Концепт корабля с ядерным двигателем для быстрого перемещения по Солнечной системе.
Современные полеты на Марс — дело небыстрое: чтобы добраться до Красной планеты, потребуется от 7 до 9 месяцев. Разумеется, для большинства зондов время полета не играет никакой роли, чего не скажешь о людях: за такое время в космосе они получат ощутимую дозу радиации, будут проблемы с потерей мышечной массы, нужно будет вести с собой серьезные запасы еды, да и вообще за больше чем полгода в космосе с кораблем может случиться все что угодно.
Важно отметить, что ядерные двигатели предназначены только для межпланетных путешествий, а не для использования в атмосфере Земли. Иными словами, все равно понадобятся старые добрые химические ракеты для вывода аппарата за пределы низкой околоземной орбиты. И только после этого можно использовать ядерную двигательную установку.
Основная задача заключалась в том, чтобы сделать такие ядерные двигатели безопасными и достаточно легкими для космического полета. Новые виды топлива и конструкции реакторов, похоже, соответствуют необходимым параметрам, поскольку НАСА в настоящее время работает с партнерами по ядерной отрасли над возможными будущими пилотируемыми космическими полетами на ядерном топливе.
Быстрые полеты на Марс возможны только раз в два года, да и длятся они больше полугода. Ядерные ракетные двигатели могут это изменить.
«Ядерная силовая установка будет выгодна, если вы хотите отправиться на Марс и вернуться обратно менее чем за два года», — говорит Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий НАСА. По его словам, для реализации этой миссии «ключевой технологией, которую необходимо усовершенствовать, является топливо».
В частности, топливо должно выдерживать сверхвысокие температуры и нестабильные условия в ядерном тепловом двигателе. И теперь две компании заявляют, что их топливо достаточно надежно для создания безопасного, компактного и высокопроизводительного реактора. Фактически, одна из этих компаний уже предоставила НАСА детальный концептуальный проект.
Ядерная тепловая двигательная установка использует энергию, выделяющуюся в результате ядерных реакций, для нагрева жидкого водорода примерно до 2430 °C, что приблизительно в восемь раз превышает температуру активной зоны атомных электростанций. В итоге водород очень сильно расширяется и выбрасывается из сопла с огромной скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.
Такой двигатель может производить вдвое большую тягу на массу топлива по сравнению с химическими ракетами, позволяя кораблям с ядерными установками путешествовать дольше и быстрее. Кроме того, оказавшись в пункте назначения, будь то спутник Сатурна Титан или Плутон, ядерный реактор может переключиться с силовой установки на производство энергии, что позволит аппарату отправлять обратно высококачественные данные в течение многих лет.
Принцип работы ядерного ракетного двигателя.
Раньше, чтобы получить достаточную тягу от ядерной ракеты, требовался оружейный высокообогащенный уран. Более доступное низкообогащенное урановое топливо, используемое на коммерческих электростанциях, было бы более безопасным в использовании, но оно может стать хрупким и развалиться под воздействием высоких температур и химических воздействий со стороны чрезвычайно реактивного водорода.
Компания Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech), базирующаяся в Сиэтле, создала урановое топливо с обогащением ниже 20%, что в разы выше, чем используемое в АЭС, но уже «не может быть использовано для гнусных целей, поэтому это значительно снижает риски нелегального распространения», — говорит технический директор компании Майкл Идс. Топливо от USNC-Tech содержит микроскопические частицы уранового топлива с керамическим покрытием, встроенные в матрицу из карбида циркония. Микрокапсулы удерживают радиоактивные побочные продукты деления внутри, позволяя при этом уйти выделившемуся в результате распада теплу.
Компания BWX Technologies из Линчбурга, штат Вирджиния, работает по контракту с НАСА и проектирует реакторы, использующие подобное керамическое композитное топливо, а также исследует альтернативную форму топлива, заключенную в металлическую матрицу. «Мы работаем над проектом нашего реактора с 2017 года», — говорит Джо Миллер, генеральный менеджер отдела передовых технологий компании.
В моделях «топливных ячеек» обеих компаний используются разные типы замедлителей. Они нужны чтобы замедлять высокоэнергетические нейтроны, образующиеся при делении, чтобы те могли поддерживать цепную реакцию, а не вызывать дальнейший лавинообразный распад с нагревом и разрушением реактора.
BWX размещает свои топливные блоки между гидридными элементами, а уникальная конструкция USNC-Tech включает в себя замедлитель из металлического бериллия. «Наше топливо выдерживает контакт с горячим водородом, не разрушается от излучений и не поглощает все нейтроны в реакторе», — говорит Идс.
Экспериментальный термоядерный двигатель, способный достигать температуры в 1 миллион градусов.
По словам Сэмюэля Коэна из Принстонской лаборатории физики плазмы, есть еще один путь к маленьким безопасным ракетам с ядерными двигателями: термоядерные реакторы. Обычный термоядерный синтез использует дейтерий и тритиевое топливо, но Коэн возглавляет группу ученых, разрабатывающих реактор, работающий благодаря синтезу между атомами дейтерия и гелием-3 в высокотемпературной плазме, в результате чего появляется очень мало нейтронов.
«Нам не нравятся нейтроны, потому что они могут изменить структуру материала, такого как сталь, на что-то типа сыра с дырками, и сделать его радиоактивным», — говорит он. По словам Коэна, концепт Принстонской лаборатории под названием Direct Fusion Drive также требует гораздо меньше топлива, чем нужно для традиционного термоядерного синтеза, и такой реактор может быть в тысячу раз меньше.
По словам Шихи из НАСА, термоядерная тяга теоретически может намного превзойти тягу, основанную на делении урана, потому что реакции термоядерного синтеза выделяют в разы больше энергии. Однако эта технология находится на ранней стадии развития и сталкивается с рядом проблем, включая создание и удержание плазмы и эффективное преобразование высвобождаемой энергии в направленную струю выхлопных газов. «Едва ли [термоядерные реакторы] будут готовы к полетам на Марс в конце 2030-х годов», — говорит он.
USNC-Tech, напротив, уже сделала небольшие прототипы ядерных реакторов на основе своего нового топлива. «Мы на пути к достижению цели НАСА — к 2027 году подготовить к запуску демонстрационную систему в половинном масштаба», — говорит Идс. Следующим шагом будет создание полномасштабной ядерной системы, которая вполне может быстро доставить астронавтов на Марс в 2035 году.
