Если человечество в будущем планирует регулярно летать на другие планеты и жить в космосе, то ему предстоит решать проблему электроснабжения. Сейчас для этой цели используются преимущественно солнечные батареи и радиоизотопные генераторы. Однако в будущем нам может понадобиться что-то гораздо более мощное.
Электричество в космосе
Техника, которую мы используем ежедневно на Земле, в более чем 90 процентах случаев требует электрической энергии для своего функционирования. Будь то холодильник, смартфон или аппарат для проведения компьютерной томографии — все они нуждаются в подключении к источнику тока.
На Земле с этим проблем нет. Большая часть электрической энергии производится мощными электростанциями, которые централизованно добывают ее из текущей воды, дующего ветра, солнечного света, поступающего на Землю, и ископаемого топлива, химического или ядерного.
Эта энергия распределяется между потребителями электросетей. Но в космосе ничего подобного нет. При этом нет не только розетки, подсоединенной к электросети, но и самих воды, ветра и полезных ископаемых. Все, что есть — это солнечный свет и то, что астронавты могут взять с собой.
Энергии это дает мало. Мощности солнечных батарей среднего космического корабля вряд ли хватило бы для того, чтобы зарядить пылесос. Однако астронавты научились довольствоваться и таким ее количеством. Но в будущем все должно измениться из-за того, что космические корабли потребуют гораздо больше энергии.
Как устроены солнечные панели?
Самый распространенный способ добывания энергии на космических аппаратах сегодня — использование солнечных панелей. Эти устройства работают, используя фотоэффект. Он заключается в том, что кванты электромагнитного излучения при попадании в материал передают свою энергию электронам, и те оставляют свои орбитали и начинают двигаться материалом.
Конечно, происходит это не во всех материалах, а только в полупроводниках с n-p переходом. Если такой является частью электрической цепи, то возникает ток, который может питать. Никаких расходов топлива при этом не возникает. Пока есть солнечный свет, есть электрический ток.
Проблема лишь в том, что коэффициент полезного действия у солнечных панелей достаточно невелик. Солнечный свет, падающий на поверхность этих батарей площадью 1 м2, имеет мощность 1367 Вт/м², если они находятся на орбите Земли. Однако электрический ток, который будет производить это устройство, будет иметь мощность всего 130 Вт. Это немного больше, чем требует одна лампа накаливания, или 12 светодиодных ламп той же мощности.
Инженеры постоянно пытаются повысить КПД солнечных панелей, но очевидно, что даже если удастся повысить его до 30–40 процентов, для производства большого количества энергии они должны будут иметь просто гигантские размеры.
Правда, чем ближе к Солнцу, тем выше плотность энергии в его излучении. Уже на орбите Венеры те же солнечные панели смогут производить в несколько раз большую мощность, чем на орбите Земли. На космических кораблях и станциях, которые будут работать в будущем во внутренних областях нашей системы, солнечные панели будут использоваться еще достаточно долго.
Но большая часть объектов в Солнечной системе находится еще дальше, чем Земля. И плотность энергии Солнца там еще ниже, чем на Земле. Для таких мест нужно искать какие-то другие источники электрического тока.
Аккумуляторы и топливные элементы
Одним из решений, применяемых сейчас, являются аккумуляторы. Работают они так же, как и те, которые применяются на Земле в мобильных телефонах и электромобилях. Только в полете они, конечно же, разряжаются. Поэтому используют их в основном на небольших аппаратах с коротким временем функционирования.
Похоже, но все же лучшее решение представляют собой топливные элементы. Эти устройства превращают энергию химических реакций в электрический ток с помощью термоэлементов, в которых движение электронов возникает вследствие нагревания. Наиболее перспективными выглядят водородно-кислородные аппараты благодаря большому количеству тепла, выделяемого в этой реакции, и нетоксичности компонентов.
Сами по себе топливные элементы небольшие. Однако и выход электроэнергии из них достаточно скромный. Именно поэтому для длительной работы они должны иметь большие емкости с топливом и окислителем, а в случае с водородом и кислородом эти баки должны быть оборудованы холодильной установкой.
Теоретически эта конструкция может быть эффективной на других планетах, где при наличии соответствующего оборудования можно будет пополнить запасы топлива и окислителя. Однако пока эта конструкция не пользуется популярностью из-за невысокого соотношения массы, которую приходится поднимать в космос, к добываемой мощности.
РИТЭГ
Когда речь идет об исследовании отдаленных от Солнца планет, самым популярным решением являются радиоизотопные термоэлектрогенераторы (РИТЕГ). Идея такого устройства достаточно проста. Надо только взять радиоактивный материал, который самопроизвольно излучает энергию, и поместить его внутрь термоэлемента, используемого в топливных элементах. Таким образом можно напрямую преобразовывать радиацию в электрический ток.
Правда, само радиоактивное вещество должно обладать определенными характеристиками. Лучше всего будет, если его распад происходит с образованием α-частиц, хотя и β-радиоактивные элементы тоже годятся. Кроме того, энергии такой материал должен выделять много, но ее активность со временем не должна падать вследствие слишком короткого периода полураспада. К тому же в результате реакции не должно выделяться много нейтронов и гамма-частиц, которые трудно задержать в корпусе РИТЭГ, чтобы они не несли огромного ущерба людям.
Лучше всего для строительства РИТЭГ подходят плутоний-238, стронций-90 и кюрий-244. Неплохо себя показали полоний-210 и америций-241. Проводились эксперименты и с другими радиоактивными материалами.
Чаще всего в космических РИТЭГ используется именно плутоний-238, точнее, его оксид. От таких устройств питались аппараты Viking, Voyager, Cassini, New Horizones и роверы Сuriosity и Perseverance. Причина такой популярности заключается в том, что этот материал практически не излучает нейтронов и γ-квантов. Благодаря этому он не нуждается в тяжелом экране для защиты научного оборудования от радиации.
Плутоний-238 имеет период полураспада 87 лет и небольшое, но достаточное энерговыделение, позволяющее РИТЭГ на его основе работать в космосе десятилетиями. Единственная проблема — его нужно производить специально.
Этого недостатка лишен стронций-90. Он является отходом ядерной энергетики, то есть, по меркам таких материалов, чрезвычайно дешевый. Именно поэтому РИТЭГ на его основе очень любили делать в Советском Союзе. Правда, на космические аппараты его все же не ставили, ведь этот изотоп порождает мощное γ-излучение, от которого аппаратуру надо защищать невероятно толстыми и тяжелыми экранами из свинца. При этом и период полураспада, и энерговыделение у него меньше, чем у плутония-238.
Другой перспективный изотоп для РИТЭГ — кюрий-244. Его главное преимущество — высокое энерговыделение — в 6 раз больше, чем у плутония. Короткий период полураспада не может считаться большой проблемой, ведь его продуктом является тот же плутоний-238, то есть электрогенератор на нем со временем не теряет мощность полностью, а лишь снижает ее.
Настоящими препятствиями на пути применения в космосе РИТЭГ на основе кюрия-244 является его высокая стоимость и высокий шанс спонтанного деления, в результате которого высвобождается огромная куча нейтронов и γ-квантов. Поэтому электрогенерирующие элементы на его основе приходится помещать внутрь свинцовых контейнеров с толщиной стенки в 10 см.
Также еще в конце 1950-х годов в США разрабатывался РИТЭГ на основе полония-210. Этот изотоп имеет фантастическое энерговыделение в 140 Вт/ч и чистый α-распад, из-за чего не требуется экранирование.
Следует отметить, что даже плутониевые РИТЭГ могут считаться безопасными достаточно условно. Постоянное пребывание рядом с ними может крайне негативно отразиться на здоровье человека. Однако пока другой альтернативы для миссий, в которых невозможно использовать солнечные панели, нет. Но, вполне возможно, в ближайшее время их придется найти.
Почему энергопотребление в космосе должно вырасти
Если люди начнут действительно жить в космосе, а не просто находиться там в экспедициях, то потребление электроэнергии неизбежно вырастет. Ведь до сих пор астронавты отказываются от использования многих привычных на Земле устройств, потребляющих много энергии.
Однако даже это не может стать причиной перехода на другие источники энергии, а применение новых двигателей. До сих пор для всех маневров в космосе использовались химические двигатели. Они имеют довольно низкую скорость истечения газов из сопла, поэтому расходуют топливо крайне неэффективно.
Ученые давно уже работают над заменой для них, и, вполне возможно, в ближайшие десятилетия новые двигатели будут испытаны в космосе и повлекут за собой настоящую революцию в космических перевозках, значительно ускорив полеты между планетами.
Конструкций таких двигателей создано немало, но как их не называй — плазменными, электрическими или ионными — принцип действия у них примерно одинаковый. Сначала атомы нейтрального газа превращаются в заряженные частицы — ионы, а затем выталкиваются мощным магнитным полем.
При этом этот процесс нуждается в большом количестве электрической энергии. Химические двигатели для своей работы не нуждались в ней вообще. Современные электрические двигатели, используемые для коррекции орбит спутников, требуют небольшого количества энергии, которую им могут обеспечить солнечные панели.
Однако, если необходимо разогнать для полета на Марс корабль с экипажем, то никаких солнечных батарей или РИТЭГ для питания его электрического двигателя не хватит. Здесь следует обратиться к другим решениям, которые до сих пор в космосе не применялись.
Ядерный реактор для космических кораблей
Решением, которое есть уже сейчас, но до сих пор не использовалось на космических кораблях или станциях, является ядерный реактор. Это не то же, что РИТЭГ, хотя источник энергии здесь тот же: тепло, выделяемое в результате ядерной реакции. Разница заключается в том, что здесь она является цепной управляемой, а не самопроизвольной.
Суть цепной ядерной реакции заключается в том, что частицы излучения от одних нестабильных атомов заставляют делиться и излучать частицы другие, и так повторяется до бесконечности, следствием чего является взрыв.
Однако часть этих ядер гелия, электронов и нейтронов можно перехватить, если ввести в массу радиоактивного вещества элементы из поглощающего их материала. Таким образом, можно поддерживать высокое энерговыделение в течение длительного времени.
Если теперь завести внутрь реактора трубы с водой, то она будет нагреваться и крутить турбину, а вращать ротор в магнитной катушке, в результате чего будет производиться огромное количество электрической энергии.
Большинство реакторов, построенных на Земле, работают на атомных электростанциях или в исследовательских центрах. Как правило, это массивные и стационарные конструкции. Однако с самого начала их использования существует идея использовать значительно меньшие устройства для того, чтобы они снабжали энергией транспортные средства.
В ХХ веке разрабатывались проекты самолетов, локомотивов и даже автомобили с ядерными реакторами. Причиной этого было то, что эти аппараты могли несколько лет двигаться благодаря одному сборнику ядерного топлива.
Правда, до практических испытаний дошли только самолеты, но в конце концов и американские, и советские военные от этой идеи отказались. Слишком уж большими оказались опасения, что авария приведет к значительному загрязнению. Да и вес самих реакторов был немалым. К примеру, на экспериментальном советском Ту-119 силовая установка весила 39 тонн.
Именно вес является основной причиной, почему возможность использования ядерных реакторов в космосе оставалась чисто теоретической. Мало какая ракета могла бы вывести на орбиту реактор, не говоря уже об аппарате, который он должен питать.
Тем не менее ядерные реакторы уже много лет успешно используются для обеспечения движения надводных кораблей и подводных лодок. А компании разрабатывают все новые и новые компактные модели, вес которых постоянно уменьшается.
Например, Mitsubishi Heavy Industries планирует уже в этом десятилетии показать грузовик, который будет получать питание от ядерного реактора. Rolls-Royce разрабатывает компактный источник энергии непосредственно для лунной базы.
Так что вполне возможно, что в будущем ядерные реакторы станут привычными в космосе. Правда, для этого придется решать проблему погрузки и выгрузки из них топлива, а также утилизации радиоактивных отходов. Это не та проблема, которая может сделать использование подобных силовых установок невозможным, однако она может значительно усложнить их эксплуатацию.
Еще одной проблемой, которая усложнит эксплуатацию ядерных реакторов в космосе, может быть их отсутствие на других небесных телах. По крайней мере, пока за пределами Земли достаточных залежей урана не обнаружено. Может быть, их найдут в будущем, а может, топливо, хоть и раз в несколько лет, но все же придется завозить с Земли.
Термоядерный синтез
Именно поэтому в качестве источника энергии для космоса давно уже рассматривается термоядерный синтез. Его основные принципы известны уже достаточно давно и его даже удалось реализовать в водородной бомбе, однако управляемая реакция, способная крутить турбины и вырабатывать электрический ток, уже несколько десятилетий не удается физикам всего мира.
Удержать плазму при температуре в миллионы градусов достаточно долго очень сложно и требует поначалу потратить большое количество энергии. В 2022 году ученые из Ливерморской национальной лаборатории в США сообщили, что им удалось на короткое время получить положительный баланс энергии от их установки.
Однако о стабильной выработке тока термоядерным реактором пока речь не идет. Ученые не могут даже установить, какой тип установок в конце концов может оказаться успешным. Традиционной их конструкцией является токамак, что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитной катушкой». В реакторах этого типа плазма действительно находится внутри камеры, по форме напоминающей бублик, и нагревается с помощью тока, протекающего через него и создающего сдерживающее магнитное поле.
Развитием этой конструкции является стелларатор. Его камера также имеет форму бублика, или тора, однако удержание и разогрев плазмы в ней осуществляется с помощью более сложной системы магнитных катушек. Через плазму ток при этом не проходит.
Однако ученые в Ливерморской лаборатории получили положительный результат на реакторе совсем другого типа — инерционном. В нем сферическая «таблетка» термоядерного топлива находится внутри камеры, в которой ее со всех сторон сжимают и нагревают мощные лазеры.
Но и это вовсе не означает, что наиболее перспективна именно конструкция инерционного реактора. Ведь до практического применения там тоже далеко, как и в случае токамаков. И вполне вероятно, что следующий прорыв будет получен именно на них.
Между тем часть ученых вовсе не уверена, что вообще надо пытаться получить такие невероятные значения температуры и плотности, которые использовались в последних экспериментах. Вместо этого они предлагают достичь необходимых параметров за счет тонкой подстройки магнитных полей во время разогрева плазмы в тороидальной камере. Правда, для того, чтобы управлять этим процессом, понадобится очень мощный искусственный интеллект.
Термоядерный реактор в космосе
Хотя ученые пока не могут построить действующий термоядерный реактор на Земле, инженеры уже задумываются о том, как применить его в космосе. Причина этого даже не в том, что термоядерные реакции эффективнее ядерных. Главная причина — в топливе.
В отличие от урана, водород и гелий встречаются практически всюду. А в лунном реголите даже можно встретить изотоп гелия-3, почти невозможно найти на Земле. А он является главным компонентом самой перспективной из всех термоядерных реакций, которая может дать больше энергии.
Именно термоядерные реакторы лучше всего подходят для использования в космосе. В конце концов даже продукты их работы не нужно как-то особым образом утилизировать.
Правда, у этих установок будет достаточно проблем даже после того, как удастся заставить их стабильно работать. Первая из них заключается в том, как загрузить новое топливо в реактор в процессе его работы. Нужно ли его при этом останавливать? Пока у ученых нет ответа на этот вопрос.
Также до сих пор не решена проблема большого количества нейтронов, которые рождаются в экспериментальных установках. Они бомбят корпус реактора и оборудования и способствуют выходу из строя.
Скорее всего, «энергетическая революция» в космосе если и произойдет, то не в ближайшие годы. Пока новые миссии будут довольствоваться более эффективными РИТЭГ и солнечными панелями. Появление на орбите ядерных и термоядерных реакторов — вопросы следующих десятилетий.
Однако уже сейчас можно сказать, что все это время, пока люди искали эффективный источник электрической энергии для космоса, не прошло зря. Инженеры использовали его для того, чтобы научиться использовать его настолько эффективно, насколько это возможно.
В будущем это умение явно пригодится. Ведь какими бы мощными ни были космические реакторы будущего, экономия их энергии всегда будет актуальна. Да и на Земле соответствующие технологии также могут найти свое применение.
