Ядерный планетолет России

Как тебе такое, американец Маск?)

Космический Буксир создаётся не для исследования космоса

Сегодня можно уверенно утверждать, что созданием с 2009 ядерного космического буксира (или Транспортно-энергетического модуля ТЭМ), Россия занимается не для исследования космоса и не с целью получения сугубо научных знаний и открытий. Нет

Россия занимается исследованием и разработкой ядерных энергетических технологий, способных функционировать в открытом космосе, вне зависимости от окружающих условий

Самым важным аспектом космических ядерных технологий является получение постоянной электрической энергии большой мощности.

Использование электроэнергии лежит в основе развития нашей цивилизации. Здесь, на Земле, у нас нет проблем в получении электроэнергии любых мощностей, однако в космосе получить электрическую мощность уже проблематично. И чем дальше мы удаляемся от Солнца, тем серьёзнее эта проблема

Сегодня самым распространённым источником электроэнергии в космосе являются солнечные панели. Именно солнечные панели, площадь которых составляет 1680 кв.м, полностью обеспечивают электроэнергией Международную Космическую Станцию (МКС). В самом начале эксплуатации эти панели генерировали 124 кВт электрической энергии, но из-за постепенной деградации под действием ионизирующего излучения вырабатываемая ими мощность упала до 80 кВт (за 10 лет эксплуатации).

То есть солнечные модули МКС обеспечивают среднюю электрическую мощность в 74 Ватта на 1 м 2 солнечной панели

Чем ближе к Солнцу, тем большую мощность вырабатывают солнечные панели. Так, например, солнечные панели зонда Мессенджер, исследовавшего Меркурий (2011–2015 года), были способны генерировать более 1 кВт электроэнергии с 1 кв.м площади солнечной панели. На орбите Земли самые современные солнечные панели той же площади генерируют 200–250 Ватт. На орбите Марса этот показатель будет составлять уже 100–130 Ватт с 1 кв.м

Мощность Солнечного излучения на орбитах планет

Однако, как показывает опыт эксплуатации солнечных панелей, это не самый удобный способ получения электрической энергии. Например, на новом зонде БепиКоломбо для изучения Меркурия, чтобы увеличить ресурс солнечных панелей (естественно, в ущерб КПД), их не будут развёртывать под прямым углом.

Поэтому зонду, который прибудет к Меркурию в конце 2025 года, для работы понадобится 42 кв.м солнечных панелей. А прошлые миссии и исследования показали, что солнечные панели можно использовать под прямым углом и с максимальным КПД без ускоренной деградации лишь на расстоянии более 93 миллионов километров от Солнца. На более близком расстоянии они перегреваются

Солнечные панели для полётов зондов дальше орбиты Юпитера уже не используются. Электрическую энергию вместо них вырабатывают радиоизотопные источники электроэнергии: такие, как РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор).

В РИТЭГе идёт естественный распад радиоактивных изотопов, при этом выделяется тепло, которое затем преобразуется в электрическую энергию

Три РИТЭГа на зонде Кассини, изучавшем Сатурн, генерировали в момент старта 885 Ватт электрической энергии. За 20 лет эксплуатации их мощность уменьшилась до 633 Ватт

Мощные РИТЭГи большой мощности в освинцованном корпусе и весом несколько тонн стояли массово на побережьях Российской Арктики для питания навигационных знаков

Я по совету отца-ядерщика заложил как зам. главного конструктора РИТЕГ в состав наземных станций СДРН ГЛОНАСС и Чайки в качестве источника бесперебойного питания Они необслуживаемые, размещались в отдельном вынесенном неотапливаемом помещении

Конечно, спустя лет 10 они требовали замены

Но это лучше чем сбой станций про просаде или кратковременном пропадании

Старые системы использовали кислотную аккумуляторную на танковых аккумуляторах, питающих громадные преобразователи постоянного напряжения 60 В в переменное (от АТС)

Один из РИТЭГов зонда Кассини

Космические зонды Пионер-10 и Пионер-11 (действительно пионеры в изучении дальнего космоса) тоже использовали РИТЭГи в качестве источников электроэнергии (мощность — 155 Ватт)

Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами

В итоге получение электрической энергии в космосе сегодня является большой проблемой. Даже МКС, с её системами жизнеобеспечения, научными приборами и экипажем до 7 человек, приходится рассчитывать на мощность всего в 100 кВт.

Решить проблему пытаются с помощью применении ядерных реакторов

В 1965 году США запустили ядерный реактор SNAP-10A, в котором 40 кВт тепловой мощности после термоэлектрического преобразования превращались в 500–650 Ватт электрической мощности

В 1964 году в СССР разработана ядерная энергоустановка Ромашка тепловой мощностью 40 кВт с более эффективным термоэлектрическим преобразованием энергии – 800 Ватт

SNAP-1.

Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3

Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238

Sentry

РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7

Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т

SNAP-9

Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт

SNAP-11

Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались

SNAP-19

Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды Пионер −10 и −11, марсианские посадочные станции Викинг. Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность 40 Вт

NAP-21 и −23

РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27

РИТЭГи для питания научного оборудования программы Аполлон. 3,8 кг плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности

MHW-RTG

Название расшифровывается как многосотваттный РИТЭГ 4,5 кг плутония-238 давали 2,4 кВт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством Вояджеры. На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности

GPHS-RTG

Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде Улисс, зондах Галилео, Кассини-Гюйгенс и летит к Плутону на Новых горизонтах

MMRTG

РИТЭГ для Кьюриосити. 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической

СССР запустил гораздо больше и более мощных ядерных энергоустановок на орбиту — около 40 спутников с различными ядерными реакторами на борту

Ядерные реакторы СССР

Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ Лимон-1 на полонии-210, созданный в 1962 году

Первыми космическими РИТЭГами стали Орион-1 электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии Стрела-1 Космос-84 и Космос-90. Блоки обогрева стояли на Луноходах −1 и −2, и РИТЭГ стоял на миссии Марс-96

31 спутник использовал ядерный реактор типа БЭС-5 (БУК). Это был реактор на быстрых нейтронах с натрий-калиевым теплоносителем, тепловая мощность которого составляла 100 кВт, что давало возможность получить от 1,3 до 5 кВт электрической мощности после термопреобразования

Ядерная энергетическая установка Топаз (масса — 980 кг)

В 1987 году были запушены спутники Космос-1818 и Космос-1867 с ядерной энергоустановкой БР-5 А (Топаз) тепловой мощностью в 150 кВт (5–7 кВт эклектической мощности после термоэлектрического преобразования)

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии БЭТА, РИТЭГ-ИЭУ и многие другие

В 1990-х годах разрабатывался проект ядерного реактора Енисей (Топаз-2) электрической мощностью в 10 кВт. Созданные образцы в 1992 году были проданы США для NASA за жалкие 13 миллионов долларов (не миллиардов, а миллионов!) В то время продавалось почти всё, в том числе и интеллектуальная собственность, наработанная десятилетиями исследований

Американцы уже строили свои грандиозные планы, как можно использовать 10 кВт электрической мощности на своих будущих военных спутниках, ведь это делало возможным и проводить дистанционное зондирование поверхности земли с проникновением на десятки метров под земную кору, и устанавливать лазерное оружие постоянного действия мощность в 1–3 кВт, которое может выводить из строя другие спутники с расстояния в 500 километров, и т.п.

Однако отсутствие опыта эксплуатации подобных мощных ядерных реакторов в космосе не позволило США довести свои планы до реализации, и в 1996 году проект был закрыт

В США разрабатывались и другие ядерные энергосистемы для космоса, например, SP-100 в 1983–1994 годах. Но успеха они не имели

В начале 2000-х годов в США стартовал проект JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) по созданию орбитального аппарата, предназначенного для изучения спутников Юпитера

Концепт JIMO

Космический аппарат с ядерным ректором на борту электрической мощностью в 200 кВт должен был быть запущен в 2017 году. Проект JIMO концептуально напоминает разрабатываемый в России проект Транспортного Энергетического Модуля мегаваттного класса

Для чего нужно 200 кВт электроэнергии? Для работы мощного радиолокатора, обеспечивающего зондирование ледяных спутников Юпитера на километры вглубь льда. Проект был заморожен в 2005 году и окончательно закрыт в 2015. И теперь эти 200 кВт электрической мощности можно использовать в любых целях, которые себе нафантазируют США, в том числе, и в военных.

Однако это не остановило исследование космоса, и по программе New Frontiers были отправлены аппараты: «Новые горизонты» с РИТЭГом электрической мощностью в 228 Ватт — для изучения Плутона, Юнона с солнечными батареями площадью более 60 кв.м и мощностью в 420 Ватт — для изучения системы Юпитера

В НАСА отказались от РИТЭГа в миссии Юнона из-за их дороговизны. К тому же началась разработка более эффективных солнечных батарей, способных генерировать на орбите Земли до 250 Ватт с 1 кв.м площади. Это делает возможным использование солнечных батарей на расстоянии до 750 миллионов километров от Солнца (5 астрономических единиц)

Отказ от РИТЭГов — вынужденная мера для США. Например, программа Новые Горизонты-2 для изучения транснептуновых объектов была закрыта в 2005 году из-за нехватки плутония-238

Плутоний-238 США закупали в России с 1992 по 2009 год. В 2009 году мы приостановили поставки плутония в США, поэтому с 2013 года США пытаются сами производить его (по 1,5–2 кг в год).

С 2015 года NASA разрабатывает космический ядерный реактор Килопауэр электрической мощностью от 1 до 10 кВт. В качестве термопреобразователя энергии данный реактор использует двигатель Стирлинга. Предположительное время его непрерывной работы составляет 10–15 лет. Сегодня проводятся работы по его наземной адаптации к Луне и Марсу, в перспективе — работы в космосе

Концепт реактора Kilopower, находящегося на Марсе

Модули Килопауэр могут быть объедены для получения 40 и более кВт электрической мощности на поверхности Луны или Марса. По планам NASA к 2027 году ядерный реактор должен продемонстрировать свою работоспособность на поверхности Луны.

Что сегодня делает Россия и почему Рогозин с щенячьим восторгом радуется запуску ракеты Ангара-А 5?

В 2030 году Россия будет располагать космическим аппаратом со свободной электрической мощностью 450–500 кВт (1000 кВт — полная электрическая мощность), что в 5–10 раз мощнее, чем вся энергетика МКС. Это будет транспортно-энергетический модуль Нуклон. Выводиться на орбиту он будет ракетой-носителем Ангара А-5 В с территории России. Но самое главное, в декабре 2020 года заключён контракт стоимостью 4,2 миллиарда рублей (56,5 миллионов долларов) на создание полномасштабного аванпроекта ТЭМ Нуклон

В аванпроекте и будут разработаны методы различного применения ТЭМ, как в исследовательских целях (полёты к Луне, Венере, Юпитеру), так и военная составляющая И об этом ни слова нет с СМИ

И это пугает США до ступора, ведь 500–1000 кВт электрической мощности в космосе – невиданный уровень технологического прогресса

Риторика США по милитаризации космоса внезапно сменилась на мирные разговоры. Теперь космос, по их мнению, должен быть белый и пушистый

Россия становится главной энергетической державой не только на Земле, но и в космосе. Это обеспечивает будущий задел и приоритет в сфере энергических технологий и исследований.

Нуклон в 2030 году полетит с 20-тонной нагрузкой к Луне для её зондирования вглубь лунной коры на десятки километров. А кто сказал, что в Минобороны России не захотят прозондировать территорию США, или ещё чего серьёзнее, например, вывести боевой лазер мощностью 300–1000 кВт?

Всё это для России будет не просто возможно, но и необходимо, судя по тому, что сегодня вытворяет США Например, нагло нарушает наши границы в заливе Петра Великого

Нуклон на презентации Роскосмоса в 2018

Поэтому создаваемый Россией ТЭМ Нуклон — это энергетическая платформа, которую можно и нужно переоборудовать во всё что угодно

От исследовательского космического корабля до боевой платформы. А вот чем в итоге станет ТЭМ Нуклон — зависит исключительно от миролюбивости наших западных партнёров и способности их договариваться и уважать интересы друг друга

ps Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию

Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.

Достоинства

Очень простая конструкция.

Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.

Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.

Не требует управления и присмотра.

Недостатки

-Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.

-Производство топлива сложное, дорогое и медленное

-Низкий КПД

Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла — будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва

Подробнее ➤