размеров.
Солнечные батареи большой мощности, исчисляемой сотнями и тысячами киловатт, не обладают такой возможностью. Организовать их производство непосредственно на Луне, используя местные ресурсы, без создания крупного завода не представляется возможным, поэтому при активном освоении спутника лунной атомной станции просто нет альтернативы.
Утверждение о том, что никто не решится на транспортировку ядерного реактора в космос, также не является непреодолимым препятствием. Прежде всего, до момента запуска реактор не содержит сложных изотопов, которые формируются в процессе его эксплуатации. Кроме того, в космос периодически доставляются вещества с более высоким уровнем радиационной опасности, такие как российский плутоний-238, используемый на аппарате «Кьюриосити», или американский плутоний-238 на борту «Персеверанс». Объяснение отсутствия протестов довольно простое: в случае обычной аварии площадь загрязнения будет ограничена, и ее последствия будут незначительными.
Завоевание Марса и других планет Солнечной системы
Несмотря на кажущееся противоречие, на Марсе солнечная энергия представляется более перспективной, чем на Земле. Хотя на квадратный метр марсианской поверхности приходится 590 ватт солнечной энергии, в то время как на земной – 1000 ватт, земная атмосфера содержит большое количество облаков, что практически отсутствует на Марсе. В результате, стандартная неподвижная кремниевая солнечная батарея с эффективностью 25% на Земле способна генерировать от 200 до 600 киловатт-часов электроэнергии в год, в зависимости от региона (от средней полосы России до безоблачной пустыни).
На Марсе она также будет генерировать 600 киловатт-часов, как и в Сахаре. Это кажется идеальным вариантом: солнечная энергетика, стабильно работающая 12 часов в сутки, без влияния облаков и с отличной, если сравнивать с условиями Земли, выработкой.
Это утверждение справедливо только для небольших объемов данных. Марс находится на значительном удалении, его гравитация составляет 0,38 земной, и для обратного перелета за приемлемую цену необходимо получать топливо непосредственно на месте. Илон Маск намерен использовать для этого углекислый газ, присутствующий в марсианской атмосфере, и водород, извлеченный из марсианского льда (его там достаточно). Однако для этого потребуется электролиз воды и значительные тепловые затраты для поддержания необходимой температуры, требуемой для реакции Сабатье.
Солнечная энергия доступна на Марсе только в течение дня. Транспортировка батарей с Земли крайне затруднительна из-за значительного веса. Таким образом, автоматизированные мини-заводы для производства ракетного топлива для обратного пути могут либо использовать солнечные батареи (что замедлит процесс выработки топлива вдвое), либо получать энергию от мини-электростанций — и тем самым ускорить его вдвое. В первом случае для мини-завода потребуется конструкция с удвоенной производительностью, что, соответственно, увеличит его массу вдвое. А вопрос массы при колонизации Марса встанет гораздо острее, чем при освоении Луны.
Суть не ограничивается только топливом. В должности старшего инженера по освоению Марса работает Маргарита Маринова, которая много лет назад опубликовала научную работу о наиболее эффективном пути терраформирования Терраформирование Марса не является чрезмерно сложной задачей. Для этого потребуется извлечение элегаза и других «сверхпарниковых» газов из местных горных пород, способных удерживать инфракрасное излучение в десятки тысяч раз эффективнее, чем углекислый газ. Согласно расчетам ученых, повышение температуры четвертой планеты всего на 4 °C позволит растаять углекислотным полярным шапкам, значительно уплотнить атмосферу и поднять среднюю планетарную температуру до уровня, сопоставимого с земной (плюс 15 °C).
При указанной температуре произойдет формирование гидрологического цикла благодаря таянию льдов, и растения смогут осуществлять преобразование углекислого газа в кислород. Ранее мы отмечали, что земные растения способны к фотосинтезу в лабораторных условиях, имитирующих марсианскую атмосферу. Принимая во внимание, что площадь суши на Марсе сопоставима с земной, человек, занимающийся его терраформированием, предоставит своим потомкам вторую пригодную для жизни планету, расположенную относительно недалеко от Земли».
Для некоторых марсианских регионов, таких как долины Маринера, простирающиеся на тысячи километров, терраформирование может быть реализовано относительно быстрее: создание куполов из аэрогеля для изоляции части долины позволит повысить концентрацию элегаза до уровня, при котором через некоторое время на дне долины сформируются вполне земные температуры.
Для создания любого суперпарникового газа необходимы химические реакции, которые протекают с поглощением тепла и требуют значительных затрат электроэнергии. Проще говоря, терраформирование Марса может осуществляться с использованием солнечной энергии, хотя и в два раза медленнее, или же с использованием атомной энергии, что позволит ускорить процесс вдвое).
Стоит отметить, что в недавнем интервью Маск заявил о намерении использовать любые доступные источники энергии в своих космических проектах. Вероятно, речь шла об атомной энергии, поскольку ее применение позволит значительно ускорить как производство ракетного топлива, так и процесс терраформирования Марса.
Для других регионов Солнечной системы это утверждение еще более актуально. Церера обладает обширным подповерхностным океаном и содержит значительные запасы льда, при этом затраты топлива для путешествия к ней сопоставимы с расходами на полет к Луне. Это открывает возможности для проведения исследовательского бурения, чтобы выяснить, существует ли жизнь в местном океане?
Объем получаемой солнечной энергии в этом месте значительно меньше, чем на Марсе, и, конечно, ночи никуда не делись. Поэтому, как в этом, так и в более удаленных от Солнца регионах, разумной альтернативы атомной энергии не существует. Солнечные батареи продолжат использоваться для небольших баз или исследовательских аппаратов. Однако, для баз, рассчитанных на несколько человек, или для производства топлива, необходимого для возвращения, не говоря уже о полноценной колонизации, атомные электростанции неизбежно станут доминирующим решением.