Ранние достижения

Космические исследования, опирающиеся на атомную энергию, уже знавали «звёздные времена». Почти сразу же после исторических сигналов с орбиты первого в мире искусственного спутника Земли, созданного и запущенного в СССР в 1957 году, бурно стартовали ядерные ракетные программы в нашей стране и США. Американские наземные прототипы ракетных двигателей (их было более десятка) типа «Нерва» и др. использовали реакторы с графитовым замедлителем, нагревающие водород и выбрасывающие его из сопла. В наших разработках использовались канальные модульные реакторы и стойкие к водороду карбиды металлов, позволившие существенно превзойти США по достигнутым параметрам установок. В 1976 году в испытаниях реактора ИВГ-1 на Семипалатинском полигоне была достигнута рекордная температура водорода в 3100 К. Называлось много причин, почему в конце 1980-х – начале 1990-х годов работы по созданию ядерных двигателей для космических аппаратов были закрыты и в СССР, и в США. Главная, скорее всего, состояла в том, что этот технический прорыв опередил своё время. Оборонные задачи обеспечивались прогрессом химических двигателей, а потребность в пилотируемых полётах в дальний космос ещё на пришла.

Другим и, как оказалось, более востребованным направлением использования атомной энергии стало энергоснабжение космических аппаратов. Эти работы начались практически одновременно с «ядерными двигателями». Главным их побудительным мотивом была необходимость обеспечить спутники разведки ресурсоспособными бортовыми источниками энергии – а это несколько киловатт электрической мощности с продолжительностью работы в несколько месяцев, для чего солнечные панели пригодны не всегда. Эти работы имели практический выход. Наша страна использовала в космосе тридцать четыре ядерных реактора на основе термоэлектрического, а затем термоэмиссионного прямого преобразования энергии на околоземных орбитах в составе аппаратов серии «Космос». Запуски продолжались до конца 1980-х годов. США запустили один – SNAP-10A. Он был спроектирован для годичной работы, но выключился через 43 дня и был уведён на высокую орбиту, откуда будет «наблюдать» за Землёй в течение 4000 лет.

Из достижений того периода просто нельзя не упомянуть о замечательной советской программе исследования нашей соседки Венеры с помощью двух десятков спускаемых аппаратов, которые, начиная с первой мягкой посадки на поверхность планеты в 1970 году, сумели передать на Землю цветные снимки, а главное, данные о характеристиках атмосферы (давление около 100 атм., температура около 500°С). Американцам посадка на Венеру удалась один раз (1978 г.), но «мимо» планеты они летали, так же как европейский и японский аппараты. Правда, атомные источники энергии для этих миссий не требовались, ведь жизнь земного аппарата на этой «гостеприимной» планете никогда не превышала двух часов.

Радиоизотопные источники энергии

Здесь уместно вспомнить ещё об одной интересной области применения ядерных космических источников энергии. В середине ХХ века выяснилось, что лучшего бортового источника энергии для длительных полётов необслуживаемых аппаратов в дальний космос, чем радиоизотопный источник энергии (РИТЭГ), использующий радиоактивный распад для преобразования в электричество, просто не существует. Придуманные британским физиком ещё в 1913 году радиоизотопные генераторы появились в США в рамках упомянутой программы SNAP. Впервые они использовались в 1961 году для навигационного спутника, а затем участвовали в лунной программе «Аполлон» в 1969–1972 гг. В СССР такие источники энергии использовались на космических аппаратах «Космос» (1965 г.), а также на наших луноходах (1970 и 1973 гг.). Из наиболее подходящих по своим характеристикам (достаточно большой период полураспада, высокая удельная мощность, удобство в обращении) на первое место вышел изотоп Pu-238 – не обладающий гамма-активностью альфа-излучатель, что исключительно важно для защиты от облучения аппаратуры «космических скитальцев», вынужденных годами носить в себе источник радиации (в Европе приобретает популярность Am-241, менее энергоёмкий, чем Pu-238, и обладающий некоторой гамма-активностью, но более доступный в результате работы АЭС).

Фантастический ресурс таких энергоисточников позволил землянам исследовать окрестности Марса, Юпитера, Сатурна и Плутона. Пожалуй, самым замечательными проектами НАСА были межпланетная станция «Кассини», после семилетнего путешествия достигшая Сатурна, изучавшая его четыре года и открывшая восемь его новых «лун», а также зонд «Новые горизонты», за десять лет достигший Плутона. Считать эти достижения чисто американскими нельзя, так как для энергопитания этих аппаратов использовался российский Pu-238, который в США тогда не производили. Кстати, марсоход «Curiosity» («Любопытство»), кроме плутониевого источника энергии, имеет вдобавок российский прибор – нейтронный генератор, незаменимый для поисков воды – пожалуй, самого главного, что интересует нас на соседней планете. Данные, собранные этим марсоходом, достигшим поверхности планеты в 2012 году, позволили точно измерить количество органического углерода в марсианском грунте не основе собранных образцов.

Космические исследования с помощью радиоизотопных генераторов не прекращались никогда. Очередной выдающийся успех продемонстрировала миссия Европейского космического агентства «Розетта», в ходе которой в 2014 году зонд «Филы» успешно «приземлился» на комету Чурюмова-Герасименко, поверхность которой покрыта скалами и непригодна для использования солнечной энергии в посадочном модуле.

Ещё один проект «ExoMars», совместное детище «Роскосмоса» и Европейского космического агентства (ЕКА), имеет целью исследование свидетельств жизни на Марсе с помощью РИТЭГов. Предполагалось, что миссия в конечном итоге доставит на Марс европейский вездеход и российскую наземную платформу. Первая часть миссии была запущена в 2016 году, и в её результате уже создана карта содержания водорода в грунте Марса по данным российского нейтронного телескопа ФРЕНД, выведенного на круговую орбиту вокруг Марса на высоте около 400 км. Последний марсоход НАСА «Perseverance» («Упорство»), несущий дрон-вертолёт с многоцелевым РИТЭГом на основе Pu-238, достиг поверхности планеты в 2021 году. Следующая миссия НАСА с таким РИТЭГом – «Dragonfly» («Стрекоза») запланирована на 2027 год и предполагает сбор образцов на Титане, спутнике Сатурна.

Единственный известный опыт применения атомной энергии в космосе Китаем – РИТЭГ ваттной мощности, установленный на луноходе «Юйту-2» в 2019 году. Первая посадка на Луну китайской станции «Чанъе-3» с луноходом «Юйту» состоялась в 2013 году. В 2021 году свои предложения по разработке перспективных РИТЭГов представила Индийская организация космических исследований. Сообщалось, что российский Институт космических исследований (ИКИ РАН) совместно с МГТУ им. Баумана разрабатывает три новых типа луноходов, в том числе тяжёлый «атомный», предназначенный для изучения полярных районов Луны, способный передвигаться на сотни километров и брать пробы грунта с полутораметровой глубины.

Ядерная тяга в космосе

Если исследования наших соседей по Солнечной системе с помощью аппаратов с ядерным бортовым питанием, как мы видим, продвигаются достаточно планомерно, то интерес к ядерной тяге в космосе в последние годы вновь резко вырос после описанного торможения.

На недавней конференции МАГАТЭ «Атом для космоса», в которой участвовало 500 человек из 66 стран, суммировали варианты ядерных двигателей для космических исследований:

Об электрических ракетных двигателях надо упомянуть особо. Эту идею высказывал ещё К.Э. Циолковский. Первые действующие электрореактивные двигатели были созданы в СССР в 1930-х годах. Плазменные двигатели с ионизированным газом были предложены в Курчатовском институте и доведены до лётных испытаний в 1972 году в составе космического аппарата «Метеор». Они имеют малую тягу, но высокую скорость истечения рабочего тела, что позволяет значительно уменьшить его массу. В настоящее время они успешно используются в системах коррекции орбиты космических аппаратов. В дальнем космосе НАСА с 1998 по 2001 гг. осуществило миссию с использованием ионного двигателя, которая совершила облёт астероида Брайль и кометы Борелли.

Японское агентство аэрокосмических исследований совершило две миссии на астероиды с аппаратурой, в том числе, Германии и Франции (Итокава, 2003–2010 гг. и Рюгу, 2014–2020 гг.), в которых, наряду с традиционными жидкостными, использовались и ионные маршевые двигатели. Главная цель миссий – доставка с астероидов на Землю образцов грунта – была успешно выполнена. Кстати, «Хаябуса» («Сапсан») стал первым космическим аппаратом, доставившим на Землю грунт астероида, и шестым (после трёх советских межпланетных станций «Луна» в 1970 – 76 гг., а двух миссий НАСА в 1999 – 2006 гг.), доставившим нам внеземное вещество.

Ещё в 2010 году в нашей стране по решению Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики при президенте РФ активно пошли работы по стратегическому проекту, включающему создание высокотемпературного компактного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах, а также электрореактивных двигателей, чтобы создать научно-техническую базу для реализации межпланетных перелётов. В 2015 году НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля сообщил, что технический проект реактора завершён. По-видимому, это направление космических двигателей легло в основу дальнейших российских работ.

В 2016 году правительство РФ приняло десятилетнюю федеральную космическую программу, основой которой было формирование и поддержание орбитальной группировки космических аппаратов, «обеспечивающих предоставление услуг социально-экономической сферы, … защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера». Как следует из последних обсуждений на высшем уровне наших задач в космосе, создание собственной орбитальной станции (РОСС) и развитие спутниковых систем для обеспечения экономики страны (связь, навигация, космические карты и т.д.) остаются важнейшим приоритетом на ближайшие годы. Однако действующая космическая программа содержит в перспективе и углублённое изучение Луны с осуществлением высадки человека к 2030 году, и создание пилотируемого транспортного корабля нового поколения.

В «Роскосмосе» признают, что «дальние полёты людей в космическое пространство невозможны при использовании нынешних химических реактивных двигателей». Будущие успехи России в создании новых технологий связывают с созданием ядерного межпланетного буксира. Он получил название «Зевс» и в качестве источника энергии будет использовать высокотемпературный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах и ионный двигатель. Предполагается, что буксир будет способен решать широкой круг задач – от доставки на Луну десятков тонн полезной нагрузки (научного и другого оборудования) до отправки на Юпитер предназначенных для однократного падения на поверхность «спутников-камикадзе», которые дадут возможность для расширенной программы исследований планеты. Делаются заявления, что первая миссия буксира может состояться в 2030 году.

В конце 2020 года администрация США объявила о национальной стратегии по обеспечению разработки и использования космических ядерных энергетических и двигательных систем. НАСА призвало Конгресс «инвестировать в разработку космических кораблей с ядерными установками», чтобы «опередить таких конкурентов, как Китай». «Если США серьёзно настроены возглавить человеческую миссию на Марс, то мы не можем терять времени», – заявил на слушаниях в Конгрессе председатель Комитета по науке, космосу и технологиям при Палате представителей. В НАСА уверены, что космический корабль с ядерным двигателем способен достичь Марса в срок от трёх до шести месяцев – как минимум вдвое быстрее аппаратов с химическими двигателями.

Надо сказать, что все варианты ядерной тяги и множество координируемых НАСА реакторных разработок так или иначе просматриваются американскими компаниями и национальными лабораториями. Заметим, что если в прошлом атом в космосе относили к военным программам и, соответственно, им занималось исключительно государство, то теперь к космическим программам активно подключаются частные компании. Однако подписанные контракты пока ограничиваются скромными 5–20 млн. долларов, что говорит о начальной фазе работ. Кстати, в эти проекты входит и «демонстрационная ядерная ракета для гибких операций над Луной», предназначенная для быстрого маневрирования в пространстве между Землёй и Луной; намечаются даже сроки её вывода на орбиту (2026 год).

Напланетные атомные станции

Приоритетным направлением последнего периода стала фактически новая сфера применения атома – инновационные источники энергии на поверхности других планет. На русском языке их название звучит непривычно – «напланетные АЭС», но ведь не назовешь же «наземной» атомную станцию на Луне или на Марсе. Внедрение в жизнь этого новшества выглядит неизбежным – очевидно, что солнечными батареями или органическим топливом долговременную работу людей на других планетах не обеспечить.

Первые проекты реакторных установок разных типов и сравнительно малой мощности (до 100 кВт) для использования на Луне или Марсе появились в США ещё в конце прошлого века, но были быстро свёрнуты. Серьёзный интерес к атомной энергии на поверхности Луны возродился только в последние годы. В 2021 году НАСА обратилось к лидерам ядерной и космической промышленности за предложениями по разработке инновационных технологий для лунных энергетических применений. Как заявляет лидер такой программы в Национальной лаборатории Айдахо – испытательной площадке для большинства американских ядерных инновационных установок, «обеспечение надёжной мощной системы на Луне – жизненно важный следующий шаг в освоении космоса человеком, и достижение его находится в нашей досягаемости». В 2022 году НАСА выбрало три концепции проекта ядерной энергетической системы, объединяемых заданными параметрами мощности (40 кВт(э)) и десятилетним сроком работы в лунной среде. При этом установки должны быть мобильными, то есть пригодными к транспортировке. На разработку первой фазы проекта отводят один год. Называют и сроки реализации – к 2030 году.

В России РКК «Энергия» заявляла, что готова спроектировать атомную электростанцию космического базирования со сроком службы 10–15 лет для размещения на Луне или Марсе.

Космическая программа КНР стартовала ещё в 1956 году. Первый спутник был запущен в 1970 году, когда Китай стал пятой космической державой, самостоятельно запускающей спутники. В 2003 году он стал третьим в мире обладателем собственной пилотируемой космонавтики. Также третьим Китай реализовал лунную программу с лунно-орбитальной станцией, посадочным модулем с луноходом и возвращаемым с лунной орбиты аппаратом. Кстати, Китай является одним из крупнейших поставщиков пусковых услуг для ряда стран, а также изготовителем спутников по их заказам и участником совместных космических программ (например, с Бразилией и др.). Для всего этого страна имеет большие возможности в виде налаженной атомной промышленности и большого опыта строительства АЭС. Для Китая создание напланетного реактора – амбициозный проект, причём представители китайской космической отрасли сообщают об ускорении плана создания лунной базы на 8 лет – прилунение первой беспилотной исследовательской станции теперь планируют на 2027 год. Способная принимать космонавтов автономная база будет китайско-российской. Интересно, что китайская лунная программа сосредоточится на поиске пещер для развёртывания баз ниже уровня поверхности, под надёжной радиационной и метеоритной защитой. По имеющимся данным, Китай разрабатывает мощный компактный высокотемпературный ядерный реактор (порядка 1 МВт(э)) для своих миссий на Луну и Марс.

В целом, как можно видеть, в отношениях с космосом у землян «самые серьёзные намерения». Нужно только постараться сохранить нашу родную планету, хотя бы как стартовую площадку.