Атомная энергия для лунной станции
В МИРЕ / #6_2022
Текст: Екатерина ДАНИЛОВА / Фото: Flickr.com/NASA
Специалисты NASA планируют к 2030 году построить на Луне ядерный реактор. После предварительных этапов они поручили инженерам трех компаний создать лунную ядерную установку мощностью 40 кВт, которая сможет работать в течение 10 лет.
Энергия — ключ к космосу. Успех исследований зависит от количества и мощности энергии, которой располагают исследовательские аппараты, от спутников и планетоходов до систем жизнеобеспечения космических станций. Есть только два практических способа обеспечить долгосрочную электроэнергию в космосе: использовать свет Солнца или тепло ядерного источника. Специалисты NASA решили, что оптимальным способом обеспечить энергией проект Artemis будет ядерный реактор.
В июне 2022 года NASA выбрало три компании для финансирования разработки концептуальных проектов реактора, который будет размещен на Луне. Мощность РУ определена в 40 кВт. Она должна проработать не менее 10 лет. Для сравнения: этой мощности хватило бы на 10 лет энергопотребления 30 домохозяйств.
Высокая судьба такой ядерной установки — стать жизненно важным компонентом проекта Artemis, перспективная цель которого — Марс. Стремление к Марсу влечет разработки и демонстрацию новых технологий, а также бизнес-подходов для будущих исследований. Этапом миссии на Марс станут пилотируемые полеты для установления долгосрочного присутствия человека вначале в окололунном пространстве, а затем и на Луне.
Научные, политические и коммерческие цели космических миссий агентство формулирует следующим образом: «Установить американское лидерство и стратегическое присутствие на Луне, одновременно расширяя глобальное экономическое влияние США, расширить наше коммерческое и международное партнерство, а также побудить молодежь к изучению математики и естественнонаучных дисциплин».
Для реализации этих прекрасных планов нужно генерировать приличное количество энергии. Солнечные батареи — не оптимальное решение, так как они требуют постоянного обслуживания. К тому же солнечные установки сильно снижают производительность по мере удаления космических миссий от Солнца; они практически бесполезны в темных, пыльных и суровых условиях Марса, Юпитера, Плутона или Титана. А вот атомные реакторы надежны и могут обеспечивать постоянную мощность независимо от местоположения планеты и ее природных условий. В силу относительно малых размеров и веса реактор можно разместить даже там, где солнечного света нет вовсе. Иначе говоря, первых жителей Луны будет обеспечивать энергией старый добрый атомный реактор. И чем больше будет энергии, тем выше шансы на успех дальних космических миссий. Демонстрация таких систем на Луне проложит путь к длительным экспедициям на Луну и Марс.
Проект атомной энергетики на Луне назвали Fission Surface Power. В его основе полувековое наследие NASA: от древнего SNAP‑10A (1956) до проекта Kilopower и последних разработок в области коммерческой ядерной энергетики и топливных технологий. Напомним, что Kilopower — это экспериментальная демонстрация технологий теплопередачи с использованием топлива из высокообогащенного урана. Он был завершен в 2018 году, и по его результатам в марте 2020 года представлен реактор с низкообогащенным ураном примерно такого же веса, что и система с высоким обогащением.
В июне 2022 года NASA выбрало три компании для финансирования разработки концептуальных проектов реактора, который будет размещен на Луне. Мощность РУ определена в 40 кВт. Она должна проработать не менее 10 лет. Для сравнения: этой мощности хватило бы на 10 лет энергопотребления 30 домохозяйств.
Высокая судьба такой ядерной установки — стать жизненно важным компонентом проекта Artemis, перспективная цель которого — Марс. Стремление к Марсу влечет разработки и демонстрацию новых технологий, а также бизнес-подходов для будущих исследований. Этапом миссии на Марс станут пилотируемые полеты для установления долгосрочного присутствия человека вначале в окололунном пространстве, а затем и на Луне.
Научные, политические и коммерческие цели космических миссий агентство формулирует следующим образом: «Установить американское лидерство и стратегическое присутствие на Луне, одновременно расширяя глобальное экономическое влияние США, расширить наше коммерческое и международное партнерство, а также побудить молодежь к изучению математики и естественнонаучных дисциплин».
Для реализации этих прекрасных планов нужно генерировать приличное количество энергии. Солнечные батареи — не оптимальное решение, так как они требуют постоянного обслуживания. К тому же солнечные установки сильно снижают производительность по мере удаления космических миссий от Солнца; они практически бесполезны в темных, пыльных и суровых условиях Марса, Юпитера, Плутона или Титана. А вот атомные реакторы надежны и могут обеспечивать постоянную мощность независимо от местоположения планеты и ее природных условий. В силу относительно малых размеров и веса реактор можно разместить даже там, где солнечного света нет вовсе. Иначе говоря, первых жителей Луны будет обеспечивать энергией старый добрый атомный реактор. И чем больше будет энергии, тем выше шансы на успех дальних космических миссий. Демонстрация таких систем на Луне проложит путь к длительным экспедициям на Луну и Марс.
Проект атомной энергетики на Луне назвали Fission Surface Power. В его основе полувековое наследие NASA: от древнего SNAP‑10A (1956) до проекта Kilopower и последних разработок в области коммерческой ядерной энергетики и топливных технологий. Напомним, что Kilopower — это экспериментальная демонстрация технологий теплопередачи с использованием топлива из высокообогащенного урана. Он был завершен в 2018 году, и по его результатам в марте 2020 года представлен реактор с низкообогащенным ураном примерно такого же веса, что и система с высоким обогащением.
Первенец космической энергетики
Первым космическим ядерным источником энергии был радиоизотопный генератор SNAP‑3B, установленный в 1961 году на навигационном спутнике ВМС США Transit IV-A. Первенец космической энергетики содержал 96 граммов металлического 238Pu и генерировал всего 2,7 Вт электроэнергии. Этого достаточно для того, чтобы зажечь светодиодную лампочку… и заложить основу энергетики дальних исследований Солнечной системы.
Участниками программы SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power — «Вспомогательные ядерные энергетические установки») были, наряду с NASA, Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса, а также министерство энергетики США, которое с тех пор поставляет энергетические системы и топливо на основе 238Pu.
Участниками программы SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power — «Вспомогательные ядерные энергетические установки») были, наряду с NASA, Лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса, а также министерство энергетики США, которое с тех пор поставляет энергетические системы и топливо на основе 238Pu.
Artemis: этапы
Проект Artemis предполагается развивать в два этапа. Задачи запуска беспилотного Artemis I — тестирование систем исследования дальнего космоса: новой ракеты Space Launch System (SLS) и космического корабля Orion. Следующий этап, Artemis II, предусматривает отправку на окололунную орбиту пилотируемого космического корабля Orion. Астронавты пристыкуют Orion к шлюзу и перейдут в модуль посадки на поверхность Луны. Выполнив необходимые исследования, они вернутся на космический корабль и улетят на Землю.
NASA предполагает, что астронавты будут жить в лунном базовом лагере, передвигаться на вездеходах и использовать лагерь в качестве стартовой площадки для дальнейшего исследования Солнечной системы.
Люди и роботы-исследователи будут искать на Луне воду и изучать области вокруг лунного Южного полюса. Проект Artemis покажет, какие технологии и ресурсы требуются для полета на Марс, который может занять три года. Будет получен ответ на вопросы, возможно ли долгое пребывание людей вне Земли, и если да — как организовать жизнь и деятельность на другой планете.
NASA предполагает, что астронавты будут жить в лунном базовом лагере, передвигаться на вездеходах и использовать лагерь в качестве стартовой площадки для дальнейшего исследования Солнечной системы.
Люди и роботы-исследователи будут искать на Луне воду и изучать области вокруг лунного Южного полюса. Проект Artemis покажет, какие технологии и ресурсы требуются для полета на Марс, который может занять три года. Будет получен ответ на вопросы, возможно ли долгое пребывание людей вне Земли, и если да — как организовать жизнь и деятельность на другой планете.
Следующий этап этой части проекта Artemis начался в прошлом году, когда NASA вместе с министерством энергетики США (DOE) предложили компаниям прислать проекты наземной энергетической системы деления, которая через 10 лет будет готова к запуску на Луну. Стало известно, что трое лучших получат годовые контракты на $ 5 млн. По итогам конкурса Национальная лаборатория Айдахо министерства энергетики США заключит контракты со следующими компаниями:
Каждый контракт предусматривает разработку первоначальных концепций проекта энергосистемы деления мощностью 40 кВт, которая должна прослужить не менее 10 лет в лунных условиях. Этот первый этап контракта крайне важен: по его результатам NASA рассчитывает получить самые полные сведения о том, как построить полностью сертифицированную для полетов энергосистему, основанную на делении атомного ядра, которую к 2030 году можно будет безопасно запустить на Луну для испытаний.
Проект Fission Surface Power находится в ведении Исследовательского центра Гленна в Кливленде. Разработка энергосистемы финансируется Программой демонстрационных миссий Управления космических технологий, расположенной в Центре космических полетов им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама.
Подготовка лунной миссии идет полным ходом. Будущим астронавтам понадобятся не только энергия, но также пища и средства связи. NASA финансирует и эти направления исследований. К примеру, ученые из Университета Флориды смогли вырастить в лунном грунте крошечные растения: съедобный сорняк Arabidopsis thaliana, брокколи, цветную и брюссельскую капусту. Грунт собрали в ходе миссий «Аполлон-11», -12 и -17. (Растения, однако, оказались слабее и меньше выращенных в земной почве.) В NASA также разработали два инструмента для бурения и изучения ледяных кернов под лунной поверхностью. Они понадобятся для поиска воды в рамках миссии PRIME‑1, запуск которой запланирован на следующий год.
Корпорация Nokia получила $ 14,1 млн для разработки техзадания на построение коммуникационной сети 4G Moon. Система должна поддерживать пропускную способность, достаточную для того, чтобы космические исследователи могли передавать данные, удаленно управлять луноходами и транслировать видео в высоком разрешении.
- Lockheed Martin (Бетесда, штат Мэриленд), в сотрудничестве с BWXT и Creare;
- Westinghouse of Cranberry Township (штат Пенсильвания) в партнерстве с Aerojet Rocketdyne и при поддержке Astrobotic;
- IX (Хьюстон, штат Техас; совместное предприятие Intuitive Machines и X-Energy), в сотрудничестве с Maxar и Boeing.
Каждый контракт предусматривает разработку первоначальных концепций проекта энергосистемы деления мощностью 40 кВт, которая должна прослужить не менее 10 лет в лунных условиях. Этот первый этап контракта крайне важен: по его результатам NASA рассчитывает получить самые полные сведения о том, как построить полностью сертифицированную для полетов энергосистему, основанную на делении атомного ядра, которую к 2030 году можно будет безопасно запустить на Луну для испытаний.
Проект Fission Surface Power находится в ведении Исследовательского центра Гленна в Кливленде. Разработка энергосистемы финансируется Программой демонстрационных миссий Управления космических технологий, расположенной в Центре космических полетов им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама.
Подготовка лунной миссии идет полным ходом. Будущим астронавтам понадобятся не только энергия, но также пища и средства связи. NASA финансирует и эти направления исследований. К примеру, ученые из Университета Флориды смогли вырастить в лунном грунте крошечные растения: съедобный сорняк Arabidopsis thaliana, брокколи, цветную и брюссельскую капусту. Грунт собрали в ходе миссий «Аполлон-11», -12 и -17. (Растения, однако, оказались слабее и меньше выращенных в земной почве.) В NASA также разработали два инструмента для бурения и изучения ледяных кернов под лунной поверхностью. Они понадобятся для поиска воды в рамках миссии PRIME‑1, запуск которой запланирован на следующий год.
Корпорация Nokia получила $ 14,1 млн для разработки техзадания на построение коммуникационной сети 4G Moon. Система должна поддерживать пропускную способность, достаточную для того, чтобы космические исследователи могли передавать данные, удаленно управлять луноходами и транслировать видео в высоком разрешении.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2022