На ядерной тяге. Кто первым создаст скоростной космический корабль
- На заре ядерной эры
- В США обозначили сроки
- Ядерный буксир по имени «Зевс»
- Быстрее скорости света
В NASA выбрали компании, которые создадут прототипы ядерных двигателей для космических кораблей. В Европе сообщают о разработке малых модульных реакторов для межпланетного траспорта. В России на самом высоком уровне заявляют о проекте ядерного буксира. В чем преимущество этих программ перед традиционными ракетными двигателями — в материале РИА новости.
На заре ядерной эры
В середине XX века появилась идея использования ядерной энергетики в космических целях. Ученые предложили заменить камеру сгорания в ракетном двигателе на ядерный реактор, пропускать через его активную зону жидкий водород, нагревать до нескольких тысяч кельвинов и выпускать образующийся газ из сопел. Такой тип двигателя стали называть ядерным тепловым. Другой вариант — сочетание тепловой энергии реактора и электрического ракетного двигателя.
В 1960-е над ядерными двигателями активно работали во всем мире. В СССР достигли удельной тяги до 9000, в США — до 7500 метров в секунду. К тому времени стало ясно, что такого рода установки нестабильны и небезопасны, к тому же появились новые жидкостные двигатели, а перспектива полетов в дальний космос откладывалась на неопределенный срок. Американцы сконструировали и испытали 23 ядерных реактора для космоса, но ни один не запустили.
В 1986-м Чернобыльская авария почти остановила все работы в СССР. В России проекты по созданию ядерного двигателя возобновили после 2010-го.
В США обозначили сроки
В последние годы вновь пробудился интерес к созданию космического корабля с мощной энергетической установкой. Ученые предлагают самые разные проекты с использованием ядерных, термоядерных и солнечных источников энергии.
Мощные двигатели обещают доставку десятков тонн грузов на геостационарную орбиту и к Луне, новые способы избавления от космического мусора, астероидной и кометной защиты. Кроме того, они существенно сокращают время полета к Марсу и другим планетам, что делает вполне реальными пилотируемые экспедиции в дальний космос.
Три года назад в NASA заявили о намерении создать два типа ядерных двигателей — тепловой и электрический. Производителей попросили представить идеи, из которых для дальнейшего финансирования отберут лучшие.
Для исследования дальнего космоса автоматическими аппаратами достаточно существующих двигателей. Но в ближайшие десятилетия все изменится, полагают в NASA. В частности, агентство заинтересовано в пилотируемой миссии на Марс, которая включает и возврат астронавтов.
Сейчас полет к Марсу и обратно займет примерно четыре года. За это время люди получат смертельные дозы облучения. На ядерной тяге можно уложиться в два года, что существенно снизит риски для здоровья экипажа и уровень стресса от длительного опасного путешествия. На борт можно взять значительно меньше груза, кроме того, ядерный двигатель — более компактный, ему не нужна дозаправка.
Направление курирует Космический центр Маршалла NASA в штате Алабама в сотрудничестве с научными организациями. Ученые тестируют новые виды топлива для реакторов. Есть много нерешенных вопросов, например высокая температура — порядка пяти тысяч кельвинов. Для работы в таких условиях нужно создавать особые материалы.
Концепт космического буксира на ядерном двигателе NASA
В январе в СМИ просочилась информация, что NASA планирует испытать двигатель на ядерной тяге уже в 2027-му. Подключилось Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США — DARPA, которое уже привлекло к работам компании General Atomics, Lockheed Martin и Blue Origin Джона Безоса. На год на эти цели выделили 110 миллионов долларов.
В конце июля DARPA сделала выбор в пользу авиастроительной компании Lockheed Martin. Ей поручили разработать проект, прототип двигателя и ракеты, а также провести испытания. Реактор построит фирма BWX Technologies. Проект финансируется программой DRACO («Демонстрационная ракета для быстрых маневров за орбитой Луны») с бюджетом 500 миллионов долларов.
В отличие от первых проектов середины прошлого века, в нынешних будут использовать обогащенный уран вместо оружейного. Реактор необходимо включать только после выхода в космос, чтобы минимизировать последствия для Земли в случае аварии. Тестовый полет пройдет на орбите высотой 700-2000 километров. Это гарантирует, что ракета с реактором остается там минимум 300 лет, пока опасные радиоактивные элементы не распадутся.
В октбяре стало известно, что Исследовательская лаборатория ВВС США открыла еще одну программу — JETSON — для финансирования проектов по разработке орбитальных ядерных ракет. Заключены контракты с компаниями Intuitive Machines (их посадочный модуль ожидает запуска к Луне в декабре этого года ), Lockheed Martin и Westinghouse Government Services, занимающихся ядерной энергетикой, на создание небольших ядерных ракетных двигателей для спутников до 2025 года.
Ядерный буксир по имени «Зевс»
Опыт эксплуатации в космосе реакторных ядерных энергоустановок есть только у нашей страны. В 1960-1980-е их испытывали на космических аппаратах серии «Космос» и экспериментальных научно-технологических аппаратах «Плазма-А».
В России более десяти лет идут работы по созданию транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Он станет основой космического буксира. В 2020-м по инициативе в то время главы «Роскосмоса» Дмитрия Рогозина его назвали «Зевсом» (вся программа называется «Нуклон»). А вскоре представили и схему.
В основе ТЭМ — длинная рама, благодаря которой ядерное топливо будет отделено максимально от основного отсека с оборудованием и людьми. Двигатель представляет собой компактный ядерный реактор, систему преобразования тепловой энергии в электрическую, систему сбора избыточного тепла, маршевые ионные двигатели мощностью до нескольких десятков киловатт и с удельным импульсом свыше семи тысяч секунд.
Готовый для космической миссии ТЭМ будут собирать и испытывать на Земле, затем в сложенном состоянии частями выведут на орбиту высотой более 800 километров, где протестируют, запустят реактор и состыкуют с модулем полезной нагрузки. Далее предстоит разгон по спиральной траектории до выхода в открытый космос, расстыковка и возврат на околоземную орбиту. Срок жизни такого двигателя — десять лет. За это время он совершит несколько полетов.
Ранее сообщали, что предварительный проект космического буксира должен быть готов к середине 2024-го.
По словам гендиректора Центра Келдыша Владимира Кошлакова, испытания капельного излучателя-холодильника для реактора «Зевса» пройдут на МКС в 2024 году. Ранее бывший первый замглавы «Роскосмоса» Юрий Урличич сообщил о разработке опытного образца ядерной энергоустановки в 2025-м. Сборку космического буксира планируют начать в 2030-м.
Во время визита на РКК «Энергия» 26 октября Владимир Путин заявил о поддержке создания ядерного буксира.
«Сейчас просто не знаю деталей, связанных с планируемым финансированием, но мы точно совершенно не бросим эту тему и обеспечим необходимым объемом денег для того, чтобы программа делалась», — сказал глава государства, добавив, что освоение дальнего космоса без этого невозможно.
Быстрее скорости света
Мощный электроракетный буксир на солнечной энергии (SEP) создают сейчас в NASA. Он легче других видов транспорта, благодаря чему его легче вывести на орбиту. Такая машина перспективна для работ в околоземном пространстве. Ее ключевой элемент — солнечная батарея площадью 800 квадратных метров и электрической мощностью 300 киловатт. Вырабатываемая в них энергия будет напрямую питать ксеноновый двигатель.
Еще одна перспективная идея — двигатель на термоядерной тяге. О работе над ним сообщали, к примеру, ученые из Университета Вашингтона. С такой установкой полет на Марс займет месяц — максимум три. Исследователи уже протестировали в лаборатории разные элементы конструкции и пришли к выводу, что в принципе создать такой источник энергии для космоса реально. Для него потребуется совсем мало топлива, главная проблема — запустить термоядерную реакцию и удержать плазму сильными магнитными полями. По сути, нужно зажечь маленькое Солнце внутри ракеты. Пока это удалось лишь на несколько микросекунд.
Концепт космического корабля с двигателем на термоядерной тяге
В июле ученые из британской компании Pulsar Fusion сообщили о постройке самого большого термоядерного двигателя размером восемь метров. Он будет создавать реактивную тягу напрямую, минуя преобразование тепловой энергии в электрическую. Такая система гораздо более эффективна и может разогнать корабль до скорости свыше 800 километров в час. Термоядерную реакцию в установке планируют зажечь в 2027 году.
Но научная мысль идет дальше. Почему бы не разогнать космический корабль до скорости света и выше? Для этого фантасты придумали варп-двигатель, использующий структуры пространства-времени, называемые варпами (пузырями). Они движутся в космосе с постоянной скоростью, сохраняя форму. Варпу требуется огромное количество энергии для перемещения. Чаще всего в качестве источника предлагают разные экзотические формы материи, например отрицательную энергию. Однако ученые из Университета Геттингена рассчитали, что можно обойтись и обычными. Теоретики уверяют: с варп-двигателем можно долететь до ближайшей к нам звездной системы Проксима Центавра за считанные годы. Причем варпы не замедляют время для людей, находящихся в космическом корабле внутри «пузыря». Время там течет так же, как и снаружи. Так что, вернувшись на Землю, путешественники будут одного возраста со сверстниками. Осталось выяснить, где взять энергию для такого двигателя.
Сравнение времени полета с разными ракетными двигателями