Lenta1.ru

Ядерная батарейка

Как Россия помогает искать жизнь на Марсе и осваивать космос

Исследование дальнего космоса требует надежных источников энергии, потому практически невозможно без использования ядерных технологий. В этой области Россия является одним из мировых лидеров, не только сохраняя, но и преумножая компетенции, созданные Советским Союзом. Так, в последних европейских, американских, китайских и индийских миссиях в дальний космос есть важный российский вклад. Об участии России в соответствующих международных проектах и перспективных направлениях развития национальных космических ядерных технологий — в материале «Ленты.ру».

Жизнь на Марсе

Одна из важнейших и самых успешных за последнее десятилетие миссий в дальний космос — исследование кометы Чурюмова —Герасименко европейской автоматической станцией Rosetta, за научными открытиями которой в 2014 году наблюдал весь мир. Одноименный космический аппарат, стартовавший с Земли еще в 2004 году, достиг кометы только спустя десять лет. Выйдя на орбиту небесного тела, Rosetta выпустила на его поверхность спускаемый зонд Philae. Россия в этом проекте приняла активное участие в создании важного научного инструмента — альфа-протон-рентгеновского спектрометра AlphaProton X-raySpectrometer (APXS). Для него в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) госкорпорации «Росатом» были изготовлены источники альфа-частиц (ядра гелия-4) на основе изотопа кюрий-244.

Автоматическая межпланетная станция Rosetta. Источник: ESA, image by AOES Medialab

Фото: Европейское космическое агентство.

Принцип работы таких элементов достаточно прост. Источники испускают альфа-частицы, которые ударяются о поверхность исследуемого объекта, порождая вторичное излучение. Отслеживая соответствующую потерю энергии, можно определить химический состав поверхности кометы. Основу источников составляет поликристаллический кремний с нанесенным на его поверхность тонким слоем металлического кюрия.

Несмотря на то что аналогичные элементы способны производить еще в Национальной лаборатории Ок-Ридж в США, российский источник отличается оптимальными характеристиками излучения альфа-частиц. Стоит отметить, что кроме Philae в России созданы источники для таких крупных американских марсианских миссий, как Pathfinder, Opportunity и Curiosity. Сотрудничество США и России в этой области началось в 1990-х годах по инициативе американской стороны.

Бассейн выдержки реактора МИР.М.1

Из этих трех миссий в настоящее время на поверхности Марса работает только Curiosity. В данном случае кроме российского источника альфа-излучения марсоход получил российский детектор альбедных нейтронов (ДАН), позволяющий по вторичному излучению определять содержание небольших концентраций водорода в грунте.

Марсоход Curiosity. Источник: NASA
Фото: NASA.

Научный прибор, изготовленный Всероссийским научно-исследовательским институтом автоматики (ВНИИА) "Росатома«,позволил НАСА заявить об обнаружении на Марсе в долинах Маринера свидетельств существования жидкой воды.

Аналогичный прибор, занимающийся отслеживанием возможных выбросов метана в атмосфере Красной планеты, установлен на марсианском спутнике TraceGasOrbiter (TGO) российско-европейской миссии ExoMars-2016. Таким образом, не будет преувеличением считать, что именно технологии, разработанные в России, позволяют сегодня искать следы жизни на Марсе.

«Мы хотим поблагодарить наших коллег из Института автоматики за замечательный нейтронный генератор, который они создали для нашего эксперимента. Гарантийный срок его действия был заявлен в один год, и он уже превышен более чем в три раза. Конечно, тритиевая мишень в генераторе понемногу истощается, и уменьшается интенсивность пучка нейтронов, но мы компенсируем это продолжительностью измерений», — заявлял по итогам открытий Curiosity научный руководитель работ по ДАН Игорь Митрофанов из Института космических исследований (ИКИ) Российской академии наук (РАН).

Универсальная батарейка

Кроме сделанных в России научных инструментов и источников излучения для них, значительная часть известных космических аппаратов использует российские ядерные источники энергии. После распада Советского Союза Россия поставила Соединенным Штатам около 40 килограммов изотопа плутоний-238, который использовался в межпланетных автоматических станциях и марсоходах.

Раскалённая таблетка диоксида плутония-238

Плутоний-238, превращаясь в ходе радиоактивного распада в уран-234, выделяет тепло, которое идет на обогрев и генерацию электроэнергии. Именно по такому принципу работает радиоизотопный термоэлектрогенератор (РИТЭГ), который вместе с российским ядерным источником энергии получили, например, американская межпланетная станция New Horizons, изучавшая Плутон, и китайский лунный зонд Chang’e 4. Недостатком РИТЭГ считается невысокий коэффициент полезного действия (около десяти процентов), который компенсируется продолжительным сроком службы и сравнительно простой конструкцией устройства.

Стоит отметить, что в настоящее время по технологии наработки плутония-238 в мире лидирует Россия. Изотоп при необходимости может нарабатываться на мощностях производственного объединения «Маяк» госкорпорации «Росатом». Так, США закупают ядерные источники энергии у России с 1990-х годов, когда в стране закрыли соответствующее производство. Первые 50 граммов плутония-238 после многолетнего перерыва Соединенные Штаты наработали лишь к концу 2015 года. Кроме Европы, США и Китая к российским ядерным космическим технологиям проявляет интерес Индия — запущенная в 2019 году лунная миссия Chandrayaan-2 получила РИТЭГ с российским плутонием-238 и APXS с российским источником альфа-частиц.

Изотопное производство на ПО «Маяк»

В 2022 году состоится пуск российско-европейской марсианской миссии ExoMars-2022, включающей посадочную платформу и ровер. Посадочная платформа вмещает около 50 килограммов научного оборудования российского производства, а ровер, создаваемый под контролем Европейского космического агентства (ЕКА), содержит два российских прибора — Infrared Spectrometer for Exo Mars (ISEM) и детектор нейтронов и гамма-лучей ADRON. Первый исследует минералогический состав грунта, а второй (нейтронный спектрометр) займется поиском воды на глубине до одного метра.

Фото: Европейское космическое агентство.

Взгляд в будущее

Однако по-настоящему амбициозные планы заключаются в возможности использования ядерных двигателей для путешествий в дальний космос. Головным разработчиком соответствующей ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для российского лунного буксира — транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) — стал Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) «Росатома».

В Научно-исследовательском и конструкторском институте энерготехники имени Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ)

В перспективе на основе созданных технологий ЯЭДУ с помощью ТЭМ можно будет совершать полеты на Марс, осуществлять экспедиции к дальним планетам Солнечной системы, бороться с астероидной опасностью, очищать околоземное пространство от космического мусора.

Марс

Разработанные технологии, по словам исполняющей обязанности главного конструктора космических ядерных установок НИКИЭТ Елены Ромадовой, допускают использование и на Земле —например, при создании атомных электростанций (АЭС) малой мощности, — и являются дальнейшим развитием открытий советских ученых.

Активная фаза работ в области космических ядерных технологий началась в Советском Союзе в 1958 году, когда на Семипалатинском полигоне было развернуто строительство первого объекта экспериментальной базы для отработки ядерных ракетных двигателей (ЯРД) — импульсного графитового реактора (ИГР). Установка работала на принципе аккумуляции всей выделяющейся в процессе одного цикла тепловой энергии в материале активной зоны.

В ходе экспериментов, проведенных в 1962-1964 годах, советскими учеными была экспериментально доказана возможность нагрева водорода (рабочего тела ЯРД) до температуры около 3000 кельвинов, что обеспечивало получение импульса тяги, вдвое превосходящего удельный импульс тяги наиболее эффективных жидкостных ракетных двигателей на топливе водород-кислород.

Следующим этапом советской программы ЯРД стало создание НИКИЭТ исследовательского реактора ИВГ.1. Для его разработки в институте в 1965 году был создан отдел, успешно функционирующий сегодня как отделение космических ядерных энергоустановок. В период с 1975 по 1988 год было проведено 30 пусков реактора ИВГ.1, результаты которых подтвердили правильность выбранной в СССР концепции построения ЯРД. Параллельно с этим в 1968-1988 годахв СССР была запущена целая серия военных спутников «Космос» с ядерными реакторами на борту (разработанные «Красной Звездой» установки «Бук» и «Топаз»), которые обеспечивали аппараты электроэнергией.

Модель космического реактора для питания бортовой космической аппаратуры «Бук»

Работы по ядерным ракетным двигателям велись и в США, где в 1952-1972 годах в рамках проектов Rover и Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) было испытано около 40 установок с ЯРД. Однако по важнейшему показателю — температуре водорода на выходе из реактора — советские ЯРД превосходили американские. Если в США смогли обеспечить максимальную температуру водорода 2550 кельвинов, то в СССР — 3150 кельвинов.

Такая температура способна обеспечить удельный импульс тяги более 900 секунд, что является достаточным для осуществления пилотируемой экспедиции на Марс. При этом стоимость советской программы была почти на порядок меньше, чем американской. Успешные испытания тепловыделяющих сборок (ТВС) в реакторе ИВГ.1 позволили приступить к работе над первым наземным прототипом ядерного ракетного двигателя 11Б91 (РД-0410).

Схема твердофазного ядерного ракетного двигателя

Фото: Википедия.

«Энергоустановка с ядерным двигателем позволяет достигнуть Марса за один-полтора месяца, обеспечивая возможность маневрирования и ускорения. На обычном двигателе полет на Марс составил бы около полутора лет без возможности вернуться назад», — говорит председатель наблюдательного совета госкорпорации «Росатом» Сергей Кириенко.

Взлёт шаттла

Сегодня работы над космическими ядерными реакторами активизировались и в Соединенных Штатах. НАСА совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией (Нью-Мексико) и Центром национальной безопасности Y-12 (Теннесси) работают над программой Kilopower. Изделие, тестируемое американцами, состоит из ядерного реактора, двигателя Стирлинга и генератора переменного тока. Первый выделяет тепло, второй преобразует его в механическую энергию, третий превращает энергию движения в электрическую. В качестве топлива ядерный реактор использует уран-235. Технология позволяет непрерывно производить от одной установки до десяти киловатт электроэнергии в течение десяти лет (среднему американскому домохозяйству достаточно пяти киловатт).

В США, как и в России, уверены, что продолжительные миссии в дальний космос с участием людей невозможны без ядерных технологий.

Пройти тест Читать дальше

www.atom75.ru