12 апреля весь мир отмечает День авиации и космонавтики - памятную дату, посвященную первому полету человека в космос. Oсвоение космоса началось в середине прошлого века с запуска первого искусственного спутника Земли. С того момента космонавтика начала развиваться стремительными темпами: первый полет человека в космос, первый выход в открытый космос, высадка на Луну, первая стыковка в космосе и так далее.

Сегодня, благодаря развитию космической техники, мы имеем глобальную спутниковую связь и телевещание, мониторим экологическую и метеорологическую ситуацию на планете, проводим дистанционное зондирование Земли с целью изучения природных ресурсов, картографии и многое другое. Современная космонавтика решает задачи информацио-телекоммуникационного обеспечения, но при этом, давняя мечта человечества - освоение дальних планет и поиск внеземных цивилизаций, пока остаеся нереализованной. И связано это, прежде всего, с тем, что возможности наращивания энергетики космического применения на старых принципах практически исчерпаны.

О вопросах решения более энергоемких задач в космосе, перспективах создания мощной энергетики, и, прежде всего, за счет использования ядерной энергии, Aysor.am рассказал ассоциированный профессор МИФИ, лауреат медали Российской академии наук Егор Задеба.

- В каких сферах освоения космоса применялись атомные технологии и где они находят применение сейчас?

- С самого начала освоения космоса при проектировании космических аппаратов (КА) применялись технологии и знания, приобретённые при развитии ядерной физики. В первую очередь это касается радиационной стойкости электронных компонент КА. На поверхности земли мы надежно защищены от частиц солнечного ветра и космических лучей атмосферой и магнитным полем Земли. Уже на низкой околоземной орбите радиационный фон на несколько порядков выше земного, в таких условиях обычные электронные компоненты выходят из строя за секунды. Создание элементной базы, устойчивой к радиации, было бы невозможно без технологий, созданных и совершенствуемых в рамках исследований в области ядерной физики.

Но наибольшую роль ядерные технологии сыграли, конечно же, в обеспечении космических аппаратов энергией. Речь идет о двух видах источников: «ядерных батарейках» РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) и орбитальных ядерных реакторах.

В первом классе устройств в аппарат устанавливается радиоактивный источник, естественный распад изотопов является постоянным источником тепла (выделяемая тепловая мощность, как правило, не превышает 1 кВт), а термоэлектронный генератор переводит тепловую энергию в электрическую. Такие устройства отличаются с одной стороны простотой и надежностью (установленные на аппаратах Вояджер электрические генераторы на плутонии-238 функционируют уже почти 30 лет), а с другой – малыми мощностью и КПД (до 7%).

В случаях, когда космическому аппарату требуется высокая мощность, на них возможно разместить компактные атомные реакторы. Советский союз достиг значительных успехов в разработке ядерных энергетических установок, ими было оснащено более 30 КА (в США испытания в космосе прошел лишь один). При тепловой мощности около 100 кВт подобные установки обеспечивали свыше 5 кВт. Такая энерговооруженность не только позволяет размещать на аппаратах мощную радиолокационную аппаратуру, но и при использовании плазменных и ионных двигателей предоставляют ему возможность перемещаться на более высокие орбиты. Перспективные ядерные установки мегаваттного класса станут полноценной заменой классических ракетных двигателей и откроют путь к освоению Луны и Марса.

Важно упомянуть, что помимо прикладных задач ядерная физика включает и фундаментальные исследования. К ним относятся все существующие орбитальные телескопы, работающие в оптическом, рентгеновском и гамма диапазонах, а также исследующие космические лучи. В настоящее время функционирует 24 космических телескопа, большая часть из которых находится на орбите Земли, остальные – на гелиоцентрических орбитах.

- Атомная энергия для космоса: почему фантастика еще не стала реальностью, какие есть преграды для создания атомных двигателей и способна ли эта выдумка получить рабочее воплощение?

- Существует широкий список перспективных и гипотетически возможных ядерных и даже термоядерных космических установок. Часть из них не разрабатывается по экологическим причинам, например, двигатели, использующие в своей основе серию ядерных взрывов, или те, в которых рабочим телом при реактивном движении является само делящееся вещество. В ядерных ракетных двигателях, использующих в качестве рабочего тела водород или иной газ, приходится запасать его большие объемы, что не проходит по ограничениям на массу.

Наиболее перспективными являются ядерные энергодвигательные установки, использующие реактор лишь в качестве источника электроэнергии, а движение в которых обеспечивается с помощью ионных или плазменных двигателей. Основными препятствиями при разработке мощных установок такого типа являются ограничение на массу выводимых космических аппаратов, требование высочайшей надежности элементов и отсутствие теплообмена с внешней средой. Если на Земле в качестве третьего контура ядерного реактора мы можем использовать крупные водные объекты, такие как озера или реки, а реактивные двигатели на основе атомных реакторов охлаждаются набегающим потоком воздуха, то в космосе аппарат находится в вакууме, теплоноситель охлаждается только за счет излучения. Это требует применения огромных холодильников-излучателей (ХИ), которые становятся самыми тяжелыми элементами ядерных установок. Около 15 лет назад революцию в области разработки орбитальных энергоустановок сделали наши ученые, предложившие использование так называемого капельного ХИ. Это установка, похожая на душ, в которой жидкий теплоноситель второго контура не циркулирует в трубах, а распыляется наружу в виде капель прямо в открытое космическое пространство, там отдает тепло, затем улавливается и проходит цикл заново. В настоящее время эта технология только готовится к испытанию на орбите.

- Какими перспективными разработками занимается российские специалисты в этой сфере?

- На сегодняшний день объявляется о двух основных направлениях работы: создание ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса (её реактором), а также разработка ряда компактных и эффективных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (объемом вплоть до 1 кубического сантиметра).

- На каком этапе работ находится ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса? И для чего ее планируют применять?

- Создание мегаваттной энергодвигательной установки должно стать колоссальным прорывом в освоении человечеством солнечной системы. Предполагается создание ряда межпланетных челноков. Их энерговооруженность и запас хода позволят без дозаправки добраться до Марса и обратно всего за 3 месяца. Для сравнения космическому кораблю с наиболее совершенным химическим двигателем до ближайшей к нам планеты придется лететь более года, но что наиболее важно, при этом ему не хватит топлива вернуться обратно!

Принципиальных препятствий для создания мегаваттной установки на сегодняшний день нет. Наибольшие сложности остаются в создании трех важнейших узлов установки. Во-первых, это турбомеханический электрический генератор, работающий при температуре 1500 градусов и скорости вращения турбины в 60000 оборотов в минуту. Подобные системы успешно функционируют на Земле, но не так просто подготовить генератор к долговременной эксплуатации без обслуживания в космосе, в условиях невесомости. Во-вторых, это система капельного охлаждения, описанная мной выше. Подобные системы никогда не применялись ранее, это наша уникальная разработка, протестировать которую в земных условиях практически невозможно. И, наконец, в-третьих, это нетривиальная задача компоновки и механизации космического аппарата, который должен умещаться под обтекателем ракеты носителя, а на орбите раскрываться в огромную и сложную конструкцию, состоящую из множества мачт и экранов, а также всеми традиционными системами ориентации, маневрирования и телеметрии.

Нет сомнений, что в случае соблюдения всех позитивных условий мегаваттная установка будет создана. Пожелаем нашим ученым и инженерам удачи и упорства, спустя полвека Луна и Марс снова оказываются под пристальным вниманием ведущих держав, и у нашей страны есть все возможности стать лидером в их освоении.