В то время как Илон Маск радует громкими заявлениями об освоении Красной планеты, более реалистичные планы NASA по пилотируемым марсианским миссиям остаются в тени. Тем не менее, американское космическое агентство продолжает последовательно развивать эти проекты. В частности, оно поручило своим дочерним структурам и сторонним организациям провести анализ текущих и потенциальных разработок в сфере космической ядерной энергетики.
Соответствующий объемный отчет опубликован на портале Национальных академий наук, инженерии и медицины ( NASEM). Печатная копия обойдется в 45 долларов (примерно 3300 рублей), а бесплатный PDF-файл доступен для скачивания после прохождения регистрации. В статье специалисты ракетно-космической отрасли делятся своими экспертными оценками по двум основным темам: тепловые ядерные ракетные двигатели ( NTP, Ядерные энергетические установки, включая реакторы, и ядерные силовые установки для электроракетных двигателей ( NEP).
Эти области деятельности в той или иной степени уже исследовались и даже получили практическую реализацию, однако для марсианских миссий этого не хватает. Необходимо напомнить, что Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США ( NASA) компания планирует отправить людей на Красную планету примерно в 2039 году. Перед этим в 2033 году состоится пилотируемый облет Марса или его спутника Фобоса. Несмотря на кажущуюся достаточность времени, эксперты предупреждают, что без принятия соответствующих мер миссии придется осуществлять на химических ракетах, что существенно ограничит масштаб программы. Основной вывод отчета заключается в том, что без увеличения финансирования и ускорения разработки ядерные реакторы не смогут быть использованы для поддержки марсианской колонизации.
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 — занимает лидирующие позиции в области космических ядерных технологий. Фактически, это тепловой ракетный двигатель, в котором рабочее тело (как правило, водород) нагревается не за счет химической реакции с окислителем, а в результате прохождения через активную зону атомного реактора. Схема всей установки кажется простой: газ из бака поступает на тепловыделяющие сборки, нагревается и расширяется, после чего с высокой скоростью выходит через сопло. Подобные установки даже подвергались испытаниям в прошлом веке, и некоторые из них были готовы к использованию. Однако, это не состоялось.
Чтобы создавать мощные, безопасные и долговечные ЯРД, необходимо решить одну ключевую задачу: разработать материалы, способные выдерживать высокие температуры в активной зоне. Обычно эффективность таких двигателей достигает максимума при нагреве водорода до 2700 градусов Кельвина, при этом значение может варьироваться от 2,5 до 3000 градусов в зависимости от конструкции. В области материаловедения пока не достигнут значительный прогресс: либо имеются отдельные экспериментальные разработки, либо проводятся неудачные испытания.
Проблема усугубляется необходимостью тестирования этих двигателей. В эпоху, когда космические гонки 1960-х годов остались в прошлом, выброс значительных объемов радиоактивных газов в атмосферу не будет воспринят обществом нигде. Поэтому и с испытательными стендами потребуется найти решение: либо проводить испытания непосредственно в космосе.
В заключение, необходимо решить вопрос хранения водорода во время всего перелета к Марсу и обратно. Этот газ в жидкой форме проникает в различные материалы и может выходить из бака через микропоры в стенках, а также относительно быстро испаряется.
Реакторы для электрических ракетных двигателей
Фактически NEP (Nuclear electric propulsion) — подрядчики «Роскосмоса» выбрали именно такое развитие событий. Ядерный реактор, подобно земному, генерирует энергию, которая используется высокоэффективными электрическими ракетными двигателями (ЭРД). В этой конфигурации тяга будет незначительной, но ее можно поддерживать непрерывно, поскольку расходуется крайне мало рабочего тела. Удельный импульс, ключевой показатель эффективности реактивных двигателей, у ЭРД значительно превышает аналогичный параметр у химических двигателей».
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.
В отчете отдельным вопросом рассматриваются «поверхностные» реакторы – те, что могут обеспечить энергией лунные или марсианские базы, когда использование солнечных панелей оказывается недостаточным. Или когда доставка фотоэлектрических преобразователей для обеспечения требуемой мощности невозможна из-за их громоздкости. Данное направление признано приоритетным по трем основаниям. Прежде всего, существует проект, уже продемонстрировавший свою эффективность Kilopower, он обладает потенциалом для масштабирования. Это компактный ядерный реактор с двигателями Стирлинга, способный генерировать электрическую мощность до 10 киловатт. Кроме того, подобные установки необходимы для реализации лунной программы «Артемида», запуск которой запланирован на ближайшее время. И, наконец, исследования и разработки в области «поверхностных» реакторов также будут способствовать развитию и NEP, что позволяет значительно упростить их взаимодействие.
Сдерживающие факторы
По оценкам американских экспертов, ядерные энергетические установки являются не столько необходимостью, сколько весьма перспективным компонентом пилотируемых марсианских миссий. Убедительные доводы подтверждают эту позицию. В частности, астронавты смогут избежать длительного воздействия повышенных доз космического излучения, поскольку атомный буксир способен доставить их к Марсу всего за полтора-два месяца. Это сокращает общее время полета туда и обратно более чем вшестеро или позволяет увеличить время работы на поверхности Красной планеты.
Существуют и негативные аспекты, продиктованные опытом эксплуатации. Советский Союз заслуженно занимает первое место в использовании ядерных реакторов в космической отрасли. При этом он же является абсолютным рекордсменом по числу инцидентов, связанных с опасностью, и касающихся спутников, на борту которых находилось значительное количество радиоактивных веществ.
Несправности в работе советских космических аппаратов привели к случайному рассеиванию фрагментов высокообогащенного урана-235 на территории северо-западной части Канады и над островом Вознесения. Кроме того, определенные околоземные орбиты, расположенные на высотах от 760 до 860 километров, останутся непригодными для размещения спутников на протяжении нескольких столетий: на этих траекториях находятся металлические частицы теплоносителя из реактора аппарата «Космос-1818» размером до 30 миллиметров в диаметре.
Неудивительно, что прогресс в этой сфере ограничен, поскольку к проектам предъявляются более жесткие требования к безопасности конструкции, чем в традиционной ракетно-космической отрасли. Даже если теоретические и экспериментальные исследования подтвердят надежность ядерных реакторов для межпланетных миссий, их широкое применение не гарантировано. В нынешних условиях антиатомные настроения в обществе довольно сильны, поэтому идея размещения подобного энергетического устройства на ракете вряд ли вызовет поддержку.