Недавно на российских сайтах появилась новость: «Роскосмос» планирует разработку орбитальной атомной станции. Невиданный космический корабль будет снабжать энергией спутники на расстоянии, передавая энергию с помощью лазерных лучей, пишет Тимофей Кондратенко для Деловой столицы.
Как сообщали «Известия», техническое задание на научно-исследовательскую работу по проекту орбитальной атомной электростанции получило Санкт-Петербургское конструкторское бюро «Арсенал». Его специалисты должны исследовать возможные варианты применения космического аппарата для решения задач направленной передачи энергии лазерным излучением. Генерировать энергию на борту станции должен атомный источник, разработка которого ведётся ещё с 2010 г. До конца 2018 г. КБ «Арсенал» должно предоставить «Роскосмосу» облик и характеристики станции, варианты её размещения на различных орбитах, схемы выведения в космос и вопросы обеспечения безопасности в случае нештатных ситуаций.
Но насколько целесообразно такое решение для современной космонавтики?
На чем работают в космосе
Работа современных космических кораблей — от спутников связи до пилотируемых аппаратов и межпланетных исследовательских станций — немыслима без электроэнергии. Уже многие десятилетия идеальным вариантом энергоснабжения спутников являются солнечные батареи. Исключение — низкоорбитальные спутники-шпионы и межпланетные станции.
Солнечные батареи низкоорбитальных аппаратов, которыми являются большая часть спутников-шпионов, быстро деградируют от взаимодействия с земной атмосферой. Кроме того, перемещаясь по низкой орбите с огромными «лопухами» электростанций, спутники тормозятся из-за трения в атмосфере, что сильно снижает их срок службы. Солнечные батареи ничего не генерируют в тени планеты, а запаса емкости аккумуляторов спутника может и не хватить на «ночной период».
У межпланетных космических станций другая проблема. Их полет проходит настолько далеко, что излучение Солнца до них практически не доходит. К примеру, в районе орбиты Нептуна настолько темно, что для сохранения эффективности площадь солнечных батарей необходимо увеличить в 900 раз по сравнению с орбитой Земли.
Поэтому для дальнего космоса атомная энергетика пока остается единственным вариантом энергоснабжения. Идея отправить в космос настоящий ядерный реактор прорабатывалась с момента начала развития космонавтики. Созданием ядерных энергоустановок для обеспечения энергией космических аппаратов занимались как США, так и СССР.
SNAP-10A
Первым в мире ядерным реактором, который успешно использовали в космосе, был американский SNAP-10A. 3 апреля 1965 г. американская ракета-носитель Atlas вывела на орбиту космический аппарат Snapshot, оснащенный этим реактором.
Тепловая мощность реактора SNAP-10A составляла 40 кВт, а вот электрическая мощность – всего около 500 Вт. Вот такой «внушительный» КПД в 1%. Предполагалось, что испытания реактора на орбите продлятся как минимум 90 дней, но аппарат прекратил свое функционирование из-за серии отказов уже на 43-й день.
Для американцев SNAP-10A остался первым и последним аппаратом с ядерным реактором, побывавшим в космосе. Однако США продолжают активные разработки в этом направлении.
«Ромашка» и «Бук»
Эксперименты с советским космическим реактором «Ромашка» начали проводить 14 августа 1964 г. Мощность была такая же, как и у SNAP-10A , а вот КПД был повыше американского аналога. Тем не менее дальше наземных экспериментов дело не пошло, и реактор «Ромашка» так никогда и не был использован в космосе.
Но уже 3 октября 1970 г. с космодрома «Байконур» был запущен космический аппарат «Космос-367», оснащенный ядерной энергетической установкой БЭС-5 «Бук» (не путать с зенитным ракетным комплексом).
Первый аппарат морской космической системы разведки и целеуказания серии УС-А находился на орбите всего 110 мин., после чего возникла серия нештатных ситуаций. По команде с Земли спутник был немедленно выведен на орбиту захоронения, так как температура первого контура реактора оказалась выше допустимой, что говорило о серьезной аварии — расплавлении активной зоны реактора. В ходе расследования обнаружили, что сборщики спутника неправильно установили термопару на реакторе.
После доработок СССР запустил и использовал 32 спутника подобной конструкции.
Последний запуск советского аппарата с ядерной энергетической установкой состоялся 14 марта 1988 г. И хотя полет прошел нормально, но от эксплуатации аппаратов с ЯЭУ было решено отказаться. С одной стороны, США и международные организации требовали от СССР «прекратить загрязнение космоса». А с другой стороны, низкие технические характеристики таких ядерных реакторов были слишком уж очевидными. К тому же энергетическая эффективность солнечных батарей постоянно повышалась.
Атомная мусорка
В чем же состоит «загрязнение космоса», если космические аппараты летают на орбитах высотой в сотни километров, а, сойдя с орбиты, сгорают в атмосфере?
Показательное событие произошло 24 января 1978 г. В этот день «Космос-954» – советский спутник-разведчик с ядерным реактором на борту – вошел в плотные слои атмосферы. «Космос-954» смог проработать в штатном режиме около месяца, а затем наземные службы управления неожиданно потеряли над ним контроль. Вывести на более высокую орбиту для захоронения его не удалось, и он начал постепенно снижаться.
Падение спутника вызвало радиоактивное заражение части Северо-Западных территорий Канады. Около сотни радиоактивных обломков упало на территорию площадью более 100 тыс. кв. км. В местах падения некоторых обломков было зафиксировано излучение в 200 рентген/ч. Советская сторона посчитала заражение незначительным, а вот американцы и канадцы сообщали о значительном радиоактивном загрязнении. Ситуацию спасло то, что территория была малонаселенная, и по счастливой случайности жертв среди населения не было.
Падение советского спутника-шпиона с ядерным реактором и радиоактивное заражение территории страны, входящей в НАТО, вызвало грандиозный международный скандал. Под давлением международных организаций правительство СССР вынуждено было официально признать факт запуска спутников с ядерными реакторами. СССР выплатил Канаде компенсацию за загрязнение территории радиоактивными остатками спутника. Сумма точно неизвестна, но, скорее всего, речь идет о цифрах от $3 до 7,5 млн.
Кроме того, СССР пришлось почти на три года отказаться от запусков подобных спутников и дополнительно усовершенствовать систему радиационной безопасности космических аппаратов с ядерным реактором. За все время использования космоса человеком число серьезных инцидентов, связанных с мирным атомом в космосе, исчисляется десятками.
Мирный атом в космосе
Несмотря на то что запуск на орбиту спутников с ядерными реакторами прекращен, атомную энергию продолжают использовать в космосе. Космические аппараты для исследования дальнего космоса, некоторые глубоководные аппараты, навигационные маяки и метеостанции, установленные в труднодоступных территориях, – все они используют радиоизотопные источники.
Главное отличие радиоизотопного источника энергии от атомного реактора в том, что в радиоизотопном источнике используется не управляемая цепная ядерная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.
По сути, такая «ядерная батарейка» состоит из активной зоны, где выделяется тепло в результате естественного распада и термоэлектронного преобразователя, который вырабатывает электричество. Радиоизотопные источники имеют предельно простую конструкцию и высочайшую надежность, несравнимую с космическими ядерными реакторами. Несмотря на более высокую мощность, космические ядерные реакторы значительно тяжелее изотопных источников. Невелик и срок службы таких реакторов — всего около года, а срок службы радиоизотопного источника – 10-50 лет.
Этот срок проверен реальным временем эксплуатации. К примеру, батарея космической станции Voyager-1, запущенной в космос в 1977 г., к 2001 г. имела 315 Ватт мощности вместо проектных 420 Ватт. За 24 года работы реальное уменьшение мощности составило всего 25%.
Однако стоимость подобных источников остается очень высокой. Радиоизотопный генератор космического аппарата для исследования внешних областей Солнечной системы New Horizons требовал для питания 11 кг плутония стоимостью около $15 млн. Правда, суммарная стоимость проекта составляла $650 млн. Так что цена топлива и генератора составляла лишь небольшую часть расходов.
АЭС на орбите
Помимо очевидных проблем с эффективностью и надежностью атомного реактора, возникает второй вопрос – как доставить энергию потребителям? Низкая эффективность атомного реактора в данном случае умножается на низкую эффективность преобразования электричества в лазерное излучение. Затем следуют потери при передаче энергии лазера на огромные космические расстояния. И наконец, прием излучения лазера и преобразование его энергии обратно в электричество.
В 2009 г. НАСА проводило конкурс на передачу энергии лазером. Первое место и приз в $900 тыс. получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку. Система LaserMotive передавала электричество с помощью лазера на расстояние в 1 км с 10% КПД.
Хоть в космосе и нет атмосферы, которая вызывает рассеивание луча, но расстояния там точно будут совсем другие. Для передачи энергии посредством лазера необходима прямая видимость между передатчиком и приёмником, а также четкое позиционирование луча. Спутники постоянно нуждаются в коррекции их орбит, а для эффективной работы по передаче энергии нужно будет корректировать не один спутник, а целую группировку. Кроме того, если такая АЭС откажет, она «выключит» сразу несколько спутников.
Эксперты инициативы «Роскосмоса» оценивают очень скептично. «Что проще: поставить на спутник традиционные солнечные батареи или обеспечивать взаимное маневрирование двух аппаратов для удержания лазерного луча?» – отмечает научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев. Потери электроэнергии при преобразовании ее в световой луч, а затем обратно будут настолько велики, что технология окажется экономически невыгодной. С учетом постоянного урезания бюджетов «Роскосмоса», подобные разговоры – не более, чем попытка «побряцать оружием», напомнить о том, что Россия все-таки космическая держава. И испугать мир «русским медведем с ядерной бомбой», грозящим всему цивилизованному миру из космоса.
