Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс

Ядерный век

Использование ядерных технологий для запуска космических аппаратов восходит к первым космическим программам. Фактически еще во время Второй мировой войны американские ученые в рамках Манхэттенского проекта, стремясь создать первую атомную бомбу, начали рассуждать о применении этой технологии в ракетах. Проект, получивший название Project Roper, был запущен в начале 1950-х годов в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Его целью была разработка ядерного двигателя для американской МБР «Атлас». Однако к концу 1950-х годов стало ясно, что такой двигатель будет слишком мощным для этой ракеты. Тем не менее в то же время ученые начали оценивать актуальность ядерной энергетики для новой космической программы. В августе 1960 года NASA создало Управление космических ядерных установок. Его основная работа заключалась в том, чтобы курировать Project Rover, вскоре переименованный в Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application («Ядерный двигатель для применения в ракетостроении»), или NERVA.

Артур Чарльз Кларк (1917–2008)

Артур Чарльз Кларк родился в городе Майнхед в графстве Сомерсет 16 декабря 1917 года. Во время Второй мировой войны он работал над созданием радара для Королевских ВВС Великобритании. В 1945 году в статье, опубликованной им в журнале Wireless World, были изложены принципы использования спутников для глобальной связи. Геостационарные спутниковые орбиты до сих пор иногда называют орбитами Кларка. После войны он получил степень по математике и физике в Королевском колледже Лондона. А затем стал президентом Британского межпланетного общества[13] и начал публиковать популярные книги о космических путешествиях. В 1930-е годы Кларк приступил к созданию собственных научно-фантастических произведений. Его первый роман «Да не настанет ночь» вышел в 1948 году. Писатель сосредоточился на «твердой» научной фантастике – основанной на доказанных или по крайней мере правдоподобных научных концепциях. Наиболее известен его роман «2001: Космическая одиссея», опубликованный в 1968 году, а «Фонтаны рая» 1979 года популяризировали концепцию космических лифтов. В 2000 году Кларк был посвящен в рыцари за заслуги в литературе. Он умер в своем доме в городе Коломбо на Шри-Ланке 19 марта 2008 года.

NERVA – ядерный тепловой двигатель, а значит, для непосредственного нагрева топлива ракеты используется энергия ядерных реакций, а не химического сгорания. Основная идея заключается в прокачке водорода через горячий ядерный реактор и нагреве его до температуры более 2200°С. При такой температуре газ может затем проходить через сопло ракеты, образуя высокоскоростной выхлоп (его скорость около 7 км/с), приводящий в движение космический аппарат.

Работа реактора основана на принципе ядерного деления. Это та же самая технология, что применяется на атомных электростанциях, когда вследствие расщепления крупных тяжелых атомов – в данном случае урана – выделяется энергия. Реактор NERVA вырабатывал 1137 МВт – мощность, достаточная для одновременного нагрева более 600 000 электрических чайников.

Первый запуск полностью работоспособного двигателя NERVA состоялся 24 сентября 1964 года на испытательном полигоне Джекэсс Флэтс в штате Невада. Все наземные испытания проходили успешно в течение 1960-х годов. Полагали даже, что NERVA станет двигателем разгонного блока при запуске «Аполлонов». Однако шансы, что технологию примут вовремя, чтобы достичь цели, поставленной Кеннеди, – оказаться на Луне в конце десятилетия, – все же были невелики.

По мере нашего продвижения в Солнечной системе ядерные двигатели – единственная действительно жизнеспособная технология, которая позволит человеку достичь поверхности Марса и других миров.

Сонни Митчелл (2017)

Вместо этого NASA предпочло оставить NERVA для потенциальной миссии на Марс в конце 1970-х годов и, возможно, использовать для запуска «Вояджеров», отправлявшихся в грандиозное путешествие к внешней окраине Солнечной системы. Но, увы, ничего этого не произошло. Из-за огромных расходов на «Аполлоны» и войну во Вьетнаме президент Никсон свернул проект в январе 1973 года. На сегодняшний день NERVA еще не летал.

Однако теперь ядерные двигатели могли бы вернуться. На заседании Национального космического совета США в Шантильи в штате Вирджиния 20 августа 2019 года глава NASA Джим Брайденстайн призвал к возрождению технологии NERVA. В мае того же года Комитет по ассигнованиям Палаты представителей Конгресса США одобрил выделение NASA 125 миллионов долларов для проведения исследований в области ядерных силовых установок. Команда из Центра космических полетов имени Джорджа Маршалла в Хантсвилле в штате Алабама наблюдает за исследованиями, и с промышленными компаниями уже заключены контракты на производство оборудования.

Кроме того, NASA сейчас разрабатывает протоколы безопасности, необходимые для запуска ядерного реактора в космосе. Учитывая программу (Артемида», предназначенную для доставки астронавтов на Луну, и строительство «Лунных врат», призванных служить перевалочной базой для полетов в дальний космос, считается, что двигатели типа NERVA могут получить шанс доказать свою ценность уже в 2024 году.

Подготовка системы

Ядерные ракетные двигатели всего лишь нагревают топливо с помощью ядерного реактора, а не поджигают его. Другой подход заключается в использовании энергии, вырабатываемой реактором, для приведения в действие электрического двигателя. Вы помните, как это могут делать ионные двигатели, ускоряя заряженные частицы, или ионы. С конца 1990-х годов аппараты, оснащенные ионными двигателями, – к настоящему времени их насчитывается более полудюжины – летают в космос, что говорит о том, что такие двигатели представляют собой тщательно опробованный и испытанный вариант. Все они работают на солнечной энергии, преобразовывающей свет в электричество, которое, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Но это означает, что подобные аппараты ограничены в полетах окрестностями нашей звезды.

На протяжении десятилетий люди знали, что использование химических двигателей в космических путешествиях не продвинет нас далеко. Применять такие двигатели – это как исследовать Дикий Запад на конях и повозках вместо пароходов или поездов.

Франклин Чанг-Диас (2009)

Аппараты, отправляемые во внешнюю Солнечную систему, вдаль от солнечного света и тепла, должны брать источники энергии с собой. «Галилео» и «Кассини», летевшие к Юпитеру и Сатурну и запущенные в космос с помощью обычных ракет, использовали радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) для питания своих систем связи и научных приборов. РИТЭГ – это, по сути, небольшие куски радиоактивного вещества, такого как оксид плутония, например. Радиоактивность заставляет атомы вещества самопроизвольно распадаться и генерировать тепло, которое затем преобразуется в электричество. Но РИТЭГ – довольно примитивные устройства, и есть предел тому, сколько энергии из них можно извлечь. Иметь на борту полноценный ядерный реактор – гораздо более логичное решение: он обеспечивает космический аппарат достаточным количеством