Рано или поздно человечество построит колонию на Марсе, и сейчас обсуждается вполне закономерный вопрос — как обеспечивать ее энергией? Ответ на него дали аэрокосмическое агентство NASA совместно с Лос-Аламосской национальной лабораторией, разработав миниатюрный ядерный реактор размером всего лишь с корзину для мусора, где его ядро — цилиндр из урана — сравним по габаритам с банкой кофе.
Проект назвали Kilopower, и этот реактор станет первым в космосе за много лет — предыдущий американский проект, SNAP 10A, датируется 1965 годом: тогда на орбиту Земли был выведен корабль Snapshot с ядерным реактором на борту. Предполагалось, что он проработает в космосе 90 дней, однако из-за проблем с ионным двигателем реактор был аварийно заглушен спустя 43 дня работы.
Особенностью реактора Kilopower является его простота: он имеет минимум движущихся деталей, и в его основе лежит технология теплопровода, которую придумали в Лос-Аламосе в 1963 году. Устройство реактора также максимально упрощено: вокруг активной зоны находится отражатель нейтронов из оксида бериллия, в который вставлены тепловые трубы. Тепло с них подается на горячие концы двигателей Стирлинга, а холодные концы подключены к холодильникам-излучателям. С учетом того, что двигателей Стирлинга несколько (4-16 штук), то получается достаточно надежный бесперебойный источник энергии.
Всего будет две версии реактора — на 1000 Вт и на 10 кВт. «Ваш тостер использует около киловатта», — говорит, смеясь, Пат МакКлюр, руководитель проекта Kilopower в Лос-Аламосе. «В домашнем хозяйстве вы используете в среднем 5 кВт в день. Однако, поймите, что для НАСА это много энергии. В НАСА используют от десятков до сотен ватт. Поэтому для нас 1 или 10 кВт — это много электричества».
Для примера, межпланетная космическая станция НАСА «Новые горизонты» потребляет всего до 240 Вт энергии, а источник питания на марсоходе Curiosity выдает и того меньше — только 120 Вт. Однако оба этих источника не являются ядерными реакторами — это так называемые ядерные батареи, которые превращают тепло от естественно разлагающегося плутония в электричество. Но плутония у НАСА осталось не так много (из-за естественного распада в том числе), да и обеспечить безопасную упаковку для плутониевой «батарейки» на 10 кВт — задача нетривиальная. И в этом и есть плюс Kilopower — он представляет собой настоящий ядерный реактор, где происходит деление урана — а его-то на Земле достаточно много, да и 10 кВт для ядерного реактора — очень маленькая величина.
«Традиционный реактор с водяным охлаждением производит гигаватт электроэнергии. Это в миллион раз больше, он очень сложен, и он разработан так, чтобы максимально эффективно использовать топливо», — говорит МакКлюр. В масштабах небольшого марсианского реактора все становится намного менее экономичным. «Но у нас есть реактор, поведение которого очень легко предсказать, он прост в эксплуатации и фактически может контролировать себя сам», — говорит он, что снижает вероятность несчастных случаев, которые могут произойти с более мощным источником энергии. Другими словами, мы не рискуем ядерным кризисом на Марсе.
«Процесс плавления топлива будет трудным, если не невозможным для реактора, который мы делаем», — говорит МакКлюр. «Он разработан так, что будет в основном выделять столько тепла, сколько от него требуется. Если произойдет поломка в системе охлаждения реактора, то просто излучится немного тепловой энергии, а реактор сам заглушится, так как для работы двигателя Стирлинга требуется разница температур».
Реактор также предназначен для работы в открытом космосе. Конечно, мы считаем температуру в космосе очень низкой, но держать реактор в вакууме непросто. Там нет материала, такого как воздух или вода, который мог бы отводить тепло от ваших генераторов. Вместо этого система опирается на восемь тепловых труб, каждая из которых заполнена примерно одной столовой ложкой натрия, который имеет высокую температуру кипения. Таким образом единственным теплоносителем в системе является натрий, то есть вся система остается замкнутой — и, значит, она не зависит от окружающих условий, что очень важно в космосе.
Насколько это безопасно?
Многие люди, увидев слова «ядерный» и «космос» в одном предложении, опасаются, что если что-то при запуске ракеты пойдет не так, ядерный источник энергии на борту может оказаться опасным для тех, кто находится внизу. «Люди всегда думают, что вы собираетесь отправить в космос Чернобыль или что-то в этом роде», — говорит МакКлюр. Реальность гораздо менее опасна. «Перед началом деления в реакторе есть лишь небольшое количество радиоактивности, потому что урана в нем очень мало. Если что-то произойдет при аварии на старте, это действительно не вызовет никаких проблем для людей», — говорит МакКлюр. Он поясняет, что, если что-то пойдет не так при старте ракеты, то разрозненные остатки урана из реактора, в котором не происходило деление, будут представлять очень малую опасности для общественности. «Пиковая доза будет гораздо меньше 1 мбэра. Для большинства людей она будет находиться в районе микробэр», — говорит МакКлюр. «Это намного меньше, чем вы получите от фонового излучения или при полете на самолете». Для сравнения, человек в среднем получает около 620 мбэр в год.
Но запуск источника питания в космос — это только первый шаг. Он также должен безопасно работать в отдаленных местах. Когда он включится — после того, как покинет атмосферу Земли — он станет более радиоактивным. Но команда спроектировала его так, чтобы реактор автоматически отключался, если есть какие-либо неполадки с питанием. И они планируют проверить его в следующем месяце в Неваде, подключив к двум двигателям, каждый из которых будет производить около 80 Вт мощности, чтобы довести реакцию деления до температуры около 800 градусов по Цельсию. «Мы отключим весь отвод тепла и покажем, что реактор не только выживет, но и останется в режиме ожидания, и, если вернуть систему преобразования энергии обратно, реактор снова начнет работать. Это продемонстрирует, что мы можем справиться с любыми нестандартными ситуациями без каких-либо проблем», — говорит Дейв Постон, главный конструктор реактора в Лос-Аламосе.
Как он будет использоваться?
«Реактор на один киловатт предназначен для дальних космических миссий, миссии на другую планету — например, на Плутон или одну из лун Юпитера. Версия на 10 кВт предназначена для глубокого космоса или колоний на Марсе. В настоящее время НАСА планирует отправить на Марс пять реакторов мощностью 10 киловатт», — говорит МакКлюр. Этого достаточно, чтобы обеспечить 40 киловатт электроэнергии, необходимые для работы марсианской базы, плюс один запасной реактор. «Марс — очень сложная среда для энергетических систем», — сказал на пресс-конференции Стив Юрчик, эксперт НАСА по космическим технологиям. «Он получает меньше солнечного света, чем Земля или Луна, на нем очень низкие ночные температуры, и у него очень интересные пыльные бури, которые могут длиться недели и месяцы, накрывая всю планету». НАСА изучало солнечные панели как потенциальный источник энергии, и они определенно не подходят — агентство ищет что-то, что может помочь поддерживать необходимые системы жизнеобеспечения. Даже когда солнце особенно слабое.
Первые реакторы приземлятся на Марсе и начнут включать автономные системы для электролиза воды — разделения ее на кислород и водород, тем самым получая топливо на обратный путь. Как только прилетят люди, реакторы можно будет использовать для работы систем жизнеобеспечения и других нужных для миссии задач. «Как бывший астронавт, я могу заверить вас, что наличие надежных источников энергии имеет решающее значение при работе выше, чем на низкой околоземной орбите», — говорит Джанет Каванди, директор исследовательского центра NASA. «И этот тип энергосистемы будет особенно важен, поскольку мы путешествуем все глубже в Солнечную систему и, в конечном итоге, исследуем поверхности других планет».