Атомная энергия или пути освоения космоса

Любой космический аппарат, будь то спутник или орбитальная станция, трудно представить без сверкающего ряда солнечных батарей. Это не удивительно, ведь от них зависит самое главное – энергетическое обеспечение всего комплекса. Конструкторы и не скрывают тот факт, что на внешний вид космического аппарата влияет в первую очередь именно веер солнечных батарей.

Конструкция батарей обычно массивна, но при этом мобильна, ведь она должна разворачиваться вслед за звездой. Несмотря на то, что аналогов солнечной энергии в космосе мало, и у нее имеется ряд недостатков. Она не работает идеально и стабильно. Так, если спутник отдаляется от Солнца к периферии нашей звездной системы, он получает энергии все меньше, если попадает в тень планеты – не получает ее вовсе. Это в свою очередь ведет к остановке его жизнедеятельности. Кроме того, батареи не вечны, и в космосе постоянно подвергаются воздействию внешней среды: резким и высоким перепадам температур, механическим повреждениям и так далее. Все эти причины приводят к тому, что ученые настойчиво пытаются найти автономную замену такому источнику энергии.

 

 

 

Альтернативная энергия

Что может конкурировать с солнечной энергией и при этом быть совершенно независимым от источника? К настоящему времени это водород-кислородные топливные элементы и радиоизотопные источники энергии. Первые хорошо показали себя в работе, но у них есть очень существенный недостаток: топлива хватает на несколько месяцев в лучшем случае, и для длительной миссии в космосе они не подходят. Вторые ученые осваивают до сих пор.

 

В 60-х годах прошлого века, при осуществлении пилотируемых полетов на Луну (имеется в виду программа «Аполлон») использовался усовершенствованный генератор, изобретенный Генри Мозли еще в 1913 году. В его основе лежит устройство, преобразующее энергию, вырабатываемую спонтанными ядерными реакциями, в электрический ток. Внешне генератор напоминал небольшую сферу, внутри покрывался слоем серебра; работал на радии, который при излучении поглощался серебром и в результате выдавал тепловую и электрическую энергию.

Однако, притом, что генератор работал, его КПД был чрезвычайно низким. В основном он работал на теплоотдачу, и в этом качестве использовался в «луноходах» советского производства.

 

 

Тем не менее, простота устройства привлекала ученых и заставляла их работать над его усовершенствованием. К тому же в процессе эксплуатации выяснилось, что радиоизотопные батареи чрезвычайно надежны, и могут выйти из строя только в результате механического повреждения.

 

Такая надежность стала решающим фактором при выборе источника энергии для Марсианской научной лаборатории – марсохода третьего поколения «Кьюриосити». С августа 2012 года он успешно проводит исследования на Красной планете.

 

Проблема с плутонием

Те космические аппараты, которые в последнее время запускает NASA, работают на плутонии. Причем это изотоп плутония с индексом 238, его период полураспада составляет приблизительно 87 с половиной лет. На этом радиоизотопе работали программы «Вояджер» и «Кассини», в настоящее время – уже упомянутый марсоход «Кьюриосити». Его радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) заправлен 4,8 килограммами плутония-238, но эта, казалось бы, небольшая цифра имеет колоссальный денежный эквивалент. Дело в том, что стоимость 1 килограмма топлива сейчас близка миллиону долларов, и при расчете количества необходимой энергии для той или иной космической программы эта сумма может достигать половины миллиарда долларов.

 

 

Но и это только одна сторона проблемы, вторая заключается в том, что США испытывают серьёзный дефицит плутония.Так, в 2006 году из-за отсутствия необходимого количества топлива под срывом оказался запуск автоматической межпланетной станции «Новые горизонты» (New Horizons). В результате ее генератор оказался заправлен 11 килограммами плутония, в то время как «Кассини» работал на 33 килограммах. Вместе с массой топлива существенно пострадало и количество вырабатываемой им энергии, и как следствие команде разработчиков пришлось пересматривать всю исследовательскую программу, которую должны были выполнить «Новые горизонты».

 

 

Образование дефицита было постепенным, но тянулось еще с периода холодной войны между Соединенными Штатами и Советским Союзом. В конце 80-х годов Штаты прекратили производство плутония-238, а с начала 90-х закупали его в России. Согласно договору, количество приобретаемого материала колебалось от 10 до 40 килограмм, что до поры до времени вполне устраивало обе стороны. Но с 2009 года соглашение перестало работать, поставки прекратились, и правительство США вновь приняло решение начать производство плутония. Так как само производство очень дорогостоящее и процесс получения материала весьма длительный, в год Америка получает 1 – 1,5 килограмма данного изотопа.

 

Плутониевая проблема – это еще не все

Как бы ни была интересна топливная история, проблема атомной энергии в космосе ею не исчерпывается. Низкий КПД радиоизотопных термоэлектрических генераторов пока что не преодолен: все, что удалось ученым к настоящему моменту – это 7% целевого использования полученной в результате атомного распада энергии.

 

 

Последнее десятилетие исследователи работают над новой моделью генератора, основанной на принципе двигателя Роберта Стирлинга. Его КПД гораздо выше современной планки, и составляет около 30%. Для космической автономной энергетики это было бы настоящим прорывом, и открывало бы поистине новые горизонты.

 

Работа двигателя Стирлинга основана на регулярном повторяющемся изменении температуры рабочего тела. Последним может быть обычный воздух или газ (чаще всего водород или гелий). В стационарных условиях двигатель действительно показывает достаточно высокий уровень КПД, но имеет и свой недостаток: управление его мощностью оставляет желать лучшего.

Теперь попробуем представить, что получится, если рабочим телом в нем станет тот же плутоний-238.Может быть идея и покажется сначала немного безумной, но не будет невыполнимой; может быть процесс существенно усложнится. Но исследователей это не останавливает, лаборатории NASA готовы уже сейчас представить пробную версию такого генератора.

 

Плутоний, полоний, уран

Плутоний-238 – изотоп с периодом полураспада в 87,7 лет. Если сравнивать с оружейным плутонием-239, то время его полураспада будет равняться 24 110 годам. Удивительно, но изотоп с таким периодом мало подходит для космоса: батареи на таком топливе будут чрезвычайно громоздки, а вот выделяемая энергия – абсолютно недостаточна. В то же время материал с коротким периодом полураспада, например, полоний-210 (138 суток) не подходит для длительных миссий: активно выделяемая энергия быстро расходуется, и генератор стабильно теряет мощность.

Исследователи уже давно пришли к выводу, что наиболее оптимальный вариант – ядерное топливо с периодом полураспада, равным нескольким десяткам лет. И получаемой энергии достаточно, и генератор не слишком массивен. Также важно, чтобы это был не бета-распад, как у кобальта-60 или стронция-90, а альфа-распад – именно он наиболее эффективен.

 

 

Среди аналогов, близких плутонию-238 находится уран-232 (период полураспада – 67 лет). У него есть большое достоинство – вырабатываемая энергия превышает полоний в 8 раз. И недостаток – слишком сложный процесс распада, насчитывающий также 8 ступеней.

 

И снова о двигателе Стирлинга

Итак, ученые уже тестируют ядерный реактор, который будет работать по принципу двигателя Стирлинга. Рабочим телом тут будет выступать радиоизотопный материал в газообразной фазе. В процессе цепной реакции газ будет нагреваться, вырабатывать тепло и двигать поршень, затем наступит фаза охлаждения, которая приведет к возвращению поршня и началу нового цикла движения. То есть основной принцип выделения энергии останется неизменным.

 

 

Считается, что такой генератор станет новой ступенью в достижении безопасности, так как цепной реакцией можно будет управлять (контролировать ее). Однако и тут есть существенные препятствия в основном технического плана. Для успешного функционирования генератора понадобится разработка суперэффективного дополнительного оборудования. Но для разрешения подобной проблемы у исследователей есть достаточно времени, и работа над созданием газофазного ядерного реактивного двигателя не прекращается.

 

История ядерного реактора

Генераторы, вырабатывающие тепло и энергию в результате естественного распада радиоактивного изотопа (того же плутония-238) отличаются довольно большим периодом работы, но в то же время управлять их мощностью не представляется возможным. Чтобы повысить мощность, потребуются добавочные аккумуляторы, установка которых зачастую невозможна, ведь это дополнительный вес и масса. Очевидно, что будущее космонавтики без реактора невозможно: им можно управлять, регулируя мощность выделения энергии.

 

 

Собственно, работа над таким устройством для применения в космосе началась еще с середины прошлого века. Речь идет о реакторе SNAP-10A, известном своим коротким сроком существования – всего 43 дня. Созданный специально для спутников, он претерпел деформацию электрического компонента, в результате чего вышел из строя. Реактор работал с использованием урана-235 и гидрида циркония, но его КПД был просто непозволительно низок: всего 1,5 %.

Следующей ступенью были советские разработки в области спутниковой разведки, так как исследования производились на фоне обострения холодной войны. Здесь можно упомянуть реактор-преобразователь «Ромашка», БЭС-5 «Бук», ТЭУ-5 «Тополь». Постепенно, уровень КПД удалось повысить от 3 до 6 %.

В то же время проблемы на пути более интенсивного и эффективного использования ядерного реактора по-прежнему остаются. Это и его чрезмерная масса, и недостаточная надежность (истории уже известны случаи отказа работы аппаратуры из-за сбоя под воздействием радиоактивного излучения). Срок эксплуатации реактора тоже оставляет желать лучшего, к настоящему моменту он не превышает 1 года. Для дальних экспедиций это неприемлемо, а вопрос дозаправки или доставки горючего остается открытым – это и сложно, и очень дорого. В результате на данном этапе такое решение проблемы просто нерентабельно.

Нет окончательного решения и другой проблемы – утилизации вышедшего из эксплуатации оборудования. Сейчас его отправляют на так называемую «орбиту захоронения», находящуюся за пределами геостационарной орбиты. К 2013 году на низких околоземных орбитах зафиксировано порядка17,1 тысячи объектов, в том числе и действующих спутников. «Захламление» в подобном темпе может привести к невозможности дальнейшего освоения космоса.

FollowFb.Ins.
...

This is a unique website which will require a more modern browser to work!

Please upgrade today!