Научно-популярная космонавтика ч.3

Может показаться, что атомный реактор, витающий над головой и грозящий рухнуть в любую точку Земли – это безрассудство. На самом деле опасность не так уж велика. Фактически, данный космический корабль не способен навредить экологии при любой случайной аварии. Разберемся в проблеме в деталях.

Ракеты иногда падают при старте. В этом случае урановое топливо рухнет в какой-нибудь случайной точке целиком или в виде пыли. Звучит страшно, однако на самом деле при таком происшествии большой беды не случится. Топливо для ядерных реакторов, пока оно еще не побывало в работе, можно брать в руки без перчаток и даже целовать. На фото ниже президент Ирана рассматривает топливную сборку в упор и не боится злобного сионистского излучения.

В конце концов, что там внутри? Уран. Вещество, добытое из земли. И ничего страшного, если он опять в эту землю вернется. Конечно, несколько десятков или даже сотен килограмм урана в чьем-то огороде – это не то же самое, что этот самый уран, рассеянный в толще земных пород. Поэтому для космических реакторов есть требование, чтобы при входе в плотные слои атмосферы содержимое превращалось в порошок и рассеивалось по большой территории.

Хорошо, скажете вы. Если уран такой безопасный, то с чего был кипишь во время Чернобыля и Фукусимы (а еще раньше – при аварии на Трехмильном Острове)? Основные неприятности при разрушении реактора – от накопившихся в топливе изотопов искусственного происхождения. Как известно, основа атомной энергии – реакция деления. Ядро урана разваливается на две части случайного размера. Эти осколки деления очень часто радиоактивны, а некоторые из них легко усваиваются живыми существами и накапливаются в их телах.

Самые большие неприятности от изотопов со средним временем жизни, ориентировочно от 10 до 10000 лет. Такие изотопы распадаются гораздо интенсивнее, чем изотопы с большим периодом полураспада, и дают мощное излучение. Для сравнения, основа природного урана – уран-238 с периодом полураспада четыре с половиной миллиарда лет. Также в природном уране есть примесь урана-235 с периодом полураспада в семьсот миллионов лет. Из-за большого периода полураспада природный уран излучает слабо, его куски можно брать руками. Такой фокус не проделаешь с более короткоживущими изотопами.

С другой стороны, изотопы с коротким периодом полураспада излучают еще сильнее. Однако их активность быстро спадает со временем. Яркий представитель – йод, имеющий множество короткоживущих изотопов. При авариях на АЭС рекомендуют принимать таблетки с соединениями йода, чтобы организм не всасывал радиоактивный изотоп этого полезного вещества. К счастью, опасность йода быстро спадает. Этот элемент имеет множество изотопов, распадающихся за минуты, часы и дни. Самый долгоживущий изотоп йода – йод-125 – имеет период полураспада 60 суток. Впрочем, у йода есть еще изотоп йод-129 с периодом в 17 миллионов лет, но мы его не рассматриваем, т.к. он дает очень слабый фон. Через десять периодов полураспада количество изотопа уменьшается в тысячу раз. Значит через 600 суток (чуть меньше 2 лет) даже от самого долгоживущего изотопа йода останется только одна тысячная часть. А еще через 2 года концентрация упадет в миллион раз от изначальной. Изотопы с более коротким временем жизни исчезнут за недели и месяцы. Долговременного заражения местности не произойдет. Однако когда имеешь дело с изотопами с периодом полураспада от 10 лет и больше, ждать придется слишком долго. Ни мы, ни наши дети, ни даже наши внуки не доживут до того момента, когда такое заражение исчезнет само собой.

Из всех радиоактивных веществ наибольшие проблемы представляют те, которые легко усваиваются организмом и откладываются в тканях людей, животных и растений. В этом грязном ремесле королем является Цезий-137. С периодом полураспада 30 лет он надежно попадает в неприятную группу изотопов со средним временем жизни. Живые организмы по какой-то причине жадно всасывают цезий из окружающей среды. Достаточно небольшой концентрации этого вещества в воде, и рыбы начинают просто светиться. Грибы и вовсе называют «аккумуляторами» радиоцезия. В результате Чернобыльской аварии было выброшено всего 2 килограмма этого вещества – их хватило, чтобы загрязнить огромные территории на Украине, в Белоруссии и в Брянской области.

Вся эта радиоактивная грязь не присутствует в реакторе изначально, а образуется в процессе работы. То есть падение реактора во время старта, до первой выработки электроэнергии, не несет большой опасности. Неприятности возникнут, только если реактор упадет, отработав несколько лет. Для того, чтобы избежать этой ситуации, выработаны международные правила, по которым ядерный реактор разрешается включать только на орбитах с высотой более 800 километров. Если космический аппарат внезапно сломается или даже взорвется на такой высоте, его обломки не достигнут поверхности нашей планеты многие сотни лет. Штатное прекращение жизни космических ядерных реакторов – увод их на еще более высокую орбиту, так называемую орбиту захоронения.

В целом, подход к ядерной безопасности видится таким: во время старта возможны разные неприятности, в результате которых реактор упадет. Однако в этот момент он будет содержать только относительно безопасный уран, который был добыт из земли, и, вероятно, ничего страшного не случится, когда он туда же вернется. Реактор будет выведен на сравнительно высокую орбиту, где, после всех проверок, начнется выработка энергии. В этот момент реактор начнет производить опасные изотопы. Однако если случится авария, изотопы останутся летать в космосе, где проведут многие сотни, а может и тысячи лет. При нормальной работе после окончания гарантийного срока реактор будет отправлен в последний путь на высокую орбиту или вообще в дальние уголки солнечной системы.

Почему же его до сих пор не сделали?

Вообще при создании космического аппарата с мощным атомным источником энергии приходится решать множество проблем. Одна из самых явных – как сделать достаточно надежную турбину, которая могла бы работать несколько лет при высоких температурах. Как мы помним, в данном агрегате холодильник будет иметь температуру 400 градусов. Турбина же должна работать при 1200 градусах Цельсия. При этом она должна крутиться многие годы без какого-либо ремонта. Доступ механиков к кораблю с ядерным двигателем вряд ли возможен – как мы помним, у нас только теневая защита, то есть космонавт, приблизившийся к реактору сбоку, мгновенно получит огромную дозу.

Конструкция реактора – новое слово в атомном машиностроении. Люди уже запускали в космос реакторы, но пока не было установок, работающих на орбите при таких температурах и давлениях.

Также вызывает вопросы, как упаковать холодильник-излучатель площадью сотни метров и ферму в десятки метров под обтекатель обычной ракеты-носителя. Панели огромных размеров должны раскрыться сами собой. Конечно, до первого пуска цепной реакции можно послать космонавтов для монтажа холодильника-излучателя, но такая процедура наверняка будет очень опасной, не говоря уже про высокую стоимость.

А в чем выгода?

Возникает вопрос, стоит ли вкладывать огромные деньги в такой масштабный агрегат. Зачем посылать дорогостоящие экспедиции к Луне и Марсу, когда на Земле еще не решена куча проблем? Дело в том, что данный реактор может решать земные проблемы и приносить вполне конкретный доход. Есть несколько способов заработать деньги, имея мощный источник энергии в космосе.

Первый, самый очевидный – транспортировка грузов с низких орбит на высокие. Как я уже писал, современная космическая индустрия способна забросить на геостационарную орбиту аппараты массой не более 3-4 тонн. Геостационарные спутники стоят огромных денег из-за необходимости совместить в небольшом аппарате множество функций. Их ремонт невозможен: везти космонавтов на геостационарную орбиту безумно дорого, спустить оттуда спутник на низкую тоже практически невозможно. Но космический реактор, в роли космического буксира, все изменит.

Задача номер один: забросить на геостационарную орбиту большой тяжелый груз. Решение: ракета Протон запускает на низкую орбиту 22 тонны груза. Сейчас этот вес распределяется на трех с половиной тонную полезную нагрузку и восемнадцать с половиной тонн топлива. С применением орбитального буксира можно будет брать только 2 тонны ксенона для электрореактивного двигателя, остальное – полезная нагрузка. Космический буксир стыкуется к нашему грузу и оттаскивает его на нужную нам высоту, израсходовав привезенный с Земли ксенон. В результате имеем 20 тонн на геостационаре. Владельцы спутников заплатят сотни миллионов долларов за рейс, тем более, что другого предложения по запуску таких тяжелых грузов на высокую орбиту на рынке нет. На геостационарной орбите имеется 425 точек стояния. Пусть хотя бы на 50 из них нужен тяжелый спутник. Пусть срок его службы – 10 лет. Тогда в год надо производить как минимум 5 транспортировок только для поддержания группировки. В общем, работа буксиру найдется.

Задача номер два: ремонт тяжелого спутника на геостационарной орбите. Подняв груз, буксир возвращается обратно, но по пути захватывает другой космический аппарат, требующий ремонта. Переносит его пониже, скажем, к МКС. Там дежурит бригада космических слесарей и склад запчастей. После ремонта спутник отправляется на свое место следующим рейсом.

Задача номер три: научные исследования задешево. Срок работы буксира подойдет к концу после нескольких рейсов. Стоимость его создания будет отбита. Эксплуатировать его дальше рискованно – можно потерять дорогостоящий груз в случае поломки. Вместо этого к буксиру можно подцепить научное оборудование и отправить в дальний космос. Мы получаем возможность запустить очень крупную, по современным меркам, научную нагрузку со скоростью, в несколько раз большей, чем доступна сейчас.

Задача номер четыре: работы на орбите, требующие большой мощности. Что это за работы? Ну например, радиолокация земной поверхности. Понятно, что чтобы не просто передать сигнал из космоса на землю, а еще и поймать его отражение и различить в нем какие-то детали, мощность передатчика должна быть очень велика. Для этих целей уже использовались ядерные реакторы. Интересующиеся могут поискать подробности по ключевым словам Бук и Топаз. У этих установок, запущенных в советское время, мощность была 3 и 5 киловатт, а для выработки электроэнергии использовалось термоэлектрическое преобразование. Понятно, что между 5 киловаттами и мегаваттом огромная разница, радару с мегаваттным источником энергии откроются гораздо более широкие возможности. Военных интересует обнаружение авианосцев противника. Подводная лодка может выпустить ракеты с расстояния 400 километров, тяжелый бомбардировщик выпустит залп, пролетев пол земных шара. Дай только целеуказание. С радаром на орбите весь вражеский флот будет на ладони у наших адмиралов. Да что там авианосцы – с мегаваттом на борту будут видны даже самолеты – противовоздушная оборона страны выйдет на совершенно новый уровень, можно будет оказывать информационную поддержку союзникам.

Что же еще? Одно из неочевидных, но потенциально важных применений – сборка космического мусора. После каждого запуска на орбитах остаются «помершие» спутники и последние ступени ракет. В них иногда взрываются остатки топлива, да и просто плохо прикрученные детали отлетают от вращающихся корпусов. Число различных обломков на орбите растет. Уже сейчас МКС маневрирует по нескольку раз в год, уклоняясь от различных вредоносных небесных тел. Уже было зафиксировано столкновение кусков мусора между собой, а также столкновение работающего спутника с мусором. Более того, даже на геостационарной орбите присутствуют мусорные объекты, и работающим спутникам приходится раз в несколько месяцев выполнять маневры уклонения, расходуя драгоценное горючее.

На данный момент ничего с мусором поделать нельзя. На химическом топливе один кусок мусора потребует одного запуска достаточно тяжелой ракеты. От самого такого запуска может образоваться некоторое количество кусков мусора: последние ступени  ракет, разгонные блоки и случайно отвалившиеся от них куски конструкции. Получается, что операция по уборке одного куска мусора приводит к появлению новых обломков. Другое дело – ядерный буксир. На одной заправке он может обойти несколько орбит, насобирав оттуда тонны космохлама. Далее они направляются на орбиту захоронения, либо в океан.

При таком раскладе сам бог велел брать деньги за расчистку тех или иных орбит. А значит, все космические державы автоматически становятся нам должны. Кроме денег, они обязаны будут согласовывать с Россией орбиты своих спутников. А не то опять темной ночью над Сибирью обломок советского военного спутника стукнет по хитрому безбилетнику.

База на Луне и яблони на Марсе

Впрочем, что мы все о деньгах, да о деньгах. Космический буксир открывает такие возможности, о которых раньше только мечтали фантасты. Я говорю о базе на Луне и о пилотируемом полете к Марсу.

В настоящий момент человечество имеет постоянно обитаемую базу на низкой околоземной орбите (МКС), но не осуществляет даже периодических полетов на Луну. Почему так? Из-за тех самых трех с половиной километров в секунду, которые надо набрать при перелете между околоземной орбитой и Луной. Человечество еще может оплатить запуск людей на околоземную орбиту, может обеспечить их снабжение, однако стоит добавить необходимость разгона на три с половиной километра в секунду – и стоимость становится неподъемной. Судите сами: международная космическая станция имеет массу за 400 тонн, на ней работают 6 человек. Для снабжения к станции летают следующие корабли:

• Союзы, которые привозят и увозят по 3 человека. Запускается по 4 корабля в год.
• Прогрессы для доставки грузов и вывоза мусора. Запускается по 5 кораблей в год.
• Европейский и японский транспортные корабли – один европейский и один японский корабль в год.
• В будущем планируется запускать американский транспортник, который уже совершил тестовый полет.

Орбитальный буксир может обеспечить завоз тяжелой техники и припасов на лунную базу. Он может перевезти груз с низкой околоземной орбиты на низкую окололунню, затратив небольшое количество рабочего тела (вспомним Смарт 1, долетевший до Луны, истратив только 16% своей массы). Для посадки на поверхность Луны придется использовать химические двигатели – тут никуда не деться. При посадке останется погасить 1.7 км/с скорости, для этого 41% доставленной к Луне массы должно составлять горючее. В общем, по грубым прикидкам, буксир сможет доставить на поверхность Луны где-то треть от тех 22 тонн, которые забрасывает на низкую орбиту ракета Протон. Таким образом, снабжение лунной базы выходит в 5-10 раз дороже, чем снабжение МКС. И, к сожалению, атомный буксир не сможет возить людей – они должны добираться до лунной орбиты на химическом топливе. Уже на лунной орбите можно пристыковаться к станции-складу, на которую буксир заранее доставил топливо для посадки. Впрочем, ситуация улучшается, если удастся наладить получение кислорода из лунного грунта – тогда буксир должен везти только горючее (например, керосин), а его надо в несколько раз меньше, чем окислителя.

В общем, хоть ядерный буксир и не преподносит нам Луну на блюдечке с голубой каемочкой, он делает лунную базу просто дорогой из сверхдорогой. Но ведь, с другой стороны, база на Луне гораздо интереснее, чем МКС. На Луне можно закопать жилой модуль под поверхность, чтобы спасаться от радиации. На Луне можно добывать разные полезные вещества из местной породы. На Луне условья благоприятны для промышленного производства: 14 дней интенсивный солнечный нагрев, который позволит расплавить что угодно, 14 дней – космический холод и вакуум. Можно выморозить полезные вещества и выпарить то, что не надо. Если удастся наладить выпуск компонентов ракетного топлива или конструкционных материалов – доставить их на орбиту с Луны будет дешевле, чем с Земли.

Кроме того, на Луне присутствует уникальный ресурс – так называемый гелий-3. Это изотоп обычного гелия, состоящий из двух протонов и одного нейтрона. На Земле этого изотопа практически нет, он получается в атомных реакторах. Уже сейчас этот изотоп пользуется спросом: он нужен в научных исследованиях и для детекторов атомных бомб. Правда цена кусается: под 1000 долларов за литр газа – это, в переводе в более привычные единицы – семь с половиной тысяч долларов за грамм. Для сравнения, цена золота на пике доходила до 45 долларов за грамм. С гелием есть один момент. Это единственное вещество во вселенной, которое теоретически позволит вырабатывать электроэнергию на термоядерных реакторах без радиоактивных отходов. Для этого надо построить термоядерный реактор, вроде возводимого в настоящее время ИТЭР, только с более высокими характеристиками. Да, никто не спорит – это дело далекого будущего. Однако базу на Луне построить – тоже дело не одного дня. Поэтому политики и ученые все не оставляют планов застолбить надел на лунной поверхности.

Теперь поговорим о Марсе. Теоретически, существующие технологии позволяют слетать на красную планету и назад примерно по той же схеме, как американцы летали на Луну. Правда, корабль требуется гораздо серьезнее, спускаемый аппарат будет существенно тяжелее. Эту конструкцию можно собрать за несколько сот пусков Протонов. Да, дорого, но представим, что деньги нашлись. Проблема в том, что химические двигатели позволят лететь только по медленной траектории, так что вся экспедиция займет годы. За это время космонавты получат смертельную дозу радиации. Поэтому пилотируемый полет к Марсу на обычных двигателях никто не рассматривает всерьез. Электрореактивный движок позволит слетать туда и назад за несколько месяцев. Экипаж останется жив и относительно здоров. Двигатели можно запитать либо от солнечных батарей, либо от реактора. По расчетам, реактор потребной мощности получается в несколько раз легче.

Ну и когда же?

Недавно (в конце марта 12 года) появилась очередная новость по теме на сайте Росатома:

http://www.rosatom.ru/wps/wcm/connect/rosatom/rosatomsite/journalist/atomicsphere/add18a804aafbb8c920dbec1a41a6ef6

Пишут, что «проект вовсю реализуется», что уже начались испытания ядерного топлива. Деньги выделяются, работа идет без задержек. Наземные испытания установки должны состояться в 14-м, а в 17-м она должна быть готова к запуску в космос. Называются следующие параметры: электрическая мощность 100-150 киловатт, удельный импульс 900-5000 секунд, ресурс 1.5 – 3 года.

Что можно сказать исходя из этой обрывочной информации? Точных характеристик будущего космолета не знают, вероятно, даже создатели. В заметке говорится об испытании топлива для реактора, но ничего не сказано про разработку всей остальной начинки: турбины, охладителей. Либо Росатом не очень интересуется ничем, кроме собственно атомной части, либо разработки в этой области отложены до завершения проекта реактора. В любом случае, радует, что есть общий план, и что работы соответствуют этому плану.

Мощность (100-150 киловатт) и ресурс (1.3 – 3 года) не впечатляют. В самом деле, обещали же «установку мегаваттного класса», почему будет всего 100-150 киловатт? Видимо, под «мегаваттным классом» имелось в виду выделение тепла в районе мегаватта (интересно, 500 киловатт подпадает под «мегаваттный класс» или нет?). Электричества выделяется гораздо меньше, чем тепла, все зависит от КПД (который тоже пока не называют, либо не знают). Похоже, что первый образец намерено будет сделан малой мощности и малого ресурса, чтобы на нем обкатать все особенности данной конструкции.

По поводу разработки остальной части – было заявление во время МАКС-2011. Генеральный директор государственного научного центра имени Келдыша Анатолий Коротеев заявил, что эскизный проект космического корабля с ядерной энергоустановкой мегаваттного класса будет завершен к концу 2012 года, проектирование ядерного реактора для него – уже в 2011 году. Наиболее сложным вопросом, по его словам, является разработка холодильника-излучателя.

******

Ну и в конце хочу сказать следующее. Чтобы никто меня не "подозревал" - сам скажу - это чистейшей воды плагиат. Весь текст от первой буквы до последней написан автором на ЖЖ: http://argr.livejournal.com/10416.html.

С моей стороны лишь немного подредактировал, чтобы текст был читабельнее.