Ядерный космос. Поможет ли США ядерная энергетика в космических гонках с Китаем и РФ

На бумаге Соединенные Штаты давно уже перегнали другие страны в ядерных космических технологиях. Шесть десятилетий назад Америка запустила в космос ядерный реактор (он все еще там), а с тех пор страна потратила более 15 миллиардов долларов на дюжину государственных программ по развитию ядерного космического потенциала, не осуществив ни одного запуска. Тем временем Россия строит ядерный космический буксир, а Китай объявил о создании ядерной системы, в 100 раз более мощной, чем существующие американские разработки.

Хотя эти заявления могут преувеличивать техническую реальность, все специалисты, работающие в этой области, задаются вопросом: могут ли США сохранить лидерство?

Фокус перевел новый текст Райана Вида, посвященный дальнейшему развитию ядерных технологий.

Ядерный космос. Поможет ли США ядерная энергетика в космических гонках с Китаем и РФ

Программы, над которыми совместно работают Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и NASA, к концу десятилетия создадут ядерные тепловые двигатели на основе расщепления ядра. Эти достойные уважения исследования приведут к созданию космических аппаратов с маневренностью в два-три раза большей, чем у нынешних, использующих химическое топливо. Благодаря активной зоне реактора, нагревающей газообразный водород, ядерная тепловая силовая установка позволяет быстро реагировать на маневры в условиях космоса, сохраняя высокое отношение тяги к весу. В дополнение к ядерной тепловой тяге NASA также исследует применение расщепления ядра для питания электрических силовых установок (Nuclear Electric Propulsion), что откроет еще большие возможности для будущих полетов на Марс и других межпланетных миссий.

Недостатком всех этих ядерных реакторов остается громоздкость – как по размеру, так и по весу. С учетом топлива, замедлителя, защиты, преобразователя энергии и радиаторов, самый маленький реактор все еще остается довольно тяжелым. Поскольку Министерство обороны продолжает создавать более компактные и разукрупненные космические аппараты, физика подталкивает нас к поиску альтернативных решений (то есть без расщепления ядра) для ядерных двигателей и энергии. Пока NASA и DARPA работают над традиционными подходами к делению ядра, Отдел оборонных инноваций поддерживает нетрадиционные подходы к атомной энергетике, не связанные с расщеплением.

Как руководитель программы в Отделе оборонных инноваций, я возглавляю инициативу Министерства обороны по созданию прототипов новых атомных энергетических и двигательных систем для малых космических аппаратов. Эта работа непосредственно повлияет на использование Соединенными Штатами энергетики в космосе, открыв эру, в которой космические аппараты смогут тактически маневрировать в окололунном пространстве.

Если Министерство обороны США хочет до конца десятилетия получить космические корабли наподобие звездолетов, Америке нужен гораздо более компактный, быстрый и безопасный подход к ядерной энергетике. В цислунарном пространстве, которое почти в 2000 раз больше геостационарной орбиты, Министерству обороны понадобятся космические аппараты с передовыми показателями маневренности и мощности, задающие "правила этикета" и правила коммерческой деятельности в этой новой области.

Хорошая новость в том, что уже существуют подходящие коммерческие концепции. Американские компании возглавляют разработку радиоизотопов нового поколения и компактных термоядерных реакторов, которые могут значительно улучшить маневренность по сравнению с нынешними космическими платформами Министерства обороны (например, X-37B). Давайте рассмотрим эти ядерные технологии, препятствия для них и будущее, которое они могут открыть.

Радиоизотопы

Все гениальное просто: радиоактивные материалы подвергаются ядерному расщеплению с выделением тепла, которое можно преобразовать в электричество. Эта электроэнергия обеспечивает работу датчиков космического корабля, средств связи и электрических двигательных установок (например, ионных приводов). Радиоизотопные энергетические системы существуют с первых дней космической эры, и плутоний-238 с его постоянным тепловыделением и низким гамма/нейтронным излучением до сих пор остается предпочтительным источником. Несмотря на дороговизну и дефицитность, радиоизотопные источники плутония-238 продолжают питать экспериментальные и действующие космические системы на Луне и Марсе.

Благодаря периоду полураспада в 88 лет плутоний-238 может вырабатывать устойчивую энергию в течение десятилетий, что доказано его использованием в межзвездных зондах "Вояджер", продолжающих поддерживать связь с Землей спустя почти полвека после запуска.

Однако ведущая радиоизотопная энергетическая система представляет собой устройство размером с микроволновую печь, обеспечивающее примерно 100 ватт мощности при довольно низком КПД (около 5%). При мощности около 2 ватт на килограмм эти устройства слишком тяжелы и производят слишком мало энергии, чтобы приводить в движение будущие спутников Министерства обороны, где речь идет о гораздо более коротких сроках.

Если плутоний дорог, дефицитен и не обладает необходимой плотностью мощности, возможно, радиоизотопы с более коротким периодом полураспада – лучший вариант? Могут ли более высокопроизводительные радиоизотопные источники реально обеспечить энергией как различные датчики, так и электрические двигательные установки?

Такими источниками могут быть кобальт, европий и стронций.

Новая политика Белого дома (например, Директива-6 по космической политике и президентский Меморандум-20 по национальной безопасности), а также ожидающееся нормативное руководство Федеральной авиационной администрации открыли коммерческим организациям возможность получать лицензию на производство и эксплуатацию этих радиологических материалов.

С точки зрения безопасности производства 100-ваттный радиоизотопный источник плутония-238 находится в той же нормативной категории, что и 27 000-ваттный источник европия или 17 000-ваттный источник кобальта. Эти радиоизотопы с более коротким периодом полураспада (от 5 до 15 лет) могут достичь плотности энергии в 30 раз выше, чем плутоний – до нескольких сотен ватт на килограмм.

Один из способов создания мощных (более 1000 ватт) радиоизотопных источников энергии разрабатывает компания USNC-Tech при финансировании NASA. Новая технология будет использована для встречи с первым известным межзвездным объектом Oumuamua, который в настоящее время удаляется от Земли со скоростью около 30 километров в секунду. Такая ошеломляющая энергетическая система не только превзойдет плутоний-238, но и обеспечит плотность мощности, по крайней мере, в 10 раз выше, чем аналогичная по размерам энергетическая система с реактором расщепления, и может быть готова за годы до появления первых систем на основе деления. Компаниям, разрабатывающим эти новые радиоизотопные энергосистемы, предстоит большая работа – им придется разработать новые схемы облучения, методы инкапсуляции, экранирования и удаленного управления, а также решить задачу преобразования энергии. Но результаты будут поистине невероятными.

Термоядерный синтез: всего через 30 лет?

Построить компактный термоядерный реактор можно в собственном гараже. Проблема заключается в том, чтобы получить из него больше энергии, чем вы используете для его работы. Это соотношение выходящей и входящей энергии называется Q-фактором. На сегодняшний день термоядерный реактор с Q-фактором больше единицы до сих пор не построен, несмотря на десятки стартапов, связанных с термоядерной энергией, зарождающийся интерес промышленности и постоянную надежду, что до термоядерного синтеза уже рукой подать. Согласно отчету, опубликованному в этом году, ближе всего к цели подошел Q-фактор 0,33 в течение 5 секунд, достигнутый на Объединенном европейском токамаке.

Если ядерный синтез уже не за горами, то как можно использовать термоядерные реакторы в космосе? Давайте рассмотрим возможные варианты.

Термоядерный синтез в магнитном конфайнменте

Крупнейший термоядерный реактор под названием Объединенный европейский токамак (Joint European Tokamak) использует магнитные катушки для удержания горячей плазмы в устройстве в форме пончика (токамаке). Этот подход, называемый магнитным удержанием, разрабатывался с самых первых дней термоядерного синтеза.

Для достижения Q-фактора больше единицы при использовании магнитного термоядерного синтеза требуются огромные объемы плазмы, окруженные криогенно охлаждаемыми сверхпроводящими электромагнитами размером со здание. Самый дорогой научный эксперимент в истории человечества, Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER), как ожидается, достигнет Q-фактора более 10, но он будет построен лишь к 2035 году. Тем не менее, возможно, что другие устройства магнитного синтеза (например, SPARC), использующие преимущества новых сверхпроводниковых материалов, смогут производить безуглеродную электроэнергию уже в ближайшее десятилетие. Однако они не смогут хорошо работать в космосе – даже очень большой космический корабль просто не выдержит сотен тонн магнитов, необходимых для магнитного термоядерного синтеза. Итог: магнитный термоядерный синтез будет хорош для Земли, но слишком тяжел для космоса.

Инерциальный термоядерный синтез

Другой подход к термоядерному синтезу основан на сжатии атомов до их слияния, что называется инерционным удержанием. Соединенные Штаты впервые успешно продемонстрировали ядерный синтез с инерционным удержанием во время испытания оружия в рамках операции "Парник" на атолле Эниветок в Тихом океане в 1951 году. Но из термоядерного оружия получаются не очень хорошие ракеты для наших целей (и NASA, и ВВС США пытались это сделать).

С подписанием договоров о запрещении ядерных испытаний и появлением лазера в 1960-х годах ученые начали изучать возможность использования фотонов вместо ядерных взрывов, чтобы сжать атомы водорода вместе и достичь термоядерного синтеза.

Эта техника была усовершенствована в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций Министерства энергетики, где 192 лазера размером с три футбольных поля фокусируются на термоядерной мишени размером с карандашный ластик в мощном импульсе. За эти несколько наносекунд лазеры поглощают в 500 раз больше энергии, чем производится в Соединенных Штатах, доказывая, что сжать атомы с помощью света чрезвычайно сложно.

Хотя физика уже близка к цели (недавно установка достигла Q-фактора 0,7), создание космического корабля, несущего инфраструктуру для импульсных лазеров, либо неосуществимо, либо приводит к созданию неоправданно огромных и дорогих конструкций.

Электростатический конфайнмент

Электростатический конфайнмент — это, пожалуй, самая старая и наименее эффективная из концепций термоядерного синтеза, не удостоившаяся серьезного внимания с тех пор, как ее запатентовал Фило Т. Фарнсворт в 1960-х годах. При электростатическом синтезе электроды заставляют ионы ускоряться в направлении центральной части активной зоны реактора, где они сталкиваются с другими ионами и могут слиться вместе. Этот метод позволяет создать термоядерное устройство, не требующее магнитов, лазеров или конденсаторов размером с дом.

Реактор электростатического синтеза был бы сверхлегким, однако устройства чистого электростатического синтеза никогда не достигали Q-фактора более 1 из-за фундаментального физического ограничения: столкновения между ионами вызывают потери в удержании гораздо быстрее, чем приводят к столкновениям, запускающим реакцию синтеза. Итог: устройство достаточно легкое для запуска в космос, но требует настоящего прорыва в физике для преодоления фундаментальных ограничений.

Гибридный конфайнмент

Становится ясно, что для создания достаточно компактных двигательных установок космических аппаратов потребуется сочетание методов, основанных на плазменном конфайнменте. В последние годы в эти гибридные подходы были вложены миллиарды долларов частного капитала. Устройства магнитоинерциального термоядерного синтеза (например, General Fusion) начинают с намагниченной плазмы низкой плотности, а затем используют "лайнер" для сжатия до условий термоядерной реакции.

Другой многообещающий гибридный подход предполагает использование самого плазменного топлива для создания ограничивающего магнитного поля (похожего на самоподдерживающееся дымовое кольцо) и столкновение этих плазм друг с другом (как, например, пытается сделать Helion). Важной характеристикой этих новых устройств является их малый размер. Компания Avalanche Energy сейчас работает над концепцией гибридного электростатического/магнитного конфайнмента, которая вполне может привести к созданию "карманного" термоядерного реактора. При таких компактных размерах установка термоядерного реактора на космический корабль – уже скорее наука, чем фантастика.

Итого: физика еще не вполне совершенна, но гибридный термоядерный реактор может оказаться достаточно легким для запуска в космос.

Так где же мы находимся на пути к установке термоядерных реакторов на космические корабли Министерства обороны? Несмотря на все трудности, связанные с созданием космических аппаратов, у космического термоядерного реактор по сравнению с наземными есть одно преимущество.

При термоядерном синтезе планка для получения коммерческой электроэнергии на Земле чрезвычайно высока (для рентабельности термоядерной электростанции может потребоваться Q-фактор более 50). Однако для приведения в движение и питания космических кораблей может хватить Q-фактора около двух, поскольку здесь меньше этапов преобразования и транспортировки энергии. В ближайшей перспективе такие коммерческие технологии будут чрезвычайно ценны для двигателей и систем космических аппаратов Министерства обороны, так что рискнуть определенно стоит.

Что дальше?

Отдел оборонных инноваций сосредоточен на двух подходах к ускорению нашего пути к наземным и летным испытаниям прототипов: компактном термоядерном синтезе и концепции радиоизотопов нового поколения, которые для малых спутников превзойдут характеристики энергосистем с реактором деления.

Первый орбитальный прототип должен быть представлен в 2027 году. Этот подход не лишен технических и программных рисков. Необходимо добиться термоядерного синтеза, который генерирует больше энергии, чем потребляет (Q-фактор более 1), сформировать производство для высокомощных радиоизотопов, и, что самое главное, промышленность и Министерство обороны должны обеспечить общественную безопасность, работая рука об руку с регулирующими и лицензирующими органами.

Это непростые задачи. На самом деле, многие специалисты в отраслях расщепления ядра, синтеза и космической промышленности считают успех этих разработок крайне маловероятным. Но Америка не сможет добиться инноваций без рискованных новых технологий. Таков путь.

Об авторе:

Райан Вид – менеджер космической программы перспективных ядерных двигателей и энергетики в Отделе оборонных инноваций. Доктор физики и летчик-экспериментатор ВВС США, налетавший более 2000 часов на более чем 30 различных самолетах. В качестве научного сотрудника NASA Innovative Advanced Concepts Fellow изучал радиоизотопные позитронные двигательные установки. Работая в компании Blue Origin, Райан разработал и создал инструментальную лабораторию для криогенного ракетного топлива. Как основатель компании Positron Dynamics, он спроектировал и построил установку для позитронного луча и разработал концепты высокоспецифичных импульсных двигательных установок.