1. радіоізотопні джерела
2. плутонієва проблема
3. Стірлінг в космосі
4. ізотопи
5. SNAP-10A і інші
6. Реактор в циліндрах
7. ядерні реактори

Ракету, супутник або автоматичну міжпланетну станцію важко уявити без віяла сонячних батарей для живлення бортової апаратури. Але з Сонцем доводиться рахуватися, і це не завжди зручно. Космічні дослідження вимагають незалежності - в тому числі і від джерела енергії.

У космосі можна використовувати практично будь-які силові агрегати і джерела енергії. Питання тільки у вартості доставки палива на орбіту. Саме тому в якості альтернативи сонячної енергії розглядаються часом досить екстравагантні варіанти.

радіоізотопні джерела

Інший раз безкоштовна енергія обходиться занадто дорого. Зокрема, сонячні батареї повинні бути постійно повернені до джерела світла, інакше вони втрачають ефективність. У земних умовах цією незручністю можна знехтувати, запасаючи енергію в акумуляторах. Але в космосі марне ускладнення конструкції неприпустимо. Доводиться розгортати апарат, щоб утримувати правильну орієнтацію. В іншому випадку системи навігації та зв'язку виявляться знеструмленими. Крім того, сонячні батареї не діють в тіні планети або вночі (останнє актуально для автономних станцій на поверхні Марса і Місяця). А на затягнутою хмарами Венері вони будуть марні і вдень.

Mars Science Laboratory є мобільну лабораторію, здатну провести аналіз ґрунтів і атмосфери Червоної планети. Теоретично він прослужить близько двох земних років.

Сонячні батареї більш-менш прийнятні хіба що в умовах земної орбіти. Але вже на орбіті Марса їх площа і маса для отримання тієї ж потужності повинні бути збільшені в 2,5 рази, на орбіті Юпітера - в 27 разів, на орбіті Сатурна - в 91, а на орбіті Нептуна - аж в 900. У будь-якому випадку акумулятори, що встановлювалися на перших супутниках, а також генератори, що використовують енергію хімічних реакцій, не можуть розглядатися в якості альтернативи сонячним батареям. Вже на зорі космічної ери надію покладали на радіоізотопні джерела.

плутонієва проблема

Mars Science Laboratory має шанс стати останнім американським апаратом, що використовують плутонієву батарею.
Причиною ймовірної відмови США від використання генераторів такого типу мо-же видатися фантастичною: американські запаси плутонію-238 просто закінчи-лися. Проблема намітилася ще в 2006 році. Запуск призначеного для дослідження околиць Сонячної системи апарату New Horizons неодноразово відкладався, оскільки NASA не мала 11 кг плутонію, необхідними для заправки термоелектричного генератора.
Завершення холодної війни спричинило за собою припинення вироблення даного ізотопу. Незважаючи на те що потреби NASA складають всього 2 кг в рік, брак палива вже розглядається як критична. Заходи, що вживаються з 2009 року спроби відновити виробництво плутонію-238 шляхом переобладнання дослідних реакторів успіхом не увінчалися через недостатнє фінансування. А закупівлі ізотопу в Росії Штати вважали за краще б припинити з політичних міркувань.
Запаси збройового плутонію, що поповнюються в результаті утилізації старих бій-головок, дуже великі. Але 239-й ізотоп з періодом напіврозпаду 24 000 років не придатний для використання при виробництві радіоізотопних джерел енергії. Ізотоп ж за номером 238, який має період напіврозпаду усього 88 років, може бути отриманий лише на спеціальних установках в результаті нейтронного опромінення нептунію-237. Для отримання 20 г плутонію 100-грамову нептуніевую мішень необхідно опромінення-чати протягом трьох років.

Ще в 1913 році Генрі Мозлі виготовив перший генератор, який перетворює енергію спонтанних ядерних реакцій в електричний струм. Пристрій, дивовижне по своїй простоті, представляло собою порожню, посріблену зсередини сферу, в центр якої містилося кілька радію. Випроменені радієм електрони поглиналися шаром срібла, що призводило до поділу заряду і виникнення різниці потенціалів. Незважаючи на те що енергія розпаду безпосередньо трансформувалася в електричну, ККД батареї Мозлі залишався незначним. Джерело виробляв майже виключно тепло. Недарма капсули з полонієм-210 в радянських «місяцехід» служили саме для обігріву приладового відсіку. Проте такі якості радіоізотопних генераторів, як гранична простота пристрою, невимогливість до обслуговування і невелика по відношенню до енергії, що виділяється маса, були відзначені вже тоді.

В середині минулого століття конструкція радіоізотопних джерел енергії ускладнилася. Капсула з ізотопом стала розглядатися тільки як тепловиділяючих елемент. Електрика ж вироблялося напівпровідникових термоелектрогенераторов або термоемісійним перетворювачем, що використовують ефект випускання електронів нагрітими тілами. Сучасні генератори використовують для виробництва електроенергії ефект Зеєбека, або термоелектричний ефект - виникнення ЕРС в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими мають різні температури. Пристрої такого типу експлуатуються з 1960 року і застосовувалися під час пілотованих польотів на Місяць.

Радіоізотопні генератори показали себе ідеально відповідними для космічних апаратів джерелами енергії, дуже компактними та ефективними. Особливо високої оцінки заслуговує надійність радіоізотопних батарей. Відмова можливий тільки в разі механічного руйнування пристрою. Не дивно, що на принципі перетворення віддається плутонієм-238 тепла в електрику заснована і силова установка Mars Science Laboratory - марсохода, якому належить потрапити на Червону планету в 2012 році.

Стірлінг в космосі

Незважаючи на доопрацювання, проведені з часів Мозлі, недоліком радіоізотопних джерел залишається вкрай низький ККД: в електроенергію вдається перетворити не більше 7% енергії розпаду ядер.

ізотопи

Вибір ізотопу для радіаційного генератора енергії є ре-шення завдання на оптимум. Ізотопи з періодом напіврозпаду, що обчислюються тисячеле-тиями, зручні і безпечні, але малоефективні. Батарея на основі збройового експлу-тонія буде важити не кілограми, а тонни. З іншого боку, 10 кг плутонію-238 можна замінити всього 40 грамами полонію-210 (час напіврозпаду 138 діб). Але інтенсивність розпаду в радіоізотопному генераторі буде спадати по експоненті, і в разі застосування короткоживучих ізотопів втрата потужності виявиться дуже швидкою: полоніевие генератори непридатні для тривалих місій. Ідеальним вважається період напіврозпаду, що становить десятки років.
Значення має також характер ядерних реакцій. Наприклад, бета-розпад (типові представники - кобальт-60, стронцій-90 і цезій-137) менш ефективний, оскільки значна частина виділяється при цьому енергії несеться анти-нейтрино - часткою, яка дуже слабо взаємодіє з речовиною. Енергію альфа-розпаду з утворенням важких альфа-частинок (ядер гелію) утилізувати набагато простіше.
Поза конкуренцією як перспективного джерела енергії уран-232 з періодом напіврозпаду 67 років, - трохи менше, ніж у плутонію-238. Але при цьому уран виділяє в вісім разів більше енергії. Секрет полягає в восьмиступінчастою розпаді, на кожному етапі якого утворюється новий короткоживучий ізотоп. Підсумком стають стабільне ядро ​​свинцю, шість ядер гелію (альфа-частинок) і ще два електрона (бета-частинки) в якості бонусу.

В даний час американські дослідники працюють над удосконаленим ядерним генератором, що має багато спільного з відомим ще з 1816 року двигуном Роберта Стірлінга. Робота пристрою, ККД якого може досягати 30%, заснована на циклічному зміні температури робочого тіла. Нагрівається газ розширюється, штовхаючи поршень, і заповнює охлаждаемую частина циліндра. Остигаючи, він стискається. Ефективність теплової машини підвищується рекуператором - додатковою камерою, проходячи через яку розігріте робоче тіло віддає частину тепла, з тим щоб при зворотному русі холодний газ нагрівся.

Термоелектричний генератор апарату New Horizons вимагав для харчування 11 кг плутонію вартістю близько 15 млн. Доларів. Сумарна вартість проекту становила 650 млн. Доларів, так що ціна радіоактивного ізотопу була лише невеликою її частиною.

Двигун Стірлінга має високий ККД в стаціонарних режимах, але недостатньо гнучкий, щоб швидко змінювати потужність на вимогу, - саме ця особливість свого часу не дозволила йому скласти серйозну конкуренцію парових машин. Зате він надзвичайно зручний тим, що дає можливість використовувати будь-яку різницю температур, навіть саму незначну.

Перетворення ядерної енергії в теплову, потім в кінетичну, і тільки потім в електрику представляється надмірно складним процесом. Атомна енергетична установка з поршнем виглядає екстравагантно, а наявність рухомих частин створює додаткові проблеми. Але перше враження оманливе: немає ніяких перешкод об'єднання принципів термоелектрогенераціі і теплової машини Стірлінга. В останньому випадку поршень дозволить перетворити в електрику до 30% енергії розпаду.

На сьогоднішній день технологія знаходиться в стадії розробки фахівцями NASA. Проект може зіткнутися з безліччю перешкод в процесі практичної реалізації. Занепокоєння викликає поведінка механізму в умовах перевантажень і зміни температур за час космічного польоту. Проте є шанс, що вже в 2016 році NASA застосує двигун Стірлінга в космосі.

SNAP-10A і інші

Systems for Nuclear Auxiliary Power - найвідоміший американський проект ис-користування атомної енергії в космосі. Перший термоелектричний генератор серії отримав назву SNAP-1 і повинен був використовувати в якості палива церій-144.
Радіоізотопний генератор SNAP-3 був запущений в космос в 1961 році і став пер-виття енергетичною установкою подібного типу, використаної на орбіті (в навіга-ційних супутниках Transit 4A і 4B). Правда, потужність третьої моделі (2,7 вата) залишала бажати кращого. На базі «Снеп» будувалися також ядерні реактори (пер-вий - в 1959 році, SNAP Experimental Reactor, SER).
SNAP-10A, перший повноцінний ядерний реактор, відправлений-ний в космос в 1965 році на ракеті Atlas-Agena D. На жаль, замість розрахункового року він пропрацював лише 43 дні.

Реактор в циліндрах

Не виключено, що в майбутньому виявиться переглянутої і основна концепція ядерних джерел енергії космічного призначення. Робочим тілом в двигуні Стірлінга може бути і сам матеріал, що ділиться в газоподібній фазі. Розпочата ланцюгова реакція в цьому випадку призведе до нагрівання, розширенню газу і зміщення поршня. При цьому щільність газоподібного ізотопу знизиться, втрати нейтронів зростуть, і ланцюгова реакція припиниться. Після охолодження пара і повернення поршня у вихідне положення умови для здійснення ланцюгової реакції відновляться і почнеться наступний цикл.

Реактор, заснований на такому принципі, буде досить безпечним, так як реакція не зможе вийти з-під контролю. Поршень дозволить ефективніше, ніж це роблять напівпровідникові термоелектрогенератори, перетворювати тепло в електрику. Однак для здійснення проекту потрібно подолати цілий ряд серйозних технічних перешкод, пов'язаних зі створенням надефективного газоподібного сповільнювач нейтронів. Але вони є цілком переборними в разі використання як ядерне пальне спеціальних ізотопів.

У будь-якому випадку сконструювати «реактор Стірлінга» буде куди простіше, ніж газофазний ядерний ракетний двигун, який використовує уран в формі високотемпературної плазми. А роботи над створенням ГФЯРД ведуться і, можливо, увінчаються успіхом вже в найближче десятиліття.

ядерні реактори

Реактор в космосі - рідкісний гість. Проте майбутнє космонавтики немислимо без управління ядерними реакціями. До цих пір більшість атомних енергетичних установок космічного призначення не використовували ланцюгову реакцію, покладаючись лише на тепло, що виділяється при природному розпаді плутонію-238 або стронцію-90 (тобто радіоізотопні джерела). Таке рішення зрівнювало останні з сонячними батареями принаймні в одному відношенні: регулювання надходження енергії залишалося неможливим. Якщо потрібно в якісь моменти різко підвищувати її витрата, не можна було обійтися без акумуляторів, що заряджаються в періоди відносного спокою. А це - зайва вага і явний крок назад.

Власне, вперше ядерний реактор був виведений на орбіту в 1965 році. Американська установка SNAP-10A пропрацювала 43 дня. Реактор на теплових нейтронах використовував збагачений до 10% уран-235 в якості пального, гідрид цирконію як сповільнювач і натрій-калієвий теплоносій. Джерело енергії міг виконувати покладені на нього завдання (зокрема, харчування іонного двигуна), але ККД, що становив всього 1,5%, залишав бажати кращого. З 40 кВт енергії, що виділяється лише 500-600 Вт переводилося в електричну форму. SNAP-10A залишився в історії як єдиний енергетичний ядерний реактор, не здатний забезпечити роботу звичайного електрочайника.

Радянський космічний реактор БЕС-5 «Бук», серійно вироблявся з 1970 року, відрізнявся дещо кращими характеристиками. При теплової потужності 100 кВт в електричну форму напівпровідникових термоелектричних генератором переводилося близько 3 кВт. «Бук» призначався для харчування радіолокаційної апаратури супутників-шпигунів і представляв собою мініатюрний реактор на швидких нейтронах. Відповідно, уран потрібно збагатити до 90%, а сповільнювач не використовувався що дозволяло знизити масу конструкції. Теплоносієм служив калій-натрієвий сплав. ККД на рівні 3% пояснювався миниатюрностью пристрою.

Надалі вдосконалення реакторів космічного призначення велося шляхом включення в конструкцію термоемісійного перетворювача (проект «Топаз», 1980-і роки), що дозволяє підвищити ККД, збільшити ресурс і зменшити масу і габарити установки. Зокрема, кількість урану-235 вдалося знизити до 11,5 кг (проти 30 кг у «Бука»), при цьому електрична потужність склала від 5 до 6,6 кВт (при тепловій 150 кВт).

Але перешкоди на шляху широкого впровадження ядерних джерел енергії залишилися вагомими. Маса реактора приблизно на порядок більше, ніж у радіоізотопної батареї, а надійність істотно нижче. Той же SNAP-10A вийшов з ладу в результаті збою керуючої апаратури. Аварії подібного роду в космосі цілком вірогідні, так як можуть провокуватися впливом самого реактора на електроніку: жорсткі вимоги до маси не дозволяють встановити протирадіаційну захист. Іонізуюче випромінювання з активної зони, яке не можна ні екранувати, ні використовувати, виключає застосування реакторів на пілотованих кораблях.

Невеликий і термін служби реактора - всього близько року. Витяг відпрацьованого пального і перезаправка на орбіті якщо і теоретично можливі, то нерентабельні. Гранична ж мініатюризація і спрощення конструкції реактора призводять до того, що ланцюгова реакція припиняється навіть при незначному падінні змісту 235-го ізотопу. Лише застосування газоподібного палива, яке можна автоматично подавати в активну зону, дозволить виправити ситуацію.

Один рік - це занадто мало. Місії космічних апаратів, що прямують до Юпітера, Сатурна, Плутона, тривають набагато довше, і реактор не може скласти конкуренцію радіоізотопному джерела енергії, здатному опрацювати 30-40 років, перш ніж генерується потужність впаде вдвічі. Актуальною залишається і проблема утилізації реакторів, які виконали своє завдання. Практикується з 1970-х років переклад активної зони на «орбіту поховання» висотою 1000 км означає лише відстрочку неминучого. Колись їх доведеться повертати на Землю. А на Землі і без того багато зайвого.

Стаття «Ядерна енергія в космосі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2011 ).