NASA + Ключи

Космический корабль, использующий ядерную двигательную установку, как в этой анимации, может сильно сэкономить время и топливо, необходимые для межпланетных путешествий. Анимация: NASA

Именно расщеплённый атом является краеугольным камнем на пути человечества к Марсу.

Вдали от Земли, будь то в вакууме или же на другой планете, электричество — это жизнь.

Наличие постоянного и высокого напряжения необходимо как для работы компьютеров и двигателей, так и для обеспечения доступа к базовым потребностям, таким как свет и тепло, воздух для дыхания и питьевая вода, а также приготовление и даже выращивание пищи. И один из самых эффективных и надёжных способов получить все эти жизненно важные киловатты — это ядерное деление — то, о чём первопроходцы астронавтики знали задолго до первых полётов в космос (или создания ядерного оружия, если уж на то пошло).

Тем не менее, спустя более чем 60 лет с начала космической эры, использование ядерного деления в космических аппаратах остаётся в основном мечтой. Однако теперь, когда NASA развивает свою программу «Артемида», наследницу «Аполлона», по строительству обитаемого лунного аванпоста (с прицелом на возможный полёт людей к Марсу), сочетание соответствующих технологий, финансирования и политической воли готово превратить космические ядерные реакторы в обыденную реальность.

В 2020 году Белый дом дал NASA 10 лет на осуществление планов по доставке 10-киловаттной ядерной энергетической установки на поверхность Луны. В настоящее время руководство агентства отдаёт этому проекту приоритет. А в июле 2021 года Конгресс выделил NASA 110 миллионов долларов на разработку новой ядерной ракеты, подходящей для отправки грузов и экипажа в межпланетные путешествия. Хотя космическое агентство даже и не просило финансирования.

Причина такой внезапной срочности проста: без ядерной энергетики заявленная цель NASA по созданию базы на Луне к концу десятилетия — не говоря уже о том, чтобы достичь Марса — становится трудновыполнимой, если вообще достижимой.

Самое удивительное, что для создания ядерного реактора, предназначенного для космических полётов, не требуется никаких фундаментальных технологических прорывов (на самом деле США уже имели дело с соответствующей технологией — хоть пока и только один раз — при разработке и запуске Военно-Воздушными Силами рабочего прототипа в 1965 году). Гораздо труднее ориентироваться в сложной паутине правил, которые окружают всё, что связано с ядерной сферой, и в том, чтобы гарантировать, что любой выбранный подход к внеземной ядерной энергетике не будет без необходимости ограничивать NASA только лунной поверхностью или же любым другим уединённым пунктом назначения в дальнем космосе. В идеале же мощь атома нужно использовать не только для пилотируемых миссий на Луну и Марс, но и для роботизированных исследований Солнечной системы.

«Цель состоит в том, чтобы убедиться, что используемый нами на Луне ядерный реактор также непосредственно применим и на поверхности Марса», — говорит Майкл Хаутс, руководитель ядерных исследований в Центре космических полетов NASA им. Маршалла.

Деление, объясняет он, довольно простой процесс. «Это в буквальном смысле поиск правильных материалов в правильной сочетании, — говорит Хаутс. — Вот почему, как только они были обнаружены, у нас очень быстро появились системы, способные самостоятельно поддерживать цепную реакцию». Это полностью отличается от радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов), которые питают марсоходы NASA, посетивший Плутон космический аппарат «Новые горизонты», а также космический аппарат «Вояджер», который сейчас находится в межзвёздном пространстве. РИТЭГи просто преобразуют выделяемое при естественном распаде плутония тепло, в электричество. Ядерные же реакторы гораздо более мощные и универсальные: они расщепляют атомы из уранового топлива и направляют высвобождаемую энергию на двигательную установку и производство электроэнергии. «Не нужны никакие прорывы в физике, не нужны чудеса. Но, как и в случае с наземными системами, без качественной инженерной проработки тут не обойтись», — говорит Хаутс.

Иллюстрация энергетической системы, основанной на ядерном делении и развёрнутой на поверхности Луны. Изображение: NASA

Запоздалый гигантский скачок

NASA ничего публично не говорит о сроках по программе освоения Марса человеком, но со времени президентства Джорджа Буша-младшего агентство неуклонно работало над пилотируемой миссией на Красную планету к концу 2030-х годов. В 2020 году NASA обратилось к национальным академиям наук, инженерии и медицины с просьбой изучить технические проблемы, достоинства и недостатки ядерных двигателей, уделив особое внимание предполагаемому запуску грузового корабля с подобной технологией на Марс в 2033 году, за которым последует пилотируемая миссия в 2039.

С точки зрения логистики подобная миссия практически не претерпела изменений с 1950-х годов. За три года до того, как полёт Юрия Гагарина превратил человечество в космический вид, предшественник NASA, Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию, начал официальное исследование ядерных двигателей для реализации пилотируемой марсианской программы. Это исследование проводилось в рамках плана по осуществлению 420-дневной экспедиции, 40 из которых предполагалось провести на поверхности Марса. Другие, более амбициозные предложения включали в себя более длительное пребывание на Красной планете, растянувшееся бы примерно до 500 дней, но всё же традиционный план миссии оставался доминирующим видением пилотируемого исследования Марса, частично обусловленного небесной механикой и попросту возможностями по жизнеобеспечению: для экономии топлива, как Земля, так и Марс должны быть правильно расположены на своих орбитах относительно друг друга. Но и даже по технологическим причинам люди пока ещё не готовы перерезать земную пуповину и по-настоящему поселиться в космосе.

Человеческое тело может справиться с этим путешествием, о чём свидетельствуют данные, полученные от наблюдения за экипажами, живущими и работающими на космических станциях на низкой околоземной орбите в течение десятилетий. Нынешний рекорд по продолжительности непрерывного пребывания в космосе принадлежит космонавту Валерию Полякову. Благодаря интенсивному режиму тренировок он смог самостоятельно выбраться из своей капсулы после приземления, несмотря на то, что провёл 437 дней в истощающей мышцы микрогравитации на борту советской космической станции «Мир». Сообщается, что после возвращения на Землю первыми словами Полякова своему коллеге-космонавту были: «Мы можем полететь на Марс».

Текущий план NASA состоит в полёте на Марс и обратно примерно за два года. И ядерная двигательная установка станет ключом к успеху этой миссии. В дополнение к увеличению количества возможных пилотируемых экспедиций, такая установка уменьшит число необходимых запусков ракет для заправки корабля на орбите Земли.

А потребности в топливе весьма значительны. Международная космическая станция, кропотливо построенная с помощью более чем трёх десятков запусков за десятилетие, весит примерно 420 метрических тонн. Химическая двигательная установка, необходимая для полёта на Марс и обратно, потребует очень дорогостоящей задачи по запуску с Земли от двукратного до почти десятикратного тоннажа такой станции. Также необходимо учесть, что самая мощная из ракет NASA — Space Launch System (SLS), которой ещё только предстоит совершить свой первый полёт, — может доставить в космос всего 95 тонн по цене 2 миллиарда долларов за запуск.

Если — или когда — SLS будет заменена более мощными и экономичными ракетами, такими как разрабатываемый SpaceX многоразовый космический корабль Starship, предельная масса одного запуска увеличится до более чем 100 тонн, а его стоимость должна резко упасть. Но даже в этом случае финансовые затраты марсианской миссии, использующей химическое топливо, всё равно будут пугающими.

С другой стороны, аналогичная миссия к Марсу с использованием ядерной силовой установки потребует отправки общей массы от 500 до 1000 тонн. Запуск в космос эквивалента одной космической станции — может быть, максимум двух — вполне возможен. Ведь мы делали это и раньше.

Трудные решения

В настоящее время NASA разрабатывает не один, а сразу два варианта атомной ракетной техники: ядерный тепловой и ядерный электрический двигатели. Любой из этих подходов может сочетаться с традиционной ядерной энергетикой — третьей ключевой технологией ядерного деления, изучаемой космическим агентством.

Две иллюстрации концепций ядерных двигателей NASA. Агентство разрабатывает технологии для космических кораблей с использованием ядерной электрической тяги (вверху) и ядерной тепловой тяги (внизу). Изображения: NASA

Ядерная тепловая тяга, предназначенная для межпланетных путешествий, по сути, будет представлять собой буксир или транспортную ступень — небольшую ракету с ядерным двигателем, которая будет стыковаться с другими транспортными элементами на орбите, прежде чем толкать свою отдельно запускаемую полезную нагрузку к точке назначения.

Такое устройство работает во многом как химическая двигательная установка, хотя камера сгорания — где ракетное топливо и окислитель смешиваются и воспламеняются, производя горячий выхлоп, выбрасываемый из сопла ракеты — заменена ядерным реактором, который нагревает криогенное топливо, выбрасывая его через сопло для создания тяги. Внешне всё выглядит практически идентично: ракетный двигатель, из сопла которого вырывается пламя.

С другой стороны, ядерная электрическая тяга работает во многом как атомная электростанция на Земле, в которой реакции деления используются (через промежуточный этап, такой как приведение в действие турбины) для выработки электроэнергии. Это электричество, в свою очередь, может питать двигательную установку, аналогичную (но гораздо более мощную) ионным двигателям, функционирующим на солнечной энергии – как у космического корабля NASA Dawn, который исследовал астероид Веста и карликовую планету Церера.

У каждого подхода есть свои нюансы. Самая большая проблема ядерных тепловых двигателей заключается в том, что в них применяется высокопроизводительный реактор, работающий при температуре, около 2500 градусов по Цельсию, что весьма нервирует астронавтов и инженеров-материаловедов. Реактору также потребуются огромные объёмы криогенного топлива, которое, вероятно, будет перекачиваться из особых резервуаров на орбите Земли, что само по себе сопряжено с серьёзными инженерными проблемами. Но этот подход имеет и положительную сторону: «Двигатель должен будет проработать всего несколько часов, — говорит Хаутс. — Он выполнит всю свою работу очень быстро». После этого космический корабль наберёт полную скорость, необходимую для полёта на Марс или же домой.

Ядерные электрические двигатели, в свою очередь, работают при более низких температурах и уровнях мощности, но они должны функционировать непрерывно в течение месяцев или даже лет, развивая со временем фантастические скорости. Это во многих отношениях более сложная система, чем её тепловой аналог. И гораздо менее проработанная: расчётные уровни производительности для ближайших реализуемых проектов намного ниже той, которая была бы необходима для пилотируемой миссии на Марс. Энергия, вырабатываемая реактором ядерной электрической двигательной установки, должна многократно преобразовываться (вместо того, чтобы просто поглощаться и рассеиваться при помощи топлива, выбрасываемого из сопла ракеты). Эти преобразования могут быть выполнены на данный момент лишь с эффективностью в диапазоне от 30 до 40 процентов.

С остальной частью этой тепловой энергии тоже нужно что-то делать: современные технологии предполагают установку массивных радиаторов для рассеивания избыточного тепла в космос. Ядерно-электрическому космическому кораблю также потребуется короткий резкий импульс с использованием старомодной химической тяги, чтобы помочь ему уйти с орбиты Земли, и ещё один, чтобы войти или же покинуть орбиту Марса.

Прошлое и будущее

Отчасти из-за своей относительной простоты ядерный тепловой двигатель является явным фаворитом как среди разработчиков марсианских миссий, так и среди американских политиков. Именно этот подход получил одобрение Конгресса в июле 2021 года (в рамках которого были выделены 110 миллионов долларов) и который в отчёте Национальной академии, спонсируемой NASA, отмечен как наиболее реалистичный для осуществления пилотируемой миссии на Красную планету в 2039 году.

Преимущество ядерных тепловых двигателей также состоит в наличие большого опыта по их созданию: правительство США, а главным образом Министерство обороны, с самого начала космической эры упорно пыталось заставить эту технологию работать. Одна из первых смелых попыток восходит к проекту Военно-Воздушных Сил США 1955 года, известному как Project Rover, в рамках которого военные стремились построить ядерную тепловую верхнюю ступень для межконтинентальных баллистических ракет. Но вскоре оказалось, что для их целей достаточно обычной химической тяги, поэтому проект Rover был поглощен NASA, где получил аббревиатуру NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Также в конце 1950-х годов министерство обороны начало работу над программой SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) по запуску космических ядерных реакторов для длительных миссий – например, с использованием спутников-шпионов.

Прототип узла ядерного ракетного двигателя (слева) и его алюминиевый корпус (справа) незадолго до наземных испытаний в Джекасс-Флэтс, штат Невада, в рамках проекта NERVA. Фотография: Alamy Stock Photo

Оба проекта достигли впечатляющих результатов. SNAP привёл к запуску под эгидой ВВС США в 1965 году SNAP-10A, единственного американского ядерного реактора, когда-либо отправленного в космос. Реактор проработал на орбите шесть недель. Тем временем в рамках проекта NERVA успешно разработали и испытали ядерные тепловые ракеты на Земле. Эта программа какое-то время занимала центральное место в планах NASA по исследованию Марса после «Аполлона». Но вместо этого администрация Никсона решила заняться «Шаттлом» и отменила эти оба перспективных проекта в 1973 году. NERVA был ненадолго возрождён в конце 1980-х в рамках программы космических ядерных тепловых двигателей благодаря усилиям ВВС США, но к началу 1990-х интерес к нему снова угас.

В течение недолгого времени внимание NASA привлекал и ядерный электрический двигатель. В 2003 году инициатива под названием Project Prometheus объединила NASA, ВМС США, заинтересованные в развитие своего проекта реакторов подводных лодок, и Министерство энергетики — на этот раз для создания флота ядерных электрических двигателей для научных миссий. Ядерное деление позволило бы одному космическому кораблю исследовать несколько целей во внешней части Солнечной системы и даже за её пределами, где скудный свет от нашего светила сильно ограничивает потенциал использования солнечной энергии. Project Prometheus был бы не иначе как революционным: его реактор производил бы 200 киловатт энергии для двигателей и приборов космического корабля (для сравнения, зонд «Новые горизонты» потребляет всего 200 ватт энергии, то есть мощность двух или трёх ламп накаливания). Однако NASA закрыло этот проект через два года, сославшись на проблемы с бюджетом.

Можно подумать, что все эти прошлые проекты должны были бы стать огромным толчком для сегодняшнего развития атомной ракетной техники, но их большое разнообразие не позволит воспользоваться этими наработками в полной мере.

«Исторически сложилось так, что если вы потратите три или четыре года на разработку ядерной двигательной установки, а затем остановитесь и вернётесь к своим наработкам через десятилетие, вам придется заполнять множество пробелов, — говорит Шеннон Брэгг-Ситтон, ведущая инженер-ядерщик Национальной лаборатории Айдахо и соавтор отчёта Национальной академии. — Тот факт, что мы изучаем обе эти системы с 1950-х годов, не означает, что у нас есть 70-летний опыт и знания. Это лишь значит, что мы начали их проработку в то далёкое время, и немного продвинулись в каждом из этих проектов».

Условная расчётная дата NASA (2039 год) для пилотируемой миссии на Марс может показаться настолько далёкой, что кажется, будто необходимости в срочных мерах нет, однако Брэгг-Ситтон говорит, что время обманчиво.

Предварительный план предусматривает запуск грузовых миссий с ядерными двигателями шестью годами ранее – в 2033-м Они предназначены для предварительной доставки материалов на Марс и отработки технологий пилотируемых запусков. «Нам нужно быть готовыми к тому, чтобы запустить нашу первую систему для квалификации с этими миссиями снабжения, — говорит она. — Ну, теперь сроки не столь далёкие, как это казалось изначально!». В идеале, объясняет Брэгг-Ситтон, тестовые аппараты для запуска в 2033 году должны быть готовы к 2027 году. Это означает, что настало время принимать важные решения, главным из которых является сравнение и выбор между ядерным тепловым и ядерным электрическим двигателем.

«Нельзя разработать ядерный ракетный двигатель за год или два, тут ничего не поделаешь, — заключает она. — Но всё это вполне реализуемо. Просто лишь нужно уделить побольше внимания этой стороне проекта».

Но сначала кто-то должен принять волевое решение по запуску самого проекта в работу.

Ставка на Draco

Оказывается, получить разрешение на запуск ядерных материалов в космос не менее сложно, чем построить готовый космический ядерный реактор или ракету. В особенности, если ваша установка работает на высокообогащённом уране, то есть на уране, состоящем на 20 или более процентов из делящегося изотопа урана-235. Только 1 процент встречающегося в природе урана на Земле обладает нужными свойствами, что весьма ценится разработчиками боеголовок и инженерами космических кораблей, стремящимися сделать свои творения как можно более лёгкими и мощными. Чем больше урана-235 в ядерном топливе, тем меньшего размера получится реактор или же бомба, именно поэтому этот материал подлежит столь строгому контролю.

Но даже ядерная полезная нагрузка без высокообогащённого урана сталкивается с огромными препятствиями, которые необходимо преодолеть, а именно с головоломным процессом анализа безопасности, который часто включает в себя множество других федеральных агентств и завершается одобрением или же отклонением запуска лично администратором NASA. Однако если ракета несёт высокообогащённый уран, её можно запустить только после официального разрешения Белого дома. Дополнительные требования, связанные с получением разрешений от столь вышестоящих инстанций, могут запросто сдвинуть сроки проекта на несколько лет и увеличить его бюджет на десятки миллионов долларов.

Но если найти способ избежать использования высокообогащённого урана, можно обеспечить гораздо более быстрый и дешёвый путь к началу стартовых испытаний. На самом деле существуют новые конструкции передовых реакторов значительной мощности, в которых используется большое количество низкообогащённого урана, вместо гораздо меньшего объёма высокообогащенного. Но будет ли NASA в конечном счёте придерживаться именно такого подхода к своим ядерным проектам?

Это зависит от другого федерального органа: Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) хочет запустить один из этих новых реакторов в космос к 2025 году, чтобы привести в действие испытательную ядерную двигательную установку — такие сроки были бы чересчур стремительными даже по стандартам программы «Аполлон». DARPA назвало эту систему DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Таинственное происхождение этой программы связано с требованием Министерства обороны, чтобы некоторые из его секретных аппаратов имели возможность маневрировать в космосе быстрее, чем это было бы возможно с помощью химического двигателя.

В случае с этим проектом DARPA преследует несколько целей: Управление стремится как можно быстрее запустить готовый аппарат в космос, используя новый тип реактора и сводя к минимуму наземные испытания, тем самым обходя процесс утверждения запуска на уровне президента и неповоротливую бюрократию. Столь агрессивная стратегия возникла из-за сформировавшегося в NASA мнения о том, что такие тесты сейчас практически невозможно провести из-за запретительных правил и неадекватной инфраструктуры.

Нельзя, например, просто обновить и начать использовать специализированные полигоны, где проводились испытания в рамках проекта NERVA — они были уничтожены, когда программа завершилась. Строительство же новых испытательных полигонов также нежелательно, поскольку для этого потребуются миллиарды долларов и несколько лет работы, в течение которых проект может легко сорваться из-за смены политических приоритетов. Хотя ускоренный план DARPA и предусматривает надёжные наземные испытания более мелких компонентов DRACO, он не включает в себя тестирование всего реактора на полной мощности. Поразительно, но первый раз реактор DRACO запустится сразу же в космосе.

«Работа реактора будет полностью основана на наших расчётах, — говорит Табита Додсон, руководитель проекта DRACO в DARPA. — Мы собираемся использовать множество теоретических прогнозов в нашем моделирование и симуляции перед запуском двигателя, даже без наземных испытаний». По словам Додсон, данные, полученные после прошлых тестов NERVA, должны помочь, но задача, стоящая перед командой DRACO, остаётся «чрезвычайно сложной».

Как отмечает один из менеджеров DARPA – майор ВВС Натан Грейнер –после более чем полувека запусков и приостановки различных проектов запуск ядерного реактора станет решающим фактором. «Давайте всё же дойдём до финиша — не просто испытания небольших элементов устройства, не просто реактор на земле, но, без шуток, построим космический аппарат и отправим его в космос», — говорит он. Столь веское «экзистенциальное доказательство» затем облегчило бы обоснование любых будущих проектов под эгидой NASA или же Министерства обороны, требующих одобрения Конгресса. Риторика сместится с тезиса о принципиальной возможности существования конкретной технологии к простому вопросу «хотите ли вы её или нет?».

Технические специалисты работают на испытательной установке (в центре) в рамках подготовки к запуску в апреле 1965 года SNAP-10A – единственного на данный момент американского ядерного реактора,отправленного в космос. Новая инициатива США под эгидой программы DARPA — DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) – направлена на запуск второго ядерного реактора к 2025 году. Фотография: George Rinhart | Corbis via Getty Images

А теперь о серьёзном

Конечно, в одиночку DARPA не сможет совершить революцию в области космических полётов. Создание ядерного двигателя для освоения космоса — это общегосударственная работа. Как минимум, Министерству энергетики потребуется производить больше низкообогащённого урана. То или иное агентство — а скорее всего, несколько таких, работающих вместе — должны будут разработать орбитальные хранилища для обеспечения космических миссий криогенным топливом и найти лучшие и более безопасные способы проведения наземных испытаний двигательных установок для межпланетных перелётов. И уже тогда NASA сможет строить ракеты.

По словам Грейнера, DRACO не поможет доставить астронавтов NASA на Марс, однако большая часть пути туда станет возможна именно благодаря этой технологии.

По крайней мере на сегодня стремление к ядерной энергетике в космосе — показатель серьёзности лунных и марсианских амбиций NASA и страны. В контексте пилотируемых космических полётов агентство испытывает хорошо известное отвращение к «новым» (и, следовательно, предположительно более рискованным) технологиям, но в данном случае «старый» способ делает и без того опасные и амбициозные устремления NASA излишне сложными.

Несмотря на все проблемы, связанные с использованием ядерной энергии для человеческой экспансии в космосе, трудно доказать, что проверенный временем химический двигатель проще или же несёт значительно меньшие физические и политические риски.

Запуск в космос общей массы, величиной в 10 международных космических станций посредством 27 стартов сверхтяжёлых ракет для доставки топлива только лишь для одной миссии на Марс будет непростым вызовом для NASA (это более 40 запусков в общей сумме и не менее 80 миллиардов долларов, если агентство будет полагаться лишь на SLS). И такой сценарий предполагает, что всё пойдёт идеально: отправка помощи экипажу, столкнувшемуся с проблемами на Марсе или же на его орбите, потребует десятков дополнительных запусков с топливом в виде полезной нагрузки. А химический двигатель даёт очень ограниченные возможности для старта любой спасательной миссии.

И если с помощью всего одной технологии это пугающе большое количество ошеломительно дорогих запусков можно было бы сократить до трёх, предоставив при этом больше возможностей для полётов на Марс и обратно, то могло ли столь амбициозное космическое агентство, как NASA, не использовать этот подход? Никаких чудес не нужно: и регуляторы и Конгресс, кажется, согласны с тем, что время пришло.

Как сказал Поляков — «мы можем полететь на Марс». И похоже, что ядерное деление теперь является самым безопасным способом достигнуть этой цели.

Источник