От патента 1816 года до турбин: названы ядерные варианты получения энергии в космосе

Попытки приспособить достижения атомной энергетики к космической технике предпринимались давно. К примеру, в составе разведывательных спутников, межпланетных зондов, луноходов и марсоходов используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ).

Однако они имеют низкий кпд и ограничения: самый мощный из них GPHS-RTG, которым располагают долгоживущие исследовательские аппараты «Улисс», «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и «Новые горизонты», дает 4 400 ватт тепловой мощности и всего лишь 300 ватт электрической.

В 2000 году, пытаясь повысить эффективность установок с РИТЭГ, американские инженеры предложили проект ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) — генератора, в котором используется принцип работы машины, запатентованной еще в сентябре 1816 года шотландским изобретателем Робертом Стирлингом.

В этой машине газ или жидкость двигается в замкнутом объеме за счет периодического нагрева и охлаждения. Она способна работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла, что идеально подходит для РИТЭГ.

Авторы проекта ASRG собирались построить установку с электрической мощностью 140 ватт при 500 ватт тепловой. Ожидания были высоки: новый генератор на принципе Стерлинга собирались ставить на космические аппараты для высадки на Европу, спутник Юпитера, на Титан, спутник Сатурна, для полета к Урану.

Однако инженерам не удалось стабилизировать мощность генератора: она часто и непредсказуемо менялась по величине. В конце 2013 года, после того как стоимость проекта выросла до 260 миллионов долларов, на 110 миллионов больше, чем ожидали, проект был закрыт.

Скорее всего, РИТЭГ не получат значительного развития. И проблема не в сложностях повышения эффективности, а в том, что наилучшее топливо для них — изотоп плутония-238 — стало дефицитом из-за остановки его производства в середине 1980-х годов.

Сейчас его восстанавливают, но стоимость новых генераторов будет намного выше, чем раньше, когда топлива было в избытке.

В этой связи куда перспективнее выглядит российский проект ядерного буксира «Зевс». Его конструированием занимаются с 2009 года, и скоро процесс войдет в стадию изготовления летного образца.

Схема работы энергетической установки «Зевса» довольно проста: гелий-ксеноновая смесь прокачивается через урановый реактор и после нагревания вращает турбину, соединенную с электрогенератором и компрессором, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по замкнутому контуру.

Для сброса избыточного тепла смесь далее проходит через теплообменные аппараты, которые соединены с радиаторами-излучателями. Основными потребителями энергии являются полезная нагрузка и электроракетные двигатели.

Применение турбинного способа получения электричества позволяет резко увеличить мощность — до 5–6 мегаватт. Однако в настоящее время проектируется только прототип «Зевса», рассчитанный на 0,5 мегаватта.

Он послужит для испытаний, поскольку нет полной ясности, как поведут себя все его агрегаты в космосе. Запуск прототипа запланирован на 2030 год.

Антон Первушин

Дармовая энергия: почему солнечные батареи не подходят для полетов на Марс