Для миссий, которые отправляют в космос сегодня, тщательно рассчитывают количество топлива, используют солнечные панели и другие источники энергии. Но исследователи хотят создавать устройства, которые будут работать автономно и не зависеть от количества горючего. Поэтому появилась идея использовать в космосе ядерную энергию. «Хайтек» разбирается, насколько это успешная идея и какие были попытки ее реализовать.
Радиоактивные осколки с неба и перспективы для путешествия на любые планеты: почему без атомной энергии не освоить галактику
Почему источники энергии сегодняшних миссий не идеальны и надо искать новые?
Космические миссии наравне с топливом используют бесплатные источники энергии, например, Солнце. Но на то, чтобы получить дополнительную энергию нужно всегда поворачивать панель к источнику света.
На Земле это требование выполнить не так тяжело, но в космосе руководителям миссий всегда нужно иметь в виду положение аппарата относительно Солнца. Еще любые дополнительные конструкции утяжеляют аппарат и делают его более неповоротливым. Также солнечные батареи не работают ночью и не получают энергию через густые облака, которые могут образовываться на планетах.
Еще один минус солнечных батарей — их площадь. Например, чтобы добыть на Марсе то же количество энергии, что и на Земле, нужно увеличить площадь и массу солнечных элементов в 2,5 раза, на орбите Юпитера — в 27 раз. Поэтому исследователи начали думать об альтернативных вариантах, а именно об радиоизотопных источниках.
Чем удобна ядерная энергия?
Исследователи выяснили, что ядерная энергия отлично подходит для полетов в космос. Такой источник энергии не занимает много места, также отмечается надежность радиоизотопных батарей. Отказ может произойти, только если устройство разрушится. По такому принципу была создана силовая установка Mars Science Laboratory, она преобразует тепло, которое отдает плутоний-238, в электричество.
В космосе начали использовать ядерное питание, когда запустили радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), они используют энергию естественного радиоактивного распада изотопов. В реакторах применяют энергию управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых химических элементов, обычно урана.
РИТЭГ и ядерный реактор, в чем разница?
Если сравнить реактор и РИГЭГ, то у последнего мощность и КПД ниже, но, с другой стороны, и конструкция проще. Такое устройство может долго снабжать энергией космический аппарат, не требуя обслуживания. РИТЭГ все еще применяют для того, чтобы питать космическую технику. Такой генератор, например, стоит на американском марсоходе «Кьюриосити».
У обоих устройств похожий принцип действия — вырабатывание тепловой энергии — но ядерный реактор использует в работе управляемую цепную реакцию деления, а РИТЭГ — естественный распад нестабильных атомных ядер. Поэтому РИТЭГ является неуправляемым: при загрузке радиоактивного топлива он будет нагреваться и вырабатывать электричество долгое время, постепенно снижая свою эффективность.
В РИТЭГ используется плутоний-238, он является источником почти чистого альфа-излучения, что позволяет ограничиться минимальной биологической защитой и делает его достаточно безопасным.
Значит, в космос уже запускали ядерные реакторы. Какие?
- SNAP
Первый ядерный реактор — SNAP-10А создали в США, его установили на борту аппарата Snapshot массой 440 кг. SNAP запустили 3 апреля 1965 года. Реактор успешно проработал 43 дня — до 16 мая 1965 года.
Сегодня реактор все еще находится на орбите: он будет в космосе следующие 4 тыс. лет. За это время, по расчетам разработчиков, радиоактивность всей системы будет снижена до низкого уровня
- «Ромашка»
Первым отечественным экспериментальным космическим ядерным реактором стала «Ромашка». Реактор тепловой мощностью 40 кВт и электрической 800 Вт использовал термоэлектрические преобразователи. «Ромашку» запустили в августе 1964 года. Испытания аппарата завершили в середине 1966 года, но реактор так и не использовали в космосе.
- «Бук»
Дальше появилась ядерная энергетическая установка, БЭС-5 «Бук», которую применяли на спутнике радиолокационной разведки. Первый аппарат этой серии запустили в октябре 1970 года с Байконура.
Установка работала 110 минут, а потом случилось расплавление активной зоны реактора. Об этом говорили в своей книге техники Владимир Гудилин и Леонид Слабкий. Спутник пришлось забросить на орбиту захоронения. Это был не последний инцидент. В апреле 1973 года случилась вторая авария — начались неполадки с ракета-носителем. Двигатель не работал, поэтому аппарат не удалось вывести на орбиту — реактор упал в Тихий океан.
А что сегодня?
Сейчас исследователи из США работают над улучшенным ядерным генератором. Дело в том, что устройство на радиоизотопных источниках имело низкое КПД, всего 7%. Ученые хотят увеличить эту цифру до 30%. Работа такого устройства основана на циклическом изменении температуры рабочего тела. Нагретый газ расширяется, толкает поршень и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. После остывания он снова сжимается.
Тем не менее сделать из ядерной энергии тепловую, а потом кинетическую, и только потом электричество — сложно. Эту идею разрабатывают специалисты НАСА. Пока что неизвестно, как поведет себя установка в условиях перегрузок и изменениях температур за время космического полета.
В области атомной энергии до сих пор существуют риски, но это не исключает, что ядерная энергетика — это безальтернативное направление, которое помогает развивать перспективные космические системы для исследования и освоения дальнего космоса.
Читать далее:
Археологи обнаружили давно затерянный храм Геракла 9 века до нашей эры
Посмотрите на селфи, которое сделал китайский орбитальный зонд с Марсом
Ученые объяснили, почему Земля и Солнце находятся внутри огромного пузыря газа