NASA готовит крупнейший ядерный проект для полета на Марс

NASA продолжает развивать технологии ядерной энергетики для дальних космических миссий, включая будущие экспедиции к Марсу. Новые разработки должны решить одну из главных проблем межпланетных полетов — обеспечение стабильного энергоснабжения в условиях, где солнечные панели становятся менее эффективными или недостаточными.

Речь идет сразу о нескольких направлениях:

• ядерных реакторах для поверхности Марса;
• компактных энергетических установках для космических кораблей;
• ядерных двигательных системах;
• технологиях длительного автономного энергоснабжения.

NASA рассматривает ядерную энергетику как один из ключевых элементов будущей пилотируемой марсианской программы.

Марс создает серьезные энергетические проблемы

На Земле большинство энергетических систем опирается на:

• солнечную генерацию;
• ископаемое топливо;
• крупную инфраструктуру;
• развитые энергосети.

На Марсе подобных условий нет.

Будущим экспедициям придется работать в среде с:

• низкой температурой;
• пылевыми бурями;
• слабым солнечным светом;
• полной изоляцией от земной инфраструктуры.

Особенно серьезной проблемой являются марсианские пылевые бури, способные резко снижать эффективность солнечных батарей на недели и даже месяцы.

Солнечные панели имеют ограничения на Марсе

Хотя солнечная энергия активно используется современными марсоходами, для долговременных пилотируемых миссий ее может оказаться недостаточно.

Марс получает примерно вдвое меньше солнечного света, чем Земля.

Кроме того:

• пыль оседает на панелях;
• продолжительность бурь трудно прогнозировать;
• зимние условия снижают выработку энергии;
• крупным базам потребуется значительно больше мощности.

Именно поэтому NASA рассматривает ядерные системы как более надежный вариант.

Ядерная энергия уже давно используется в космосе

NASA применяет радиоизотопные энергетические системы десятилетиями.

Они использовались на:

• Voyager;
• Cassini;
• Curiosity;
• Perseverance;
• New Horizons.

В таких установках тепло, выделяемое при распаде радиоактивных материалов, преобразуется в электричество.

Главное преимущество — способность работать независимо от солнечного света.

Марсоход Curiosity использует ядерный источник энергии

Одним из наиболее известных примеров является марсоход Curiosity.

Он оснащен радиоизотопным термоэлектрическим генератором MMRTG.

Система обеспечивает аппарат энергией и теплом уже более десяти лет.

Это позволило Curiosity продолжать работу:

• ночью;
• зимой;
• во время пылевых бурь;
• в сложных климатических условиях.

Для пилотируемого Марса нужны гораздо более мощные системы

Однако генераторов уровня Curiosity недостаточно для полноценной базы.

Пилотируемая экспедиция потребует энергии для:

• систем жизнеобеспечения;
• производства кислорода;
• переработки воды;
• связи;
• научного оборудования;
• отопления;
• добычи ресурсов;
• производства топлива.

Поэтому NASA работает над компактными ядерными реакторами нового поколения.

Проект Kilopower стал важным шагом

Одним из ключевых направлений является программа Kilopower.

Это компактный ядерный реактор, предназначенный для Луны и Марса.

Основные особенности системы:

• использование урана-235;
• компактные размеры;
• возможность многолетней работы;
• автоматическое регулирование мощности;
• независимость от солнечного света.

В 2018 году NASA успешно провело серию испытаний KRUSTY — экспериментального варианта реактора Kilopower.

Реакторы могут обеспечивать целые марсианские базы

По расчетам NASA, несколько реакторов Kilopower способны обеспечить энергией полноценный марсианский лагерь.

Системы смогут поддерживать:

• освещение;
• системы очистки воздуха;
• лаборатории;
• производство топлива;
• зарядку техники;
• жилые модули.

Главным преимуществом является непрерывная работа независимо от времени суток и погодных условий.

NASA также изучает ядерные двигатели

Помимо энергетики агентство активно разрабатывает ядерные двигательные технологии.

Рассматриваются два основных варианта:

1. Nuclear Thermal Propulsion;
2. Nuclear Electric Propulsion.

Обе системы могут значительно сократить время полета к Марсу.

Ядерный тепловой двигатель может быть намного эффективнее химических ракет

В системе Nuclear Thermal Propulsion реактор нагревает рабочее тело — обычно водород.

Затем раскаленный газ выбрасывается через сопло и создает тягу.

Такая схема обеспечивает значительно более высокий удельный импульс по сравнению с химическими ракетами.

Это означает:

• меньший расход топлива;
• более быстрые перелеты;
• возможность перевозки больших грузов.

Полет к Марсу можно существенно сократить

Современные химические двигатели требуют примерно 6–9 месяцев для перелета к Марсу.

Ядерные системы потенциально способны сократить это время.

Это особенно важно для пилотируемых миссий, поскольку длительное пребывание в космосе связано с:

• космической радиацией;
• потерей мышечной массы;
• снижением плотности костей;
• психологическими нагрузками;
• рисками для здоровья экипажа.

Чем быстрее полет, тем ниже суммарная доза облучения.

DARPA участвует в разработке ядерного двигателя

NASA сотрудничает с DARPA в рамках проекта DRACO.

Цель программы — создание демонстрационного ядерного теплового двигателя для космических полетов.

Первый испытательный аппарат планируется вывести на орбиту в конце десятилетия.

Ядерные технологии рассматриваются и для Луны

Программа Artemis также требует надежных источников энергии.

На Луне существуют регионы, где солнечный свет ограничен, особенно возле полюсов.

Небольшие реакторы могут использоваться:

• для лунных баз;
• добычи льда;
• поддержания связи;
• научных исследований;
• зарядки техники.

Лунные миссии рассматриваются как подготовительный этап перед Марсом.

Радиационная безопасность остается ключевой задачей

Одной из главных проблем космических ядерных систем остается безопасность.

Инженеры должны учитывать:

• защиту экипажа;
• риск аварий при запуске;
• охлаждение реакторов;
• надежность автоматических систем;
• утилизацию оборудования.

NASA подчеркивает, что современные проекты используют многослойные системы безопасности.

Космические реакторы сильно отличаются от земных АЭС

Реакторы для космоса значительно компактнее.

Они проектируются с учетом:

• минимальной массы;
• высокой надежности;
• автономной работы;
• отсутствия обслуживания;
• экстремальных условий среды.

Многие проекты используют пассивные системы охлаждения и автоматическое управление без постоянного участия человека.

Производство топлива на Марсе потребует много энергии

Одной из целей будущих экспедиций является использование местных ресурсов.

NASA рассматривает производство:

• кислорода;
• воды;
• метана;
• ракетного топлива.

Этот подход называется ISRU — In-Situ Resource Utilization.

Но подобные процессы требуют постоянного энергоснабжения, которое сложно обеспечить только солнечными батареями.

Марс отличается экстремальным климатом

Средняя температура на Марсе составляет около −63°C.

Кроме того:

• атмосфера очень разрежена;
• давление крайне низкое;
• жидкая вода нестабильна на поверхности;
• климат подвержен сильным сезонным изменениям.

Для выживания людей понадобится непрерывное отопление и поддержание жизненно важных систем.

Китай и другие страны также изучают ядерные космические технологии

Разработкой космических реакторов занимаются не только США.

Подобные исследования ведут:

• Китай;
• Россия;
• Европейское космическое агентство.

Рост интереса связан с тем, что дальние пилотируемые миссии практически невозможно реализовать без мощных автономных источников энергии.

Космос становится новой областью ядерной инженерии

Еще в середине XX века ядерные технологии ассоциировались в основном с военной сферой и энергетикой Земли.

Сегодня они постепенно становятся важной частью космической инфраструктуры.

Инженеры рассматривают реакторы как основу для:

• межпланетных кораблей;
• автоматических станций;
• лунных баз;
• марсианских поселений;
• глубокого космоса.

Марсианская программа NASA напрямую зависит от энергетики

Главная проблема пилотируемого Марса — не только доставка экипажа.

Необходимо обеспечить:

• многомесячный перелет;
• работу оборудования;
• производство ресурсов;
• выживание людей на поверхности;
• возвращение на Землю.

Все это требует стабильной и мощной энергетической системы.

NASA рассматривает ядерную энергетику как стратегическую технологию

Современные проекты показывают, что агентство постепенно переходит от экспериментальных исследований к практической подготовке будущих миссий.

Разработка компактных реакторов и ядерных двигателей может стать одним из важнейших этапов освоения дальнего космоса.

Без подобных технологий:

• пилотируемые полеты к Марсу будут значительно сложнее;
• автономные базы останутся ограниченными;
• глубокий космос останется труднодоступным для человека.

Именно поэтому ядерные системы все чаще рассматриваются как фундамент будущей межпланетной инфраструктуры.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org