Обычная атомная электростанция может показаться сложным объектом, но настоящие трудности начинаются тогда, когда требуется втиснуть подобный комплекс в футляр длиной всего в несколько метров, а потом высадить его на Луне для многолетней работы без обслуживания. Да и создать АЭС мощностью как у малолитражной легковушки ничуть не проще, чем разработать станцию на несколько гигаватт.
Американская лунная база должна появиться на нашем естественном спутнике где-то после 2020 года. Среди прочих важных вопросов, которые ещё предстоит решить, видное место занимает обеспечение её энергией. Самый простой вариант — поля солнечных батарей. Но он не идеален.
Если базу строить вблизи одного из полюсов (пока учёные больше склоняются к южному), для неё надо будет подобрать очень специфическое место. Там должен быть вечно затенённый кратер (в таком, предположительно, можно будет добывать водяной лёд), но в то же время рядом необходим участок, освещаемый солнечными лучами постоянно. Либо придётся прокладывать длинные кабели от солнечных батарей к базе.
Ну а если станция будет создана не у полюса, солнечные батареи там смогут работать лишь половину лунных суток — считай полмесяца. А на вторую половину (лунную ночь) энергию нужно будет запасать в аккумуляторах колоссальной ёмкости и, соответственно, веса. А их надо ещё на Луну доставить...
Для будущего освоения нашей небесной соседки уже придуманы реакторы для получения кислорода, роботы-землекопы, призванные подготовить площадку под базу, лунные авто и разнообразные герметичные луноходы, изобретена даже оригинальная навигационная система для Луны (иллюстрация NASA).
Вариант с ядерной электростанцией, несмотря на усложнение комплекса, сулит массу преимуществ. Миниатюрная АЭС поставляла бы ток непрерывно, а места бы занимала — как автобус. Помнится, специалисты как-то даже высказывали идею применения ядерных ракетных двигателей в лунной программе. Но она пока остаётся предметом дискуссии — нынешний план возвращения людей на Селену предусматривает использование традиционных химических ракет. АЭС же на лунных просторах вполне может появиться.
В начале августа этого года NASA совместно с министерством энергетики США (Department of Energy) завершило первую серию важных тестов в рамках программы «Ядерный источник энергии на поверхности» (Fission Surface Power — FSP).
Выходная мощность такой станции поначалу должна составить всего 40 киловатт. Этого вполне хватит для функционирования небольшой базы, зарядки луноходов и питания разнообразного оборудования, разбросанного вокруг форпоста земной цивилизации. В дальнейшем число модулей АЭС можно будет увеличить, подняв выработку электричества вплоть до одного мегаватта, чего должно быть достаточно для работы большого лунного «посёлка».
Американские инженеры рассматривают два варианта размещения мини-АЭС на Луне: просто на поверхности и в контейнере, заглублённом в грунт. Первый проще возвести, но для обеспечения нормальной радиационной обстановки потребуется удалить электростанцию от края базы на один километр, да и вес защиты будет выше. Второй потребует «земляных работ», зато безопасное расстояние от АЭС до границы базы составит всего 100 метров, а сама станция окажется легче (иллюстрации NASA).
Эта же станция могла бы послужить прообразом (и испытательным образцом) аналогичного источника энергии для марсианской пилотируемой миссии. Не зря о миниатюрной атомной станции мечтают «колонизаторы Марса». От каждого квадратного метра солнечных панелей на Красной планете можно получить заметно меньше энергии, чем на Земле или Луне. Проблема усугубляется ещё и пылевыми бурями. Ну и запас на ночь никто не отменял, а сколько стоит «заброска» килограмма груза на Марс?
Вернёмся, впрочем, к проекту FSP. В основе этой системы будет лежать маленький ядерный реактор (по размеру как обычное мусорное ведро), охлаждаемый жидким металлом (смесью натрия и калия). Этот поток будет направлен в тепловую машину, связанную с генератором. Как варианты специалисты рассматривают комбинацию турбины и компрессора (работающую по закрытому циклу Брайтона), термоэлектрический генератор и ряд других способов конверсии энергии. Но самый реальный кандидат, как говорят инженеры, вариант с низким уровнем технического риска, — это двигатели Стирлинга.
Именно их недавно и проверили в деле. Американская компания Sunpower построила для проекта пару расположенных друг напротив друга стирлингов-генераторов со свободными поршнями, вырабатывающих ток при подведении внешнего тепла. В тестах системы FSP в качестве источника жара использовался мощный электрический нагреватель, поставляющий этим стирлингам поток жидкого металла при температуре 550 градусов Цельсия.
Тепловой тест стирлингов проходил в космическом центре Маршалла (Marshall Space Flight Center) (фотографии NASA).
В серии испытаний стирлинги-генераторы вырабатывали непрерывную мощность в 2,3 киловатта, а их КПД составил 32%, сообщает американское космическое агентство. Ли Мэйсон (Lee Mason) из исследовательского центра Гленна (Glenn Research Center), один из ведущих учёных проекта FSP, отозвался о системе так: «Она очень эффективна и надёжна, и мы считаем, что система сможет работать в течение восьми лет без присмотра».
В дополнение к этим тестам стирлинги испытали на работоспособность в условиях сильной радиации, а именно — в 20 раз превышающей ту, при которой они будут действовать в составе реальной АЭС. Учёные хотели узнать, насколько могут деградировать использованные материалы от соседства с реактором и космических лучей.
Установку отвезли в лабораторию Сандия (Sandia National Laboratories), и оказалось, что даже после 26 часов такой радиационной «пытки» генераторы не показывают каких-либо изменений в работе, в том числе — падения мощности.
Другим важным элементом будущей системы являются радиаторы, призванные рассеивать в пространстве тепло от стирлингов (либо других тепловых машин-преобразователей). Материал таких панелей должен хорошо работать при экстремальном перепаде температур между лунными днём и ночью, и к тому же в вакууме. Да ещё конструкция радиатора при этом должна быть максимально лёгкой.
Инженер-испытатель NASA Марк Гибсон (Marc Gibson) готовит к тестам прототип лунного радиатора (фото NASA).
В центре Гленна (при участии ряда промышленных компаний) разработали и построили прототип такого теплообменника размером 1,8 х 2,7 метра. Его проверили в вакуумной камере, пропуская через трубки горячую воду. Оказалось, что в «условиях Луны» радиатор эффективно отводит прочь до 6 киловатт тепла, что даже больше, чем рассчитывали создатели устройства.
Лунная электростанция потребует 20 таких панелей, добавляют инженеры. После их развёртывания размах «крыльев» станции составил бы 34 метра. При этом сама установка занимала бы 7 метров в высоту, из которых 2 приходились бы на подземную часть.
FSP в «погружённом» исполнении до и после развёртывания панелей радиаторов. Внизу: схема станции (иллюстрации NASA).
Различные варианты насосов для жидкого металла и теплообменники для него же, «умная» управляющая электроника и многие другие элементы FSP так же прошли проверку в серии недавних тестов. Следующий шаг программы — сведение всех этих узлов воедино (но пока ещё всё равно без настоящего ядерного реактора), дабы испытать работоспособность технологии в комплексе. Эта работа намечена на 2012—2014 годы, после чего можно будет «поженить» почти готовую электростанцию с крошечным «атомным котлом».
И пусть о посылке мини-АЭС на Луну официально ещё и речи не идёт, авторы системы FSP полагают, что она может оказаться очень выгодной для будущей базы. «Эта система должна быть дешёвой, безопасной и надёжной, и наши недавние испытания продемонстрировали, что мы можем успешно построить её», — заявил Дон Палас (Don Palac), руководитель проекта. По его словам, в случае положительного решения реальная станция FSP могла бы быть высажена на Селене уже в 2020 году.
Впервые за четверть века США построили принципиально новую ракету-носитель пилотируемого класса. Первенец семейства машин, призванных заменить шаттлы и вернуть человека на Луну, – довольно тонкая, но достигающая в высоту 100 метров ракета Ares I-X недавно была собрана на космодроме во Флориде. Её испытательный суборбитальный полёт намечен на 31 октября. О новых ракетах и кораблях NASA и примерном календаре их запусков мы, к слову, рассказывали (фото NASA).
==============================
Мечты о Луне реанимируют ядерные двигатели
После ряда экспериментов 1950—1960-х годов и периода забвения этой технологии американские инженеры поговаривают о возможности применения ядерных движков в лунной программе. Мол, если сдуть пыль со старых чертежей, в них можно найти массу полезного.
NASA может сэкономить миллиарды долларов в своей лунной программе, если вновь вернётся к идее ядерных ракетных двигателей. Такую спорную идею выдвинули специалисты американского исследовательского центра по использованию ядерной энергии в космосе (Center for Space Nuclear Research — CSNR).
Применив ядерные ракетные двигатели, можно быстрее и дешевле построить лунную базу, утверждает Стивен Хоу (Steven Howe), директор CSNR, который представил результаты нового исследования на конференции по ядерным космическим технологиям (Space Nuclear Conference 2007), прошедшей на этой неделе в Бостоне.
Хоу предлагает перевести на ядерную тягу верхнюю ступень новой тяжёлой ракеты Ares V, которая должна составить тандем с более лёгкой ракетой-носителем Ares I в пилотируемой лунной экспедиции NASA.
Напомним, Ares V должен выводить на околоземную орбиту лунный модуль, а Ares I — корабль Orion с экипажем. Около Земли они стыкуются, и далее разгонная ступень от Ares V обеспечит перелёт всей связки к Луне.
Кстати, семейство ракет-носителей Ares построено путём комбинации элементов (баки, двигатели, твердотопливные ускорители), доставшихся от программы шаттлов и Apollo, правда, с модернизацией (об этом рациональном подходе мы подробно говорили, хотя тогда названия Ares ещё не было).
С конца 1950-х по конец 1960-х в США было изготовлено несколько тестовых ядерных двигателей. Справа налево и сверху вниз: Kiwi-A Prime, один из первых опытных «атомных движков»; ядерный двигатель XECF; преднамеренный взрыв двигателя Kiwi путём разгона реактора (имитация нештатной ситуации на старте); один из тестов ракетного двигателя по программе NERVA и транспортёр, вывозящий такой двигатель на испытания (фотографии NASA, Smithsonian Institution и с сайта jpcolliat.free.fr).
Итак, после новых высадок на Луну те же Ares V должны обеспечить транспорт для частей лунной базы. И тут-то, считают в CSNR, ядерный двигатель мог бы оказаться выгоднее химического. Под выгодой они понимают не только лучшие технические характеристики, что понятно, но и затраты, что уже вызывает вопросы.
Напомним, благодаря более высокой температуре рабочего тела и, соответственно, более высокой скорости истечения реактивной струи у ядерного ракетного двигателя заметно больше удельный импульс: 850-1000 секунд против 350-450 у химических ЖРД. Также у ядерных движков неплохое отношение тяги к собственному весу (примерно от 3 до 10 к одному).
А большая эффективность ядерного двигателя означает, что Ares V мог бы доставить на Луну почти 29 тонн груза, вместо 21 тонны в полностью химическом варианте (старт с Земли в обоих случаях должны обеспечить химические двигатели). Так что 250-тонную лунную базу можно будет возвести только за 9, а не 12 запусков, утверждает Хоу.
Он оценивает стоимость одного запуска Ares V в $1,5 миллиарда, а экономию на трёх стартах, как нетрудно подсчитать, в $4,5 миллиарда, разработку же и создание ядерной разгонной ступени — в $2,5-3 миллиарда. Так что выгода остаётся.
Важно отметить, что NASA не придётся начинать проект с нуля. Хоу предлагает отталкиваться от давней программы NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), в рамках которой четыре десятка лет назад агентство построило несколько моделей ядерных ракетных двигателей с тягой в несколько тонн и успешно их испытало.
Закрытие той программы было в большей степени вызвано политическими причинами (мол, «нет ядерным реакторам в космосе!»), соображениями экологической опасности таких ракет в случае аварии, нежели техническими проблемами.
Схема ядерного ракетного двигателя, созданного по программе NERVA 40 лет назад. Жидкий водород сначала поступает в рубашку охлаждения сопла, а затем — в атомный (урановый) реактор, где нагревается от тепловыделяющих топливных сборок и выбрасывается через сопло. Часть нагретого газа раскручивает трубонасосы (иллюстрация NASA).
Заметим, аналогичные двигатели испытывали и в СССР, причём у нас также победа химических движков и забвение ядерных в большей степени было обусловлено политикой, нежели техникой. При этом «младшие братья» ядерных ракетных монстров — радиоизотопные термоэлектрические генераторы — все эти годы продолжали исправно служить космонавтике (многие межпланетные станции и некоторые спутники питались и питаются именно от таких генераторов), несмотря на ворчание «зелёных».
О том, что возврат к теме ядерных ракетных движков мог бы обеспечить полёт на Марс американские специалисты говорят давно. И если марсианская пилотируемая миссия всё же будет ядерной (а тут возможны варианты), данную технологию хорошо бы сначала опробовать в лунном проекте.
Варианты же исполнения марсианской миссии — это электроракетный (ионный) привод с питанием от солнечных батарей или от того же ядерного реактора (но служащего исключительно для выработки электроэнергии), либо ионный привод в сочетании с химическими разгонными блоками на начальной стадии полёта. Однако чисто ядерный вариант (с ядерным тепловым ракетным движком) — тоже имеет право на рассмотрение.
Но разве не опасность радиоактивного двигателя послужила одной из причин отказа от так резво стартовавших исследований по ядерным ракетным движкам по обе стороны океана?
Хоу говорит, что ядерное топливо, заключённое в прочную тугоплавкую оболочку из вольфрамового сплава, выдержит даже аварию ракеты-носителя на старте (её химической ступени). Так что целые топливные сборки можно будет потом подобрать на местности.
Сам же реактор не будет запущен вплоть до вывода ядерной ступени на околоземную орбиту. Стало быть, прошедший через каналы в активной зоне водород (рабочее тело) не попадёт в атмосферу планеты.
А это эскиз марсианского пилотируемого корабля с двухрежимной ядерной установкой, разработанной в центре Гленна (Glenn Research Center) в 2003 году. В этом проекте тепловой ядерный ракетный двигатель вначале на полной мощности разгоняет комплекс к Марсу, а на маршруте работает на «минимальных оборотах», играя роль бортовой электростанции за счёт встроенного турбоэлектрогенератора. Искусственная гравитация в кабине экипажа обеспечивается раскруткой всего комплекса (рисунок внизу) (иллюстрация с сайта grc.nasa.gov).
Что до радиации, исходящей от ядерного двигателя, то при надлежащей защите (масса которой будет вполне умеренной) его уровень излучения будет намного ниже, чем уровень космической радиации, которой подвергнутся астронавты на маршруте Земля-Луна. Так утверждает Роберт Синглетерри (Robert Singleterry), специалист по радиационной безопасности центра Лэнгли (Langley Research Center).
Потому ядерную верхнюю ступень можно будет, по идее, использовать не только для транспортировки на Селену элементов лунной базы, но и для разгона по тому же маршруту связки «лунный посадочный модуль — корабль Orion».
И пусть официально NASA возвращается на Луну исключительно лишь на химических ЖРД, в научных центрах агентства в последние годы наблюдается активизация исследовательских работ в области тепловых ядерных движков. Пусть ещё работ – бумажных.
А значит, после очень громкого, но холостого выстрела 1950—1960-х годов на новом уровне технологий космонавтика может вернуться к этой теме.
