ПопулярнеРедакціяСвіже
КращеОбговорюване

Ренесанс ракет з ядерними двигунами

Этот текст также доступен на русском языке
2
Агентство передових оборонних дослідницьких проєктів США (DARPA) у 2021 році уклало три контракти у рамках першого етапу програми з розробки двигуна, який працює від ядерного реактора, та окремого космічного апарату для нього, контракт зокрема дістався й компанії General Atomics Electromagnetic Systems на складання ескізного проєкту реактора та двигуна. Концепцію ядерної рушійної установки на тепловій енергії зображено на малюнку.
Джерело:  General Atomics Electromagnetic Systems

Сполучені Штати вже кілька десятиліть займаються ядерними космічними двигунами. Останній сплеск інтересу, що спостерігається саме зараз, зумовлений прагненням колонізувати Місяць і доставити людей на Марс. Джон Келві аналізує шанси на успіх цього разу.

Розвиток космічних технологій зазвичай розпочинається з грандіозних планів, не обмежених реаліями бюджетів, екологічними та регуляторними перевірками. Уявіть собі: 2028 рік, екіпаж місячної місії NASA «Артеміда V» застряг на космічній станції Gateway на навколомісячній орбіті – і раптом зникло електропостачання. Космічному агентству негайно треба доставити на Gateway іншу силову установку, але космічний корабель проєкту Advanced Electric Propulsion System (Удосконалена електрорушійна установка), який раніше доставив основний модуль живлення на станцію (Power and Propulsion Element, PPE), зможе повернутися лише через кілька тижнів, а космічне агентство не може швидко підготувати ще одну масивну ракету проєкту Space Launch System, більш відома за назвою SLS. 

Якщо плани Табіти Додсон реалізуються, на допомогу прийдуть Космічні сили США, які зможуть доставити PPE з навколоземної орбіти завдяки атомним технологіям нового покоління, які розробляє DARPA. «Така операція не займе третину року. Потрібен буде день або трохи більше», – стверджує вона.

«Дуже швидко доставимо великі вантажі на великі відстані» — так міг би звучати слоган ядерного теплового руху (NTP). Гарячий ядерний реактор поділу, що працює на ядерному паливі й використовує самопідтримувану ланцюгову реакцію поділу, яка завжди супроводжується виділенням енергії) нагріває рідкий водень, перетворюючи його на газ, і виштовхує його через сопло. У результаті досягається висока тяга й ефективність використання палива, які, принаймні в теорії, перевершують показники хімічних ракет і електричних двигунів. США ніколи не запускали ядерний реактор у космос з метою приведення в рух космічного корабля, але дії в цьому напрямку проводились. Ідея не нова, її досліджували NASA та Комісія з атомної енергії, починаючи з 1958 року, після того, як обидва агентства отримали у спадок схожу науково-дослідну програму від Військово-повітряних сил США. Додсон, спеціалістка з ядерної фізики з DARPA, очолює це відродження як головний інженер і керівник програми «Демонстраційна ракета для швидких польотів між Землею та Місяцем» (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, DRACO). NASA також поновлює дослідження в галузі ядерної енергетики, маючи намір на початку 2030-х виконати демонстраційний політ системи ядерного теплового руху (NTP) з реактором поділу. 

Разом з проєктом DRACO агентство DARPA планує розробити, побудувати й вивести на орбіту космічний корабель з NTP-рушієм до 2026 фінансового року. Якщо все піде за планом, такий корабель може стати основою парку космічних сил, який матиме декілька розгінних «блоків» з NTP, здатних переміщувати на інші орбіти великі супутники. 

«Наші місії спрямовані на перехід з навколоземної орбіти в навколомісячний простір», – пояснює Додсон.  

Тож атомна енергія, так би мовити, вже в польоті, але не в буквальному сенсі. Власне, це один з викликів на шляху до повсякденного використання ядерної енергії: Експерти й громадськість мають переконатися, що розміщення ядерних реакторів на ракетах відповідає всім нормам безпеки. Поєднати безпекові вимоги, реальні й гіпотетичні, з технічними проблемами, що досі унеможливлюють створення функціональної системи NTP – непросте завдання для DARPA і NASA. Нагадаємо й про інший виклик – федеральні, нормативні й бюджетні обмеження, і стає зрозуміло, чому NTP так і не набула широкого вжитку з 1970-х та чому зараз важко спрогнозувати майбутнє проєкту. 

Чому ядерний шлях? 

Щороку професор аеронавтики й астронавтики Массачусетського технологічного інституту Пауло Лозано читає курс лекцій про ракетні двигуни.  «Нещодавно я додав кілька занять про ядерні рушії, бо гадаю, що вони знову повертаються», – каже він.

І справа не лише в тому, що NASA й DARPA вивчають NTP. Вони розробляють ці технології, аби мати змогу швидко транспортувати великі вантажі на геосинхронну орбіту і далі, будувати бази на Місяці й летіти на Марс. Лозано зауважує, що для всіх цих планів NTP не потрібен, але він додає проєктам гнучкості. 

«Думаю, що ядерний двигун знайде свою нішу застосування, а саме – швидкі перевезення у глибокий космос», – зазначає вчений. «Це саме ті завдання, які, найімовірніше, ядерна тяга може виконати краще, ніж будь-яка інша технологія».

За словами Ентоні Каломіно, який керує проєктом космічних ядерних технологій в Управлінні розробки космічних технологій майбутніх місій NASA, демонстраційний запуск автономного апарату з NTP на початку 2030-х років надасть альтернативний рушій для польотів людини на Марс. З NTP на борту космічний корабель може здійснити подорож за чотири-шість місяців, а не за дев’ять, як з хімічним двигуном. 

Швидше дістатися Марса – це не просто питання комфорту, але й справа виживання. Астронавти, які тривалий час перебуватимуть поза захисною оболонкою магнітосфери Землі, зазнаватимуть вплив збоку високоенергетичного галактичного випромінювання, яке може незворотно пошкодити ДНК. За словами Майкла Нойфельда, головного наглядача Національного музею авіації й космонавтики Смітсонівського інституту, історично побутувало кілька підходів до протидії цій проблемі. 

«Або нам треба кращий радіаційний захист, – каже він (що звісно збільшить масу та використання матеріалів), – або ми погоджуємось на більший ризик для здоров’я, або нам треба ядерний рушій, завдяки якому подорож триватиме не так багато місяців.»

Для більш «земних» цілей компанія Atomos Space, яка знаходиться в Денвері, розробляє космічний буксир на NTP для виведення супутників на вищі орбіти після запуску, хоча в короткостроковій перспективі компанія, радше буде застосовувати сонячно-електричну тягу.

«Наша довгострокова перспектива – це використання космічних ядерних технологій, оскільки це оптимальний спосіб переміщень як у навколоземному просторі, так і за його межами, – каже співзасновник і генеральний директор Atomos Space Вільям Ковальські. «Так ми зможемо покладатися не лише на сонячні технології.»

Загальний вигляд ядерного ракетного двигуна, розробленого в рамках програми NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application – ядерний двигун для ракетних апаратів). NASA та Комісія з атомної енергії провели наземні випробування кількох конструкцій, але програму закрили у 1973 році так і не виконавши практичних пусків.
Джерело: Дослідницький центр NASA ім. Гленна

Основні переваги NTP над звичайними хімічними ракетами зумовлені фізикою космічного руху. Будь-який двигун створює певну тягу й викидає паливо з певним коефіцієнтом корисної дії – конкретним імпульсом двигуна, що вимірюється в секундах. Хімічний ракетний двигун, такий як RS-25, який приводив у рух космічні шатли і який використовується на головному ступені ракети NASA Space Launch System, створює величезну тягу, близько 2 277 489 ньютонів, з досить скромним питомим імпульсом у космосі, а саме – 452 секунди. За словами Лозано, саме таку ефективність може забезпечити хімічний ракетний двигун.  

Електричні двигуни, наприклад, двигуни Холла на супутниках SpaceX Starlink, генерують близько 1 ньютона тяги або навіть менше, але працюють з надзвичайною ефективністю, створюючи питомі імпульси в тисячі секунд. 

Системи NTP можуть створювати як більшу тягу, так і більший питомий імпульс, ніж хімічні двигуни. Ядерний двигун для ракетних апаратів (NERVA), який розроблявся в США в 1950-х, 60-х і 70-х роках, так і не відправили у космос, але під час наземних випробувань він видав 246 662 ньютони сили з питомим імпульсом близько 841 секунди. 

«Масштабування питомого імпульсу приблизно складає квадратний корінь з температури вихлопу продуктів «згоряння» палива, поділений на молекулярну масу палива», – розповідає Додсон, – «якщо сильно розігріти реактор, ви зможете суттєво збільшити цей імпульс».

Важливо, що в NTP сам по собі не відбувається процес горіння. Кріогенний водень розжарюється в реакторі, але не горить, тому окислювач не потрібен, а отже можна взяти більше основного палива. «Відтак стартова маса космічного апарату не така велика, якою б була з рушієм на хімічній основі», – стверджує Лозано. 

Тому потужний верхній ступінь NTP можна запускати на меншій за розміром традиційній ракеті. Саме такою була концепція використання NERVA понад 50 років тому. 

Знімки Місяця та ядерні ракети

У травні 1961 року тодішній президент США Джон Кеннеді виголосив у Конгресі промову, яка згодом стала знаковою і націлила Америку на Місяць. Але, як зазначає Додсон, Кеннеді не просто ткнув пальцем у бік Місяця. Він наголосив, що нація повинна «прискорити розробку ядерної ракети Rover». Він тоді додав: «Це дає надію на те, що колись ми отримаємо систему для ще дивовижнішого й амбітнішого дослідження космосу, можливо, ми рушимо далі Місяця, а можливо, і до самого краю Сонячної системи.» 

Проєкт Rover – спроба США розробити ядерний ракетний двигун, спочатку для верхнього ступеня міжконтинентальної балістичної ракети. Коли ВПС передали програму NASA, її інтегрували в NERVA, і основну увагу зосередили на двигунах для довготривалих космічних польотів. Проєктом Rover займалися в Лос-Аламоській національній лабораторії в Нью-Мексико з 1955 року і до 1973 року, поки не змінилися пріоритети NASA і держави. 

«Він постав з переплетіння атомного ентузіазму 1950-х років з космічним запалом 1960-х», – розповідає Нойфельд. У NASA в той час було багато грошей, «тому цілком реальним був варіант, що NASA включить ядерну теплову ракету в плани після Аполлона».

Додсон впевнена, що ракета на NTP дозволила б NASA доставляти великі вантажі на Місяць і далі, а такі місії потребували б менше палива, що критично важливо в космосі. «А це значить – ще більше вантажу на Місяць, або не так багато, але швидше», – каже вона. 

Інженери тоді проєктували двигун NERVA на основі графітового реактора з активною зоною, що працював на високозбагаченому, або «збройовому», урані. Реактор і двигун добре себе зарекомендували щонайменше під час шести наземних випробувань між 1964 і 1969 роками, генеруючи в середньому близько 1100 мегаватів потужності.  

Але NERVA врешті-решт пала жертвою тих самих процесів, які охопили всю космічну індустрію США після висадки на Місяць, які згодом призвели до згортання програми «Аполлон» після посадки «Аполлона-17» у 1972 році.

«Бюджет NASA фактично скоротився вдвічі між 1966 і серединою 70-х років,» – каже Нойфельд. «Тобі говорити про необхідність якоїсь ядерної теплової програми було недоцільно». Програму скасували у 1973 році.

NERVA так ніколи й не полетить у космос. Єдиний американський ядерний реактор поділу встановили на супутник SNAP-10A, запущений у квітні 1965 року, але реактор призначався не для руху, а радше як тестовий зразок для генерації електроенергії у рамках програми NASA «Система допоміжної ядерної енергетики». 

Проте інтерес до ядерних двигунів продовжував жевріти. Наприкінці 1980-х і на початку 1990-х років тривали дослідження нової конструкції ракети на NTP, що фінансувалися в рамках Стратегічної оборонної ініціативи й отримали подальший розвиток у програмі Військово-повітряних сил «Космічний ядерний тепловий двигун», але від розробки відмовились у 1994 році. Амбітна місія NASA JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO) на початку 2000-х років мала використовувати ядерно-електричну тягу з реактором поділу, який живив би іонні рушії, але місію скасували у 2005 році.

Жоден з цих проєктів в плані випробувань двигуна не просунувся так далеко, як NERVA. «Зараз ми наче знову дістаємо NERVA з дальньої шухляди», – каже Додсон. 

Розробка сучасної ядерної ракети

Але підняти NERVA із засік – це не просто питання створити новий двигун за специфікаціями старої системи. NERVA ніколи не літала, і залишається низка проблем – технічних і політичних – на шляху до реалізації NTP. 

З одного боку, не зрозуміло, чи відповідає NERVA сучасним стандартам NASA, каже Каломіно. 

«Вони не зовсім розуміли, яку шкоду завдано матеріалу, – каже він. «Як довго може працювати цей двигун? Чи можете ви оцінити ефективність двигуна? Чи достатньо він надійний?»

Керування теплом є основним викликом перед NTP. Вища температура створює більший питомий імпульс, але також руйнує компоненти двигуна, зменшуючи термін експлуатації. Особливо це актуально для ядерного палива в активній зоні реактора, стверджує Паоло Веннері, який керує відділом перспективних технологій в Ultra Safe Nuclear Corp. Компанія, розташована в Сіетлі, виступала підрядником для двох компаній, які уклали контракти на Етапі 1, а саме: Blue Origin і General Atomics.

Для двигуна на NTP «температура на виході з реактора становить близько 3000 кельвінів, або 2700 градусів Цельсія», – каже Веннері. «Сьогодні не існує ядерного палива, яке може працювати при такій температурі потрібний проміжок часу».

І щодо цього палива: NERVA використовувала уран збройового класу, тобто руду, збагачену до вмісту щонайменше 85% урану 235, ізотопу, який краще піддається поділу, ніж уран 238, який також присутній в руді. Використання такого палива дуже обмежене через міркування щодо розповсюдження ядерної зброї, тому всі сучасні дослідницькі програми NTP зосереджені на використанні низькозбагаченого урану (HALEU), який збагачується до рівня близько 20% – нижчого, ніж збройовий, але вищого, ніж 5%, який використовується на традиційних атомних електростанцій. 

Але використання HALEU своєю чергою породжує нові проблеми з матеріали конструкцій, додає Додсон. З меншою кількістю матеріалу, який розщеплюється в активній зоні, конструкція реактора має використовувати матеріали, які сповільнюють нейтрони високої енергії настільки, щоб вони вражали й розщеплювали додаткові атоми урану і так підтримували ланцюгову ядерну реакцію. 

За словами Каломіно, який прийшов до NASA з матеріалознавчою спеціальністю, це справжні виклики для сучасної науки.  За півстоліття методи дослідження в галузі матеріалознавства пройшли тривалий шлях розвитку. 

«Наші спроможності моделювати ці системи покращилися за останні 50 років», – каже він. «Для деяких з цих потенційних проблем у нас вже є рішення».

За словами Каломіно, моделювання може допомогти виявити «гарячі точки» в активній зоні реактора, де може виникнути руйнування, водночас сучасні сповільнюючі матеріали зокрема, берилій і гідриди металів – можуть сповільнити нейтрони настільки, що вони будуть розщеплювати паливо HALEU. 

«Завдяки цим сповільнювачам космічні реактори будуть достатньо ефективними, – каже він, – а головним є те, що ми зможемо сконструювати реактор для низькозбагаченого урану в тому об’ємі та масі, які нам потрібні в практичних цілях».

Безпечність ракет з ядерними двигунами

Оскільки йдеться про розміщення ядерного реактора на ракеті, безпека також стане водороздільним викликом для NTP, і це не лише інженерна проблема, але й проблема зв’язків з громадськістю. 

«Громадськість потрібно наполегливо переконувати, коли ви відправляєте уран на космічному кораблі», – каже Нойфельд, нагадуючи, що в 1997 році вибухнули протести через запуск зонда NASA «Кассіні», бо космічний апарат мав плутоній у радіоізотопному термоелектричному генераторі. 

Хоча ідея розщеплення атомів, а не просто розміщення гранул плутонію, як у РТГ, може здаватися набагато небезпечнішою, на думку Веннері, реактори розщеплення насправді несуть менший ризик, у разі будь-яких аварійних ситуацій на стартовому майданчику. 

Компанія Atomos Space з Денвера планує розпочати свій бізнес з виведення супутників на робочі орбіти буксирами на сонячних батареях, як на цій ілюстрації, але з часом перейти на ядерну енергетику. Щоб зрозуміти, як працюють регламенти запуску такого буксира, компанія планує відправити в політ тестовий реактор в середині 2020-х років.
Джерело: Atomos Space

«Поки ви їх не ввімкнули, вони не радіоактивні», – каже він. На відміну від цього, плутоній в РТГ завжди випромінює небезпечну радіацію, оскільки він зазнає природного ядерного розпаду – процесу, який вивільняє тепло, що використовується для виробництва електроенергії. 

Механізми безпеки в першу чергу мають унеможливити увімкнення реактора до досягнення безпечної орбіти, навіть за надзвичайних ситуацій, таких як потрапляння води в активну зону реактора, що прискорює поділ, каже Веннері. 

«Йдеться про розміщення всередині реактора поглиначів, які не дозволять йому увімкнутися в разі аварії», – каже він, – «поглинач» на кшталт стрижня з карбіду бору, що поглинає нейтрони. «Якщо ви просто вставите один з них всередину реактора, то ефективнішого способу його зупинити марно й шукати».

Правила й гроші

Не дивно, що там, де виникають питання безпеки, уряд не може стояти осторонь. «Насправді, що може розчавити ідею ядерного орбітального транспортника, так це державне регулювання», – переконаний Ковальські з Atomos Space. 

Останні кілька років загалом виявилися успішними для прибічників космічної ядерної енергетики з погляду перестановок в уряді. Наприклад, у серпні 2019 року тодішній президент Дональд Трамп підписав Меморандум про національну безпеку №20, який надав спонсорським агентствам повноваження на запуск двигунів на системі NTP, які працюють на паливі HALEU. 

«Раніше, щоб підготуватися до отримання дозволу на запуск, фахівці потрапляли в «аналітичний параліч» і витрачали на це роки», – каже Додсон. Завдяки меморандуму, у випадку з DRACO, Міністерство оборони може ухвалити остаточне рішення про запуск демонстраційного польоту NTP, а не чекати схвалення з боку Адміністрації президента. 

Крім того, 6-а директива космічної політики Трампа, видана в грудні 2020 року, не рекомендує використання збройового урану, за винятком випадків, коли використання палива HALEU є неможливим, і заохочує залучення приватного сектору до розробки систем NTP та створення окремого контрольного механізму за запуском для приватних компаній.  

 «У ньому викладені різні процедури запуску для державних і комерційних проєктів, а потім зазначено, що будь-який запуск комерційною компанією буде регулюватися FAA», – каже Веннері. «Зараз FAA з’ясовує, як це зробити». 

FAA відмовилося прокоментувати свої напрацювання щодо 6-ї директиви космічної політики. 

Щоб перевірити регуляторну структуру, Atomos Space планує запустити реактор у космос десь у середині 2020-х років. Реактор поділу буде генерувати електроенергію, а не тягу, оскільки основна мета – перевірити, як буде котитися ця «снігова куля» в регуляторній та ліцензійній площині. 

Але всіх підзаконних актів і доповідних листів у світі може стати замало, щоб запустити ці нові розробки, якщо Конгрес втратить інтерес до місій, які потребують NTP. Якщо Конгрес припинить фінансування, DRACO цілком може створити ще одну NERVA – демонстратор концепції, який негайно законсервують. 

 «По суті питання стоїть так: «Чи є в нас гроші на амбітну програму польоту людини далі Місяця?», – говорить Нойфельд. «Моя особиста думка щодо «Артеміди» і супровідних проєктів полягає в тому, що спроба створити постійну базу на Місяці виявиться досить дорогою. І я не думаю, що і на Марсі ми зможемо досягти чогось такого найближчим часом».

Але на відміну від епохи Аполлонів, сьогоднішня NTP призначена не лише для польотів на Марс і створення місячних баз. Швидке розгортання супутників на будь-яких орбітах, міжнародна конкуренція і створення Космічних сил – все це наводить на військові та цивільні цілі для майбутніх систем. 

Принаймні, на це розраховує Ковальські та Atomos Space. 

«Я думаю, що у нас нарешті з’явилось те, чого не вистачало попереднім проєктам – сфери потенційного застосування.», – каже він. «На ці системи є попит, а коли виникає попит, то в гру вступає бізнес.» 

За авторством Джона Келві

Джерело

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

24

Друзі, цей матеріал було написано редакцією Альфа Центавра.


Ми завжди спиралися насамперед на власну аудиторію. Якщо вам подобається те, що ми робимо, якщо ви поділяєте наші цінності та готові підтримати наш проєкт матеріально на будь-яку суму, ми будемо неймовірно раді такій підтримці. Всі способи відправити нам донат можна знайти на цій сторінці, проте найзручнішими для нас і вас є сервіси Patreon, Buy Me a Coffee та пожертва в системі PayPal.


Сайт Alpha Centauri завжди залишиться куточком комфорту для любителів космосу. Наші та ваші зусилля дозволять нам усім стати ближчими до зірок.

Павло Поцелуєв, керівник АЦ.


Увійдіть, щоб читати ще 23 коментаря, брати участь в обговореннях та не бачити рекламу.
Зворушлива Хелен Ріплі
Вечность назад

Допоки не придумають як утримати водень в баці,щоб він не виходив крізь його стінки,доти міжпланетні перельоти на двигунах такого типу будуть утопією

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зареєструйтесь на сайті щоб не бачити рекламу, створювати та відслідковувати теми, зберігати статті в особисті закладки і брати участь в обговореннях
Якщо не виходить увійти тут, спробуйте за посиланням.