Атомные технологии в космосе: от атомного взрыва до ядерного двигателя. Пятничный Лонгрид #18

Примечание:
Сегодняшний выпуск сделан совместно с каналом "Линия Кармана". Видеоверсию данной статьи вы можете посмотреть на ютубе по ссылке ниже. Выражаем Дмитрию Герману благодарность за сотрудничество
Ссылка на YouTube

В ранние часы 26 апреля 1986 года произошла авария на Чернобыльской атомной электростанции — одна из крупнейших техногенных катастроф в истории. Из-за ошибок в проведении испытаний и конструктивных недостатков реактора РБМК-1000 четвёртый энергоблок взорвался, выбросив в окружающую среду огромное количество радиоактивных веществ. Чернобыль наглядно показал, насколько опасна неконтролируемая ядерная энергия и как важно соблюдать строжайшие меры безопасности при работе с атомом.

Тем не менее, ядерные технологии — это не только аварии и оружие. Они обладают колоссальным потенциалом в науке и освоении космоса. Сегодня мы поговорим о атомных технологиях за пределами Земли: что помогает марсоходам пережить холодные ночи, как согреть спутник вдали от Солнца и какие двигатели могут разогнать космический корабль при помощи реактора. Эта тема обширна и захватывающа — от первых ядерных взрывов в космосе до амбициозных проектов ядерных ракетных двигателей будущего.

Космический ядерный удар

Как и во многих случаях с космическими технологиями, первое, что отправилось за пределы атмосферы с пометкой «ядерное», было оружие. В разгар холодной войны США проводили серию высотных ядерных испытаний Operation Dominic. Одно из самых известных — проект Starfish Prime. 9 июля 1962 года над атоллом Джонстон в Тихом океане, на высоте около 400 км, американцы взорвали термоядерный заряд мощностью 1,4 мегатонны. Конечно, на такой высоте не было привычного «ядерного гриба», зато появились другие впечатляющие эффекты.

Взрыв Starfish Prime вызвал мощнейший электромагнитный импульс (EMP), который вывел из строя уличное освещение и телефонную связь в Гонолулу на Гавайях — хотя до эпицентра взрыва было полторы тысячи километров! Более того, последствия сказались и на орбитальной технике: сразу три спутника вышли из строя, а появившийся при взрыве искусственный радиационный пояс постепенно убил электронику ещё семи аппаратов на орбите. Военные поняли, что ядерным взрывом можно поджарить электронику вражеских спутников... но при этом есть риск вывести из строя и свои собственные космические аппараты.

После таких экспериментов стало ясно, что военный путь — тупиковый. Началось движение в сторону «мирного атома» в космосе. Уже в 1967 году международное сообщество подписало Договор о космосе, запрещающий размещать ядерное оружие на орбите. Сверхдержавы переключили фокус на использование ядерной энергии в научных и мирных целях. Одним из первых направлений стало создание компактных ядерных источников энергии для космических спутников — там, где солнечные панели не справлялись.

Мирный атом вместо солнечных панелей

С самых первых дней космической эры инженеры понимали: чтобы космический аппарат работал долго и надёжно, особенно вдали от Солнца или при больших потребностях в энергии, одних солнечных батарей может быть недостаточно. Так родилась идея использовать атомные реакторы на орбите для энергопитания спутников.

Советский Союз одним из первых преуспел в этой области, создав серию спутников военно-морской разведки «Управляемый Спутник Активный» (УС-А), более известную на Западе как RORSAT. Эти спутники системы «Легенда» в 1970-х годах несли на борту небольшие ядерные реакторы типа БЭС-5 «Бук». Зачем разведывательному спутнику атомный реактор? Дело в том, что аппараты УС-А оснащались мощными радарами для отслеживания кораблей и подводных лодок в мировом океане. Такой радар 'жрёт' энергию как прожорливый дракон, и солнечные панели нужной площади либо не поместились бы на ракету, либо были бы ненадёжны (да и тень от Земли регулярно накрывает спутник). Поэтому инженеры запитали радиолокатор от компактного реактора, способного выдать десятки киловатт мощности.

Конечно, размещая реактор на орбите, советские специалисты сразу продумали меры предосторожности. Отработав положенный срок, спутник отстыковывал отработанный реактор и отправлял его в специальную “орбиту захоронения” — значительно выше рабочей орбиты, чтобы минимизировать риск радиоактивного загрязнения Земли при падении. Несколько таких ядерных 'батареек' и поныне вращаются вокруг планеты на безопасном удалении.

Однако не всё шло гладко. В 1978 году один из аппаратов серии УС-А — спутник Космос-954 — вышел из-под контроля и сошёл с орбиты. Его ядерная установка не была переведена на безопасную высоту и вошла в атмосферу. Фрагменты реактора рассеялись над северной частью Канады, вызвав радиоактивное загрязнение территории. Инцидент ожидаемо привёл к международному скандану: СССР пришлось оправдываться и позже частично компенсировать затраты на ликвидацию последствий. Этот случай наглядно показал, как важна надёжность систем управления “атомным космосом”.

У США тоже были эксперименты с ядерными энергосистемами в космосе. В 1965 году NASA запустило спутник SNAP-10A (из программы Systems for Nuclear Auxiliary Power) — первый и единственный американский спутник с атомным реактором на борту. Его реактор на уране-235 выдавал около 500 ватт электрической мощности — по меркам космоса этого хватало, чтобы запитать несколько научных приборов или радиопередатчиков. Аппарат массой почти полтонны успешно вышел на орбиту и проработал 43 дня, после чего отказала не ядерная часть, а электрический компонент системы управления. Миссию пришлось завершить раньше времени. SNAP-10A остался болтаться на орбите, став своеобразным ядерным 'памятником': больше США не запускали реакторов в космос и сосредоточились на других решениях.

Советские же инженеры продолжали совершенствовать технологию. На смену реакторам БЭС-5 пришли более мощные установки «Топаз». Но к концу 1980-х из-за политических и экономических перемен запуски спутников с реакторами прекратились. Проект оказался дорогим и непростым, а риски — высокими. Казалось бы, от атомных реакторов в космосе решили отказаться... но на смену им пришла другая ядерная технология, куда более простая и надёжная.

Энергия распада: радиоизотопные батарейки

Вместо сложных реакторов для многих задач в космосе начали применять радиоизотопные источники энергии. Если упрощённо — это такие 'атомные батарейки', в которых энергия вырабатывается за счёт естественного распада радиоактивных изотопов. Самый известный пример — РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор).

РИТЭГ не умеет выдавать мегаватты мощности, как реактор, зато чрезвычайно надёжен и прост в эксплуатации. Внутри такого генератора находится капсула с радиоактивным материалом (обычно диоксидом плутония-238). Постепенно распадаясь, изотоп выделяет тепло, как небольшой ядерный 'буржуйка'. Это тепло преобразуется в электричество с помощью термопар (эффект Зеебека вам в помощь!) безо всяких движущихся частей и сложных турбин. Выходная мощность обычно составляет от десятков до нескольких сотен ватт — немного по земным меркам, но бесценных в далёком космосе, где каждая искра энергии на вес золота. При этом срок службы РИТЭГа измеряется десятилетиями: пока плутоний медленно остывает, аппарат получает своё стабильно работающее электропитание.

Такие ядерные батарейки стали спасением для множества миссий, где солнечная энергия либо недоступна, либо недостаточна. Например, космические зонды, отправленные к внешним планетам, несут на себе РИТЭГи, потому что на расстоянии Юпитера или Сатурна от Солнца огромные солнечные панели дадут жалкие ватты. Автоматические посланцы человечества Pioneer 10 и 11, Voyager-1 и 2 — все они смогли так далеко улететь именно благодаря питанию от плутониевых 'батареек'. Аппараты Galileo (к Юпитеру), Cassini–Huygens (к Сатурну) и New Horizons (к Плутону) — яркие примеры того, как РИТЭГ позволил провести настоящие одиссеи, где солнечные панели просто не работали бы. Даже на Луне, где солнца вроде бы хватает каждые две недели, американские астронавты оставили несколько приборных станций, работавших от РИТЭГ, а советские луноходы снабжались полониевыми капсулами для обогрева ночью.

Разумеется, безопасность превыше всего: конструкция РИТЭГов предельно прочна. Радиоактивный материал заключён в герметичные оболочки и окружён теплоизоляцией. Инженеры рассчитывают такие источники так, чтобы даже авария ракеты-носителя не разбросала плутоний по округе. Кстати, в 1970 году при аварии миссии Аполлон-13 лунный модуль с РИТЭГом упал в океан — и его топливо до сих пор покоится на дне, не причинив вреда экологии.

РИТЭГ на красной планете

Отдаляться от Солнца необязательно, чтобы столкнуться с энергетическим голодом. Возьмём Марс — вроде бы и не столь далёкая планета, но и там бывают проблемы. Пылевые бури на Марсе могут на недели закрыть небо плотной завесой. Для марсоходов на солнечных батареях это как внезапно наступившая полярная ночь.

Два американских ровера — Spirit и Opportunity — работали на Марсе с 2004 года, питаясь исключительно от солнечных панелей. Они превзошли все ожидания, проработав годы вместо запланированных месяцев. Но в итоге законы природы взяли верх. Opportunity пережил множество бурь, пока одна особо мощная буря 2018 года не покрыла его батареи толстым слоем пыли. Ровер отправил на Землю последнее печальное сообщение: «Мои батареи разряжаются, тьма сгущается» — после чего замолчал навсегда. (Правда, эту фразу скорее придумали поэтичные журналисты, но она точно передаёт суть происходящего.) Его брат Spirit раньше вышел из строя, застряв колесом в рыхлом грунте и тоже потеряв энергию.

Получив такой урок, NASA для следующих марсоходов выбрало уже не солнечные панели, а всё те же надёжные РИТЭГи. Если присмотреться к фотографиям современных марсоходов Curiosity (прибыл в 2012 году) и Perseverance (2021 год), сзади у них виден бочонок — это и есть радиоизотопный генератор. Он непрерывно снабжает роверы электричеством и теплом. Благодаря этому Curiosity уже более десяти лет бороздит Марс (хотя миссия планировалась на 2 года), не страшась пыли и холодных марсианских ночей. Perseverance тоже чувствует себя отлично. Ядерная 'батарейка' позволяет работать круглый год, в любое время суток, тогда как солнечным роверам приходилось засыпать ночью и экономить энергию. Можно сказать, что атом дал марсоходам второе дыхание и настоящую всесезонность.

Ядерные ракетные двигатели

Конечно, атомные технологии полезны не только для питания и обогрева, но и для движения. Мечта ракетостроителей с середины XX века — ядерный ракетный двигатель, способный разгонять корабли дальше и быстрее, чем химические двигатели на керосине или водороде. Принцип такого двигателя сродни ядерному реактору в миниатюре: в сердце — активная зона реактора, где идёт управляемая цепная реакция. Вместо воды или другого теплоносителя через реактор прокачивается жидкий водород. Он мгновенно нагревается до экстремальной температуры (тысячи градусов), превращаясь в раскалённый газ, и вырывается через сопло ракеты, создавая тягу. Получается своего рода «атомный чайник на вылет»: нагрел — выпустил струю. Зато эффективность этого процесса превосходит привычные двигатели: ожидаемый удельный импульс такого тяжа — порядка 800–900 секунд, что вдвое превышает возможности лучших химических РД.

В 1960–70-е годы и в СССР, и в США шли интенсивные работы над ядерными двигателями для ракет. В Советском Союзе был разработан опытный двигатель РД-0410. Он прошёл огневые стендовые испытания в 1970-х и показал достойные результаты. РД-0410 имел гетерогенный реактор на тепловых нейтронах с ядрами урана и замедлителем из гидрида циркония, окружённый бериллиевым отражателем. Все эти хитрости были нужны, чтобы реактор оставался компактным, но при этом разогревал водород как можно сильнее. Конструкция получилась относительно небольшой: сам реакторно-двигательный модуль был высотой около 3,5 метров и диаметром 1,6 м, массой порядка 2 тонн. Для сравнения, один из самых мощных химических двигателей — РД-170 — весит около 10 тонн, правда, и тягу даёт куда большую. Советский атомный мотор использовал замкнутый цикл: чтобы турбонасосы вращались, в них подавали не перегретый водород, а другой рабочий компонент (например, гексан), избегая слишком высоких температур на турбинах. Также в РД-0410 применили модульное строение реактора, охлаждая его элементы потоком водорода — инновационное решение для своего времени.

На другой стороне океана параллельно шла программа NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) под эгидой NASA и Комиссии по атомной энергии США. Американцы построили несколько экспериментальных ядерных двигателей, самый известный образец имел длину почти 7 метров и диаметр около 2,6 м. Он тоже работал на жидком водороде и выдавал удельный импульс около 825 секунд. И РД-0410, и NERVA изначально разрабатывались с прицелом на большие программы — пилотируемые полёты на Марс, создание постоянных баз на Луне, ядерные межпланетные буксиры. Однако ни одному из них не довелось оставить испытательный стенд: к концу 1970-х оба проекта были свернуты без запуска в космос. Возможно, человечество тогда немного испугалось собственной смелости — или просто не нашлось финансов под такие грандиозные планы.

Будущее атомного космоса

Прошли десятилетия, и интерес к ядерным двигателям вновь растёт. Ведь для полёта на Марс или дальше — к Юпитеру, Сатурну и за пределы Солнечной системы — нам понадобятся более эффективные средства движения. В начале 2020-х сразу несколько проектов возродили дух NERVA и РД-0410.

Во-первых, в США агентство DARPA совместно с NASA разрабатывает ядерный буксир DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Это будет разгонный модуль для новой ракеты Vulcan от компании ULA. Его цель — продемонстрировать надёжный ядерный двигатель в космосе уже к концу 2020-х годов. Важное отличие от проектов 60-х: в качестве топлива реактора планируется использовать HALEU — высокообогащённый, но не оружейный уран. Такой подход упрощает безопасность и не нарушает международные договоры о нераспространении. Если DRACO полетит успешно, он сможет значительно сократить время перелёта к Марсу для космических аппаратов — а там, глядишь, и пилотируемый корабль с ядерным разгонным блоком не за горами.

Россия, в свою очередь, работает над проектом под названием Зевс. Это целая космическая энергодвигательная установка мегаваттного класса, своего рода атомный 'буксир' для перегона грузов между орбитами и к дальним планетам. Зевс представляет собой модуль с ядерным реактором и ионными (электрическими) двигателями, плюс огромные радиаторы-охладители, раскинутые в стороны словно крылья. Запуск первой такой системы планируется на ракете Ангара-А5 примерно в начале 2030-х. Разработки идут полным ходом: уже тестируются ключевые элементы реактора и электрических двигателей. Если всё получится, российский ядерный буксир сможет перевозить тяжёлые спутники до Луны и даже к Марсу, работая как космический тягач, которому не страшны ни длительные миссии, ни отсутствие заправок по пути.

Не остаётся в стороне и Китай: там заявили о планах создать собственный ядерный двигатель для межпланетных перелётов к 2040 году. Пока что публике показывают лишь красивые рендеры, подозрительно похожие на концепцию «Зевса» — те же большие радиаторы и реакторный модуль. Что ж, гонка атомных космических технологий выходит на новый виток, и уже не только между двумя державами, как в прошлом веке.

Интересно, что ещё в 1950–60-х годах инженеры предлагали вовсе фантастические способы покорения космоса с помощью атомной бомбы. Например, проект Orion предполагал разгонять корабль ударами последовательных ядерных взрывов позади него — буквально лететь, «отталкиваясь» от ядерных грибов. К счастью (или к сожалению для любителей безумных идей), от этой затеи отказались из соображений безопасности и из-за договоров, запрещающих ядерные взрывы в космосе. Но сам факт, что люди всерьёз обдумывали такое, показывает, насколько велик соблазн использовать колоссальную энергию атома для рывка к звёздам.

Заключение

Атомные технологии в космосе — многогранная и захватывающая область, где сплетаются блестящие инженерные решения и высокая ответственность. От радиоизотопных 'грелок' и батареек, десятилетиями питающих наши зонды и марсоходы, до ядерных ракетных движков, способных сократить путь к другим планетам — каждое звено этой цепи приближает нас к далёким мирам.

Конечно, ядерная энергия требует осторожности: урок Чернобыля и Космос-954 навсегда предупреждает, что малейшая ошибка может иметь глобальные последствия. Поэтому разработчики сегодня уделяют первостепенное внимание безопасности реакторов и источников питания. Их делают максимально надёжными, применяют низкообогащённые топлива, продумывают системы безопасности

Спустя более полувека после начала космической эры, мы снова стоим на пороге атомного века в космосе. Возможно, уже в ближайшие годы новый космический корабль с ядерным двигателем будет запущен на орбиту. А может быть в космосе заработает первый мегаваттный реактор, обеспечивая энергоёмкие эксперименты или перетаскивая модули станций. Ясно одно: атомные технологии помогут нам пробиться туда, куда на одном химическом топливе не долететь. Как говорил Константин Циолковский, «нельзя вечно жить в колыбели» — а значит, человечеству нужны самые мощные инструменты, чтобы выбраться из колыбели Земли. И атом в космосе может стать тем самым инструментом, который зажжёт для нас дальние звёзды.

Подписывайтесь на наш канал
Ну и конечно на "Линию Кармана"