Почему для космических миссий лучше всего подходит именно атомная энергия?
Чтобы космический аппарат исправно функционировал, ему нужен автономный источник энергии. Для полета длительностью от нескольких дней до нескольких недель достаточно химических источников тока, таких как батареи, аккумуляторы и топливные элементы, а в длительных миссиях используются солнечные батареи. Но у солнечных батарей много недостатков: они не могут работать в тени, их панели должны быть постоянно повернуты к Солнцу, и для этого зонд нужно постоянно ориентировать, а для работы батарей на большом расстоянии от Солнца, где поток излучения мал, нужно увеличивать площадь (и соответственно массу) их панелей в несколько раз. Печально известный пример: в 2014 году спускаемый аппарат миссии «Розетта», зонд «Филы», оснащенный солнечными батареями, успешно приземлился на поверхность кометы 67P / Чурюмова-Герасименко - но оказался в тени скал, и в итоге проработал всего 64 часа.
В отличие от солнечных батарей и химических источников тока, атомные источники энергии очень автономны и способны проработать в космосе несколько десятков лет без обслуживания. Они легки и надежны, их можно использовать в автоматических и пилотируемых миссиях к другим планетам.
Как устроены ядерные установки для космических аппаратов?
Самый распространенный вариант использования ядерной энергии в космосе — радиоизотопный термоэлектрический генератор, или РИТЭГ. В отличие от ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию, это устройство использует тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов, и управлять этим процессом нельзя. РИТЭГ состоит из двух основных компонентов: источника тепла, содержащего радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар - спаянных вместе пластин из разных металлов, одна из которых в месте спая нагревается, чтобы из-за разницы температур возник электрический ток. Термопары превращают тепловую энергию в электрическую. РИТЭГи питают бортовые системы космических аппаратов: в частности, в США они использовались в рамках миссий «Пионер», «Вояджер, «Галилео», «Кассини», «Новые горизонты», «Экзомарс», космической программы «Аполлон», а также на марсоходах «Викинг», Curiosity и Perseverance.
У классических РИТЭГов на термопарах довольно низкий КПД: они переводят только 7% тепловой энергии в электрическую. Поэтому разрабатываются новые варианты конструкции РИТЭГов, призванные увеличить эффективность. Один из вариантов — РИТЭГ на двигателях Стирлинг, которые превращают в электричество около 26%. тепловой энергии.
Помимо РИТЭГов, на спутниках и космических кораблях используются блоки радиоактивного обогрева (RHU), чтобы поддерживать приборы в достаточно теплом состоянии для их эффективного функционирования. Например, капсулы с полонием-210 в советских «Луноходах» использовались для обогрева приборного отсека.
Другой тип ядерных установок, питающих ракетные двигатели и бортовые системы космического аппарата — ядерные энергетические установки, в которых для выработки электроэнергии используется ядерный реактор. В таких установках протекает цепная реакция деления радиоактивных изотопов. В отличие от РИТЭГов, процессом распада изотопов (и следовательно, мощностью реактора) можно управлять.
Космические аппараты с ядерными энергетическими установками уже бывали в космосе. Первым ядерным реактором на космическом аппарате стал американский SNAP-10A, запущенный в космос на борту беспилотного аппарата Snapshot в 1965 году. А термоэлектрические энергоустановки «Бук» на основе маленьких быстрых реакторов использовались на советских спутниках разведки серии «Космос» (ряд которых, впрочем, вышел из строя). Также проходили испытания двух космических аппаратов «Плазма-А» с ядерной электродвигательной установкой «Топаз-1» и установки «Енисей» на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя.
Ядерную энергию можно использовать не только для на космических аппаратах, но и на базах на других планетах. Например, теоретически можно разместить на другой планете ядерный реактор, который сможет снабжать энергией находящиеся там жилые модули и оборудование — такой проект, в частности, предлагает NASA. Для питания лунных и марсианских баз предлагается использовать реактор Kilopower.
Какое топливо требуется ядерным энергоустановкам в космосе?
Для питания РИТЭГ подходят далеко не все радиоактивные изотопы. Нужны изотопы с длительным периодом полураспада — временем, за которое распадается примерно половина от первоначального числа радиоактивных ядер. Кроме того, топливо для РИТЭГов должно быть высокоактивным и обладать определенным типом ионизирующего излучения.
Наиболее часто в РИТЭГ используется плутоний-238, высокоактивный изотоп, период полураспада которого составляет 88 лет. Альфа-излучение, которым сопровождается его распад, требует минимальной защиты. Совсем небольшого количества плутония-238 хватает, чтобы десятилетиями обеспечивать зонд энергией. Однако его наработанные запасы почти исчерпаны. Поэтому сегодня в качестве топлива предлагается использовать америций-241 — этот изотоп можно извлекать из отработавшего плутониевого топлива.
Для питания ядерных реакторов в составе энергоустановок в космосе, как и на Земле, чаще всего используется уран-235.
Что делать, если требуется подпитать в космосе маломощное устройство?
Для питания маломощных систем космического корабля, а также измерительных приборов можно использовать атомные батарейки. Такие батарейки могут работать на тритии — радиоактивном изотопе водорода. Энергия его бета-излучения с помощью полупроводникового преобразователя превращается в электричество.
Можно ли создать ядерный ракетный двигатель?
Да, проекты по созданию ядерных ракетных двигателей существовали. В таких двигателях преобразованная энергия деления используется для создания реактивной тяги. В одном варианте двигателя с помощью ядерного реактора разогревается рабочее вещество (например, водород), которое выбрасывается через сопло ракеты, создавая реактивную тягу. В другом варианте взрывается ядерный заряд, и ударная волна отражается и создает реактивную тягу. Однако ядерные ракетные двигатели пока ни разу не применялись на практике — хотя опытные образцы некоторых из них (РД-0410, NERVA) проходили испытания в СССР и США.
Атомные технологии в космосе - это только питание систем космических кораблей?
Не совсем. Атомные технологии используются и в исследовательских инструментах космических миссий. Например, на марсоходе Curiosity используется детектор отраженных от марсианской поверхности нейтронов (ДАН), разработанный Институтом космических исследований РАН. Этот инструмент предназначен для измерения содержания воды и соединений водорода в марсианском грунте. Прибор испускает пучок нейтронов, который пробивается сквозь поверхностные слои грунта, и затем регистрирует скорости возвращающихся отраженных частиц — с помощью этих данных можно определить, какие вещества содержатся в грунте. Источником нейтронов в ДАН стал миниатюрный генератор нейтронов разработки ФГУП «ВНИИА им. Н.Л.Духова».
Еще одна сфера применения ядерных технологий — рентгеновские телескопы. Сейчас на орбите Земли работает космическая обсерватория «Спектр РГ», предназначенная для построения полной карты Вселенной в рентгеновском диапазоне энергий. Она состоит из двух рентгеновских телескопов: немецкого eROSITA, работающего в мягком рентгеновском диапазоне, и российского ART-XC, работающего в жестком рентгеновском диапазоне. Оба телескопа оснащены рентгеновскими зеркалами косого падения и имеют по семь независимых детекторов для регистрации излучения.
