S-BNR використовує один реактор із двома незалежними контурами теплоносія та відповідно оптимізованими паливними зонами: це знімає потребу в складних клапанах перемикання режимів і водночас дає і високу тягу, і безперервне електроживлення.
Головні виклики — створити паливні елементи, які добре працюють в одній збірці, наземні випробування, ядерна безпека запуску та співпраця кількох відомств, щоб довести технологію від моделювання до демонстрацій у космосі.
Найбільша загроза для будь-якої пілотованої експедиції на Марс — час. Найкоротший план NASA, за яким люди мають долетіти до Червоної планети й повернутися, вимагає 620 днів у космосі та 30 днів на самому Марсі. І навіть якщо винести за дужки дедалі складніші завдання — побудувати системи життєзабезпечення, здатні працювати без поповнення запасів увесь цей час, або те, що чим довша подорож, тим більше часу для нещасливих випадковостей, — життя в мікрогравітації, сонячна й космічна радіація невблаганно братимуть свою накопичену данину з людських тіл.
Ми хочемо зробити так, щоб екіпажі проводили в космосі значно менше часу — лише 335 днів у перельоті або й менше. Це водночас спростить багато інженерних завдань і збереже астронавтів здоровішими та в більшій безпеці. Ми переконані, що ключ до такого скорочення — новий підхід до «святого Грааля» освоєння космосу, бімодальної ядерної ракети.
Ми — Курт Ползін, головний інженер проєкту космічної ядерної тяги NASA в Центрі космічних польотів імені Маршалла, який понад два десятиліття займається дослідженнями перспективних рушійних систем, і Роберт Шляйхер, головний інженер з ядерних технологій і матеріалів компанії General Atomics. Щоб пояснити, що таке бімодальна ядерна ракета і чому нова версія, яку ми задумали разом, наближає її до реальності, спершу доведеться ненадовго зазирнути в минуле.
Ще в 1946 році дослідники зрозуміли, що ядерні реактори можуть стати надзвичайно ефективними тепловими ракетними двигунами. Більшість ракет — теплові: вони працюють, викидаючи крізь сопло гарячі гази, і ця віддача штовхає ракету вперед. Є й інші чинники — скажімо, форма сопла, — але загалом що гарячіші та швидші вихлопні гази, то більше прискорення дасть ракета на ту саму масу палива. А оскільки менша молекула, нагріта до тієї самої температури, рухається швидше за більшу, то що менша молекулярна маса палива, то краще. За усталеною домовленістю ефективність ракетного двигуна вимірюють тим, як довго він здатний створювати тягу, що дорівнює початковій вазі його палива; ця величина називається питомим імпульсом.
У звичайній тепловій ракеті — а такі використовують у кожному запуску на орбіту від часів «Супутника» — температура й швидкість вихлопу, а отже й питомий імпульс, задані енергією хімічної реакції та масою її продуктів. Найефективніші хімічні ракети сьогодні спалюють водень із киснем: продуктом є вода, а питомий імпульс у найкращому разі сягає близько 450 секунд.
Але ядерна ракета не обмежена хімією. Серце ядерного теплового двигуна — реактор поділу, у якому ланцюгові реакції в урановому паливі вивільняють на кілограм значно більше енергії, ніж дає будь-яке хімічне згоряння. Турбонасос проганяє крізь активну зону реактора самий лише рідкий водень — із його вкрай малою молекулярною масою, — нагріваючи його щонайменше до 2700 кельвінів, перш ніж викинути назовні. Питомий імпульс при цьому становить 900 секунд і більше.
У 1950-х і 1960-х роках у межах програм Rover і NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications) ядерні теплові двигуни проходили наземні випробування. На початку 1970-х технологія дозріла настільки, що вже планувалися льотні тести. Але політичні й бюджетні вітри змінилися, і 1973 року розробку ядерної теплової тяги згорнули.
Інший напрям ядерної тяги, який теж показав неабияку перспективність, — ядерна електрична тяга. Тут потік гарячого вихлопу створюють не хімічні реакції й не проходження крізь активну зону реактора: натомість виробляють електрику, яка створює електромагнітні поля, а ті вже розганяють іонізоване робоче тіло — наприклад, ксенон чи літій.
Схем для цього існує чимало, і деякі вже мають за плечима солідний час у космосі — скажімо, іонні двигуни астероїдної місії Dawn, запущеної 2007 року. Досі такі електричні двигуни живилися лише від сонячних панелей. Але якщо струм даватиме енергоустановка з ядерним реактором, тяги можна отримати більше. А відмовитися від сонячної енергії особливо важливо в місіях до зовнішньої Сонячної системи, де сонячних фотонів так мало, що знадобилися б велетенські панелі.
З електричними двигунами питомий імпульс може сягати 2200–4600 секунд, але поки що за дуже малої тяги. Маючи енергію ядерної електроустановки, можна дістати більше прискорення й коротші місії. До того ж реактор здатен живити й усі інші системи корабля.
Програма System for Nuclear Auxiliary Power (SNAP) 1965 року вивела на орбіту демонстратор SNAP-10A — перший і поки що єдиний американський ядерний реактор у космосі. Він видавав близько 600 ватів електричної потужності протягом 43 днів, після чого його заглушили; апарат і досі на орбіті. Пізніші американські ініціативи щодо потужніших джерел електрики та ядерних теплових двигунів — SP-100, Project Timberwind, Project Prometheus, а також новіші проєкти на кшталт Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) і Joint Emergent Technology Supplying On-Orbit Nuclear (JETSON) — з’являлися впродовж років уривчасто. Жоден із них досі не дійшов до реального польоту.
Проте в березні 2026 року космічна ядерна енергетика дістала потужний поштовх: адміністратор NASA Джаред Айзекман оголосив нову ініціативу з дослідження космосу. У її межах агенція планує запустити Space Reactor-1 Freedom (SR-1), який доправить на Марс трійку роботизованих гелікоптерів-розвідників. SR-1 рухатиметься на ядерній електричній тязі й має продемонструвати технологію поділу в далекому космосі; це буде перший міжпланетний апарат на ядерній енергії, з 20 кіловатами електричної потужності на борту.
Для NASA це сміливий крок, і на ньому ми доходимо до сьогодення — але деталі запропонованої місії водночас підсвічують добре знайоме обмеження ядерної електричної тяги. Навіть із покращеним прискоренням електричні двигуни не здатні дати потужних імпульсів тяги, потрібних, щоб вирватися з гравітаційної ями Землі чи Марса або виконати маневр, критичний за часом, — як-от корекцію курсу. Натомість ядерні теплові двигуни, хоч і поступаються в ефективності й не можуть живити системи корабля електрикою, чудово дають високу тягу у вирішальні моменти.
Що таке бімодальна ядерна ракета
Дехто з інженерів сказав би: будуймо дві окремі системи — один реактор для теплової тяги, другий для електроживлення й електричної тяги. Але щонайменше від 1990-х багато інженерів мріють поєднати ядерну теплову й ядерну електричну тягу в одному пакеті, з одним реактором. Це і є бімодальна ядерна ракета.
Більшість попередніх бімодальних проєктів спиралися на складні системи клапанів, які мали об’єднати рушійну й енергетичну частини. У режимі теплової тяги реактор виводять на максимальну активність за допомогою набору керувальних барабанів, що оточують активну зону, складену з матриці довгих уранових паливних елементів. Барабани мають вигляд довгих циліндрів із берилію, причому сегмент у 120 градусів на кожному циліндрі вкритий карбідом бору. Бор поглинає нейтрони, тож коли цей сегмент повернутий до реактора, активність низька: нейтрони, що виходять з активної зони, захоплюються. Якщо ж повернути борову ділянку назовні, лишивши відкритим самий берилій, активність зростає — берилій відбиває нейтрони назад до паливних елементів, де вони підживлюють ланцюгові реакції.
Коли реактор уже виділяє багато тепла, крізь канали, що проходять уздовж усієї активної зони, прокачують рідкий водень. Перетворившись на гарячий газ, що розширюється, водень вихоплюється з другого кінця зони й утворює потужний вихлоп ракети.
У режимі вироблення електрики активність реактора приглушують. Клапани перекривають канали, і замкненим контуром крізь реактор починає циркулювати так зване робоче тіло енергетичного контуру — зазвичай суміш гелію та ксенону. Реактор і далі достатньо гарячий, щоб нагрівати цю суміш, а та обертає турбіну, з’єднану з електрогенератором.
Ключове тут те, що в обох режимах працюють один і той самий набір каналів та ті самі ядерні паливні елементи. Але клапани, якими перемикають режими, стикаються з украй складним завданням: місяцями, а то й роками витримувати жорстку радіацію, зберігаючи при цьому цілковиту герметичність.
До того ж паливні елементи навколо каналів мусять уміти і коротко працювати за дуже високих температур під час маневрів на тепловій тязі, і довго — за нижчих температур упродовж решти подорожі. Зробити один тип елемента, здатний на обидва режими, важко. Саме через цю складність і надто вимогливі інженерні умови попередні бімодальні схеми так і не дійшли до практики.
Ми пропонуємо спрощений підхід — гібридну систему, яку назвали синхронною бімодальною ядерною ракетою (S-BNR). Задум народився, коли ми разом були на конференції 2025 року. В одного з нас (Ползіна) з’явилася початкова ідея, і за освяченою часом традицією він накидав її на серветці, щоб перевірити, чи бачить другий (Шляйхер) спосіб це реалізувати. Відтоді ми й доопрацьовуємо концепцію.
Як працює синхронна бімодальна ядерна ракета
Замість складної системи клапанів S-BNR використовує два гідравлічно незалежні контури в одній активній зоні: відкритий — для теплової тяги, і замкнений — для електрики. Зону поділено на дві ділянки, по одній на контур, і різняться вони типом паливних елементів. Самі елементи можна зробити по-різному. У нашому попередньому проєкті високотемпературні паливні елементи, HTFE, у зоні теплової тяги — це шар «камінців» (уранове паливо в оболонці з карбіду цирконію) навколо центрального звужуваного каналу; працюють вони за температури понад 2700 К. (Як варіант, HTFE можна зробити суцільними, як у NERVA.) Водневе робоче тіло проходить крізь шар камінців, і завдяки їхній великій сумарній площі поверхні передача тепла, потрібного для ефективної високої тяги, максимальна.
У другій зоні стоять низькотемпературні паливні елементи, LTFE, оптимізовані для тривалого й ефективного вироблення електрики — від десятків кіловатів до кількох мегаватів. У них уранове паливо у твердій формі оточує канал із подвійною стінкою: робоче тіло енергетичного контуру подають усередину, а назад воно повертається вздовж зовнішньої стінки, відбираючи тепло від палива, і працює за помірних температур — від 1200 К і вище.
І HTFE, і LTFE дають нейтрони, потрібні для підтримання ланцюгових реакцій. У режимі, коли виробляється лише електрика, залишкове тепло переходить із HTFE до сусідніх LTFE. Фізичний стик між елементами спроєктований так, щоб стримувати цей тепловий потік і врівноважити дві суперечливі вимоги: потоку має вистачати, щоб безпечно відводити залишкове тепло від HTFE, але водночас його треба обмежувати, аби температура LTFE не виходила за припустимі межі, коли HTFE працюють на високій потужності.
Коли тяга й електрика працюють разом, теплообмінник на енергетичному контурі підігріває водневе робоче тіло для тягового контуру, допомагаючи турбонасосу проганяти водень крізь активну зону. Після завершення імпульсу тяги, коли ланцюгові реакції в HTFE приглушують керувальними елементами, енергетичний контур відводить від них залишкове тепло розпаду, як описано вище. Це знімає вимогу попередніх схем — додатково прокачувати паливо просто для того, щоб охолоджувати активну зону в режимі очікування. Двоконтурна система також означає, що двигун може дати високу тягу будь-якої миті, а генератор при цьому лишається ввімкненим постійно. Для пілотованих місій це вагома перевага.
Завдяки двоконтурній архітектурі S-BNR обходиться без проблемних клапанів перемикання режимів, які були в попередніх концепціях. Кожну зону поділу будують із матеріалів, підібраних під її власні температурні та енергетичні вимоги, — а це гарантує оптимальні характеристики й довговічність. У підсумку електрика є безперервно на всіх етапах місії, і не треба везти з собою додатковий рідкий водень лише для того, щоб упоратися з теплом розпаду.
Виклики, які ще попереду
Хоча в розробці S-BNR є суттєвий поступ, серйозні виклики нікуди не поділися. Реактор мусить зберігати стабільне керування у широкому діапазоні потужностей — від скромних рівнів для вироблення електрики до сотень мегаватів теплової потужності під час роботи на високій тязі. А робота енергетичного контуру в безпосередній близькості до HTFE вимагає дуже ретельно керувати і температурою, і нейтронами, які випромінюють паливні елементи.
І, що вкрай важливо, надзвичайно вимогливою є сама демонстрація надійної роботи впродовж тривалого часу: місії до Марса можуть потребувати років безперервного вироблення енергії. А зонди до зовнішніх планет із двигунами S-BNR розтягнуть цей термін на десятиліття й довше.
Раніше паливні елементи для ядерної теплової тяги проєктували під надзвичайно високі температури, але дуже короткий ресурс — зазвичай години; натомість паливні елементи, які пропонують для ядерної електричної тяги, оптимізовані під нижчі температури й мають працювати роками. Використавши в S-BNR два різні типи елементів, ми можемо скористатися конструкторським спадком обох цих напрямів. На щастя, недавні дослідження за підтримки NASA дали кілька багатообіцяльних кандидатів, які, можливо, відповідатимуть цим суворим вимогам.
Наземні випробування таких систем — теж виклик. На початку доби Rover і NERVA вихлоп випробовуваних двигунів просто викидали в атмосферу, що сьогодні неприйнятно. Нині будь-який наземний тест двигуна має повністю вловлювати всі потенційно радіоактивні продукти вихлопу. На щастя, розроблено вже чимало підходів до вловлювання та очищення вихлопу — щоправда, поки що вони недешеві.
А далі — найголовніше випробування: політ S-BNR у космосі. Міжнародні регуляторні протоколи й правила безпеки для ядерних запусків склалися здебільшого як відповідь на те, що в 1970-х і 1980-х Радянський Союз запустив десятки супутників радіолокаційної морської розвідки RORSAT із ядерним живленням. Інцидентів було чимало, а найсерйозніший 1978 року розкидав радіоактивні уламки по смузі канадської території. Ця історія привела космічну спільноту до консенсусу, який можна підсумувати так: «Не доводь реактор до критичності на жодній навколоземній орбіті, що згасає швидше за небезпечні ізотопи».
Тож будь-яку S-BNR запускатимуть на звичайній хімічній ракеті, з цілком холодним реактором і свіжим паливом. Свіже уранове паливо насправді не дуже радіоактивне: більше занепокоєння викликає хімічна токсичність цього важкого металу, але з нею легко впоратися легкими захисними костюмами, респіраторами й рукавицями. Високорадіоактивні ізотопи з осколків поділу можуть утворитися лише після того, як керувальні елементи виставлять так, щоб в активній зоні почалися ланцюгові реакції. Приводів для хвилювання тут навіть менше, ніж при запуску радіоізотопного термоелектричного генератора (RTG) — на кшталт тих, що зараз живлять марсохід Perseverance і місію New Horizons у зовнішній Сонячній системі.
Навіть у найекстремальнішому сценарії, який тільки можна уявити, — хімічний носій вибухає й якимось чином ушкоджує керувальні елементи реактора саме так, щоб запустити ланцюгову реакцію, — часу на утворення великої кількості токсичних ізотопів не вистачить: реактор розвалиться й реакції припиняться раніше. (Ми можемо бути в цьому впевнені, бо в межах програми Rover такий найгірший сценарій справді перевірили 1965 року в тесті Kiwi-TNT: прототип двигуна навмисне налаштували на некеровану ланцюгову реакцію, достатню, щоб величезний внутрішній тиск випарував активну зону. Поза радіусом 3,2 кілометра радіація була мізерною — а це цілком укладається в безпечні дистанції для запуску будь-якої ракети, здатної вийти на орбіту, — і дезактивувати майданчик вдалося вже за кілька днів радіоактивного розпаду.)
Попри всі ці неабиякі інженерні труднощі, підмурівок, закладений десятиліттями інвестицій у ядерну теплову й електричну тягу та в наземні ядерні енергетичні технології, дає надійну платформу для подальшого поступу. Власне, значну частину базової роботи вже роблять — у поточних програмах NASA і Космічних сил США.
Ми бачимо такий план дій, щоб звести ці технологічні шляхи докупи. Спершу потрібне моделювання, яке продемонструє й підтвердить стратегії керування тепловими потоками та ядерними процесами в усьому діапазоні робочих потужностей. Найближчим часом неядерні випробування підтвердять роботу контурів, механізми теплопередачі й алгоритми керування. Далі опромінення та теплові тести окремих компонентів кваліфікують нові матеріали. Потім почнуться випробування реактора в зборі — спершу без ядерного палива, згодом із паливом і поділом. І нарешті, перші демонстрації в космосі можуть початися з систем меншої потужності, поступово доростаючи до повноцінної бімодальної схеми.
Успіх вимагатиме тісної співпраці NASA, Міністерства енергетики США, Міноборони США, промислових партнерів і ширшої технічної спільноти. Поступ залежатиме від прогресу у високотемпературних паливах і матеріалах, від досконаліших систем перетворення енергії та відведення тепла, а також від того, чи приживуться новаторські виробничі методи й способи керувати ядерним поділом у широкому діапазоні потужностей. Зокрема, випробування системи в зборі будуть складнішими, ніж у попередніх програмах на кшталт NERVA, — через поєднання функцій і різні режими роботи для теплової тяги й вироблення енергії. Сподіваємося, це надихне інженерів і дослідників із відповідним досвідом долучитися до розв’язання цих завдань — чи то в керуванні тепловими потоками, чи в моделюванні та керуванні реактором, чи у випробуваннях тривалої дії, чи в аналізі безпеки.
Минулі наземні тести й обмежені демонстрації вже довели, на що здатні космічні ядерні системи. З такими архітектурами, як синхронна бімодальна ядерна ракета, перспектива поєднати високу тягу зі сталим виробленням енергії стає дедалі практичнішою й гнучкішою. Наступний етап — це не просто про те, щоб летіти швидко. Це про те, щоб будувати пілотовані й безпілотні кораблі, здатні надійно діставатися куточків Сонячної системи, куди сьогодні дістатися важко або неможливо, у місіях, що можуть тривати роки й навіть десятиліття.
За авторством Курта Ползіна