В прошлом футуристы видели транспорт будущего движимым за счет энергии от атомных источников питания. Маленькая батарейка (обычно светящаяся — так передавали образ художники) заменила бы тысячи литров бензина или дизельного топлива. Почти бесконечную энергию могли бы использовать не только машины, но и корабли, отправленные бороздить бескрайние просторы Вселенной.
Новость «Ученые разработали атомную батарейку для космических кораблей» вызвала бы определенный интерес. «Ну наконец-то», «Теперь заживем!» и «Сириус, держись!» — последовала бы примерно такая реакция. Но на деле «атомные батарейки» используются давно — аж с шестидесятых годов прошлого века. Каждая из них заслуживает отдельной истории.
Речь идет о так называемых радиоизотопных термоэлектрических генераторах — РИТЭГ (RTG). В качестве «движущей» силы они используют нагрев, то есть тепловую энергию. Это одно из основных отличий от атомных реакторов, в которых происходит цепная ядерная реакция. Реакторы используются давно, однако они имеют большие габариты и вес, а ведь мы говорим о «космических батарейках».
РИТЭГи планировалось использовать для космических аппаратов, но позже сферу применения расширили (в том числе на медицинскую технику, например электрокардиостимуляторы). Первыми новую технологию, по крайней мере официально, внедрили американские военные в спутниках Transit 4A и 4B. Батарею для них разработали в рамках программы SNAP-3.
Transit 4A находится в нижней части — это цилиндр. Фото сделано незадолго до запуска в 1961 году. Это навигационный спутник, позволявший получать данные вне зависимости от погоды на поверхности. Фото: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Ей предшествовало появление SNAP-1 — тестовой платформы, в которой применяли цикл Ренкина (цикл преобразования тепла в работу) с использованием изотопа церия и ртути в качестве теплоносителя. Инженеры продолжили работу над проектом, пытаясь решить вопрос с защитой будущих астронавтов и груза от радиации, удержав вес системы в определенных рамках: иначе ракета не взлетит.
В итоге «щитом» в SNAP-2 стал усеченный конус, заполненный гидридом лития. Реактор разместили вверху, капсулу с условной командой и грузом — за нижней частью. Последовавшие испытания показали, что идея хороша, да только не работает: в определенных условиях, вероятность появления которых высока, смертельная доза радиации пройдет сквозь защиту. Кроме того, конструкция оказалась весьма взрывоопасной.
Transit 4A. Фото: Gunter’s Space Page
Ее изменяли, искали компромисс, нашли его — и вскоре появился SNAP-3, который стал первым РИТЭГом, примененным в космической программе. Атомные батарейки на плутонии-238, которого потратили 96 граммов, установили в навигационные спутники военных Transit 4A и 4B. Они выдавали 2,5 Вт электрической энергии (тепловая была намного больше). Это был 1961 год.
Спустя еще примерно год Transit 4B и некоторые другие спутники были повреждены из-за проведенных США ядерных испытаний в рамках программы Starfish Prime. Тогда на высоте 400 километров взорвали 1,44-мегатонный заряд, устроив небесный фейерверк, а заодно повредив собственную технику. Ведь ядерную энергию воспринимали как-то не всерьез.
После проведения испытаний Starfish Prime во многих точках мира наблюдалось полярное сияние. Фото: Wikimedia
Ну а первым советским спутником с РИТЭГом стал «Космос-84» (его движение можно отследить и сейчас), получивший систему «Орион-1» в 1965-м.
Ошибок случалось немало, в том числе после того, как в гонку «радиоактивных» спутников включился СССР, который вначале использовал полоний-210, а затем перешел на уран-235. Иногда атомные батарейки падали в океан (упоминается несколько случаев), другие горели в атмосфере или были уничтожены при запуске. Были вопросы и к конструкции советских космических аппаратов: ситуацию можно сравнить с водителем, выбрасывающим весь мусор (которого тонны) из машины в окно — чего только не оказалось на мусорной орбите вокруг Земли!
Собственный опыт и опыт «коллег» подтолкнул американских инженеров к тому, чтобы разработать системы, которые активируются лишь после удаления от Земли.
Это было важно, так как мощность батареек планировали нарастить. Однако особенно преуспели в этом Советы, которые быстро перешли на киловаттные установки, но уже в 1970-е. Американцы также запустили экспериментальный вариант на 500 Вт (и 30—40 кВт тепловой энергии) в 1975 году. Это была миссия SNAPSHOT и аппарат SNAP-10A с компактным ядерным реактором: он был менее 40 сантиметров в длину и чуть более 22 сантиметров в диаметре, при этом его вес составлял 290 килограммов.
SNAP-10A. В 1979 году началось частичное разрушение объекта. Причины остались неизвестны, предполагалось столкновение. Также считается, что радиоактивные элементы оказались в космосе. Фото: energy.gov
Здесь стоит упомянуть, что в 1970-х годах и ранее NASA, как и СССР, изучало возможность создания действительно мощной ядерной установки для космических аппаратов, которую можно было бы устанавливать именно на корабли, а не использовать лишь в относительно небольших спутниках.
В рамках проекта NERVA, например, были испытаны ЯРДы (ядерные ракетные двигатели, относятся к радиоизотопным источникам энергии, как и РИТЭГ), способные произвести до 4500 мегаватт тепловой энергии и 1,1 млн ньютонов реактивной тяги (половина тяги маршевого двигателя шаттла), работая до 90 минут. Плюс таких двигателей — в значительном сокращении времени полета. Но это другая история, которая пока не закончилась.
Ракетный двигатель NERVA. Фото: Atomic Energy Commission
За пределы околоземной «кольцевой дороги» американские РИТЭГи отправились в 1969 году. Модификация одного из них обогревала измерительный инструмент, который взяли с собой участники миссии «Аполлон-11». Другой установили в комплект научных инструментов ALSEP в «Аполлоне-12» для изучения Луны, а также последующих миссиях.
РИТЭГ SNAP-27, который был установлен на поверхности Луны в рамках миссии «Аполлон-14»
Советы сыграли в «догонялки», и в 1970-м появился «Луноход-1» с радиоизотопным нагревателем (RHU) — и США, и СССР использовали технологию не только для выработки энергии, но и для обогрева электроники.
Модель «Лунохода-1», аппарат 8ЕЛ №203. Фото: Wikimedia
Часто высказывается идея, что высокоэффективного источника энергии из РИТЭГа не получится. И пока это так. Однако подобные системы практически незаменимы при отправке зондов на сверхдальние расстояния — туда, где солнечные батареи бесполезны.
Первопроходцем в этом деле стала межпланетная станция «Пионер-10», отправленная в космос 3 марта 1972 года.
«Пионер-10». Изображение: Wikimedia
На нее установили четыре РИТЭГа SNAP-19s (для питания и обогрева). Перед запуском они выдавали 155 Вт электроэнергии, но при подлете к Юпитеру показатель снизился до 140 Вт. Этого было более чем достаточно для работы систем, потреблявших 100 Вт, но к 2001 году энергии уже едва хватало на поддержание функционирования лишь некоторых модулей.
Очередной вехой в развитии технологии стала разработка MHW-RTG для «Вояджеров», отправленных в дальнее путешествие в 1977 году. До этого новые системы прошли обкатку в спутниках на околоземной орбите. Каждый из космических аппаратов получил по три РИТЭГа общей электрической мощностью 470 Вт на момент запуска с перспективой снижения электрической мощности в два раза примерно через 88 лет. Источниками энергии стали 24 спрессованные сферы из оксида плутония. Плюс на борту имелось по девять нагревателей RHU (их может быть и больше, они устанавливаются точечно в рассчитанных местах).
В аббревиатуре MHW-RTG буквы MHW означают Multi-Hundred Watt, то есть это указание на выходную мощность более 200 Вт электрической энергии.
Инженерам приходилось решать проблемы с нагревом в тысячи градусов как в случае с новой системой, так и в прошлом и будущем
Спустя пару лет после запуска «Вояджеров» США временно вышли из гонки, а СССР, напротив, наращивал количество запущенных спутников — это были аппараты серии УС-А. Но на них устанавливали ядерные энергетические установки БЭС-5 «Бук», работавшие на уране. Их электрическая мощность составляла 3 кВт при тепловой мощности 100 кВт, что заметно превосходило показатели американских систем, работавших по несколько иному принципу.
Фото: Los Alamos National Laboratory
Срок работы спутников с «Буками» был заметно меньше: он составлял около полугода (потом аппарат становился мусором, который летает вокруг Земли до сих пор), и это при более высоком весе ядерного топлива. Поэтому требовались регулярные запуски, с которыми то и дело не ладилось. На смену БЭС-5 пришли ядерные установки «Топаз», которые были мощнее предшественников более чем в два раза. Однако новые системы получили лишь два спутника, и один из них был уничтожен.
Фото: kerbalspaceprogram.com
В дальнейшем страны вновь поменялись местами (одна попросту перестала существовать), и успеха добивались лишь США, осваивая очередную технологию — GPHS-RTG (это модернизированные РИТЭГи). Однако какого-то значительного шага вперед с точки зрения эффективности сделано не было.
Новые «атомные батарейки» устанавливали в автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Улисс», изучавшую Солнце и Юпитер; в спускаемый зонд «Галилео» для исследования атмосферы Юпитера; в станцию «Кассини-Гюйгенс», которая исследовала Сатурн, его кольца и спутники; в АМС «Новые горизонты», выполняющую программу исследования объектов Солнечной системы.
АМС «Улиcс». Фото: ESA
Наконец, на базе старого SNAP-19 была разработана система MMRTG, которая помогла роверу Curiosity исследовать Марс (и помогает до сих пор).
Китай также предпринял попытки использовать технологию — в АМС «Чанъэ-3» и вездеходе «Юйту», прибывшем на Луну тем же «рейсом». Точно не известно, были это источники питания или обогреватели, так как данные разнятся. Не исключено, что РИТЭГ был дублирующей системой в дополнение к солнечным батареям.
Что дальше?
NASA и министерство энергетики США ведут экспериментальный проект Kilopower. В рамках него планируется разработать систему, которая позволит активнее путешествовать по Солнечной системе. Правда, это уже не «атомные батарейки», а стационарная система на обогащенном уране. Плюс ее состоит в том, что инженерам, судя по всему, удалось достичь неплохих показателей КПД в 30%. Для сравнения: у РИТЭГа он составляет 3—7% и даже в экспериментах не превышал 10%.
Рендер реактора Kilopower с рассеивающим тепло «зонтом». Фото: NASA
Не исключено, что развитие получит и проект NERVA по разработке ядерного ракетного двигателя для межпланетных полетов. В 2019 году сообщалось о выделении средств — может, в 2024-м появится демонстрационная модель.
Плутоний как топливный элемент
Что касается «атомных батареек», то самые эффективные их образцы пока можно найти лишь в научной фантастике. В последнее время плутоний, уран и другие элементы таблицы Менделеева в качестве источников питания практически не рассматриваются.
Судя по всему, очередной MMRTG получит марсоход Perseverance («Настойчивость»), который окажется на Красной планете в начале 2021 года. Там он займется поисками признаков древней жизни, будет изучать грунт и искать лед. А вот дальнейшее применение технологии под вопросом — в том числе из-за недостатка плутония, которого было много благодаря холодной войне. Сейчас производить нужный элемент дорого, так как подходит не все сырье и объемы мизерные — сотни граммов в год.
Однако не только цена и технологические сложности стали преградой для развития этого источника энергии.
