«ТРОИЦКИЙ ВАРИАНТ» №8, 2021 • КОСМОС • КОММЕНТИРОВАТЬ
Борис Штерн
«Троицкий вариант — Наука» № 8(327), 20 апреля 2021 года
Кратер Королёва. Фото ESA
Два года назад в «ТрВ-Наука» была опубликована дискуссия под шапкой «Что мы потеряли на Марсе?». Мы задали вопрос: «Вы хотите дожить до „человека на Марсе“ при условии, что вам придется заплатить за это в виде дополнительных налогов 1000 долларов?» Марс победил со счетом 113:57. Люди привели массу аргументов за и против. Вот главные аргументы против: «надо сначала порядок на Земле навести», «автоматы соберут больше информации за меньшие деньги», «человеческому телу не место в космосе».
С тех пор интерес к Марсу, пожалуй, возрос — отчасти благодаря Маску. За истекшие два года Марс стал казаться чуть ближе, хотя всё еще довольно далек. Некоторым задача дожить до присутствия людей на Красной планете представляется весьма нетривиальной.
Сейчас перспективы основных игроков по поводу Марса выглядят следующим образом:
Россия. Самостоятельно осилить марсианские амбиции, оставшиеся со времен СССР, Роскосмос не в состоянии. Однако у российской космонавтики на сегодняшний день есть задел по космической медицине, который мог бы стать вкладом в международную программу полетов на Марс.
США технически и экономически намного ближе всех к марсианским полетам. Однако отсутствие долговременной стратегии не позволило начать непосредственную программу подготовки такой экспедиции, и NASA на ближайшее десятилетие вновь сосредоточилось на Луне. Полет на Марс откладывается на 2040-е годы.
Китай планомерно развивает свою космонавтику и достигает рубежей в космосе, ранее покоренных СССР и США, но на ближайшее десятилетие его целями в пилотируемой космонавтике будут многомодульная низкоорбитальная станция и полеты на Луну. Определенно, с такими темпами к концу 2030-х годов можно ожидать первой китайской пилотируемой экспедиции на Марс.
SpaceX Илона Маска выступает в ранге великой державы. Только Маск заявляет о своих планах до конца десятилетия отправить людей на Марс. Считать несерьезными эти амбиции нельзя: SpaceX — единственная компания в Америке, которая прямо сейчас доставляет людей в космос и эксплуатирует самую мощную на Земле из летающих в настоящий момент ракету-носитель Falcon Heavy. Но разработка новой «марсианской» сверхтяжелой ракеты-носителя Starship потребует времени, а сами экспедиции — значительного финансирования, поэтому нельзя предсказать, успеет ли Маск опередить Китай.
Сегодня открываем дискуссию не только о том, зачем нам Марс, хотя с этого и начнем. Вряд ли кого-то удовлетворит короткая экспедиция с втыканием флага. Поэтому сильно забегаем вперед, расширяя предмет дискуссии:
- Нужна ли пилотируемая экспедиция на Марс?
- Реальна ли постоянно действующая база на Марсе, снабжаемая с Земли? Во что обойдется такая база и ее снабжение?
- Реальна ли почти автономная колония, снабжаемая с Земли лишь уникальными вещами, которые невозможно воспроизвести на месте?
- Реально ли терраформирование Марса и до какой степени? Оправданна ли такая цель?
Это всего лишь первые «затравочные» вопросы — в одну итерацию подобную дискуссию не проведешь. В этом выпуске газеты мы публикуем первые общие ответы и формулируем новые, более конкретные вопросы. В следующем номере надеемся перевести дискуссию в научное русло, насколько это позволяет современное состояние исследований.
Александр Хохлов, Борис Штерн
Откуда возьмется энергия и тепло для будущей обитаемой марсианской станции? Это достаточно далекое будущее, но интересно сделать прикидки уже сейчас.
Борис Штерн
Если речь о Марсе, то солнечные батареи не лучший вариант, так как выход с единицы площади небольшой, пыли много, и очистка панелей не самое достойное занятие для марсиан.
Энергетика Марса, несомненно, будет ядерной! Попробуйте возразить! Да и не только Марса, но и вообще далекого космоса, хоть в открытом пространстве, хоть на поверхности самых захудалых небесных тел.
Для начала обсудим энергоснабжение постоянно обитаемой марсианской станции. Сколько ей потребуется энергии? Для прикидки возьмем МКС, ее солнечные батареи выдают в максимуме около 240 кВт и около 100 кВт в среднем. На Марсе хотелось бы иметь побольше — там еще будут такие дополнительные статьи расхода энергии, как транспорт, строительная техника и производство ракетного топлива, которые и не снились конструкторам МКС. Остановимся в своих желаниях на мегаваттном реакторе, скажем, в пару-тройку мегаватт тепловой мощности и до мегаватта электрической. Этого хватит для тепло- и энергоснабжения небольшого поселка на Земле и довольно крупной базы на Марсе. Насколько реально забросить такой реактор на Марс? Сколько он будет весить? Его стоимость никого не волнует, поскольку она окажется заведомо ниже цены доставки.
Для начала посмотрим, что уже сделано по части ядерной энергетики в космосе. Давным-давно успешно используются радиоизотопные термоэлектрические преобразователи (РИТЭГи). Они стоят на «Вояджерах» и выдают энергию больше 40 лет; на двух последних марсоходах; на автоматических станциях, запущенных к Юпитеру и Сатурну. Это очень простое устройство: радиоактивный изотоп, который выделяет тепло за счет распада, и термоэлектрический преобразователь, чаще всего — термопара. Самый популярный изотоп — плутоний-238, у него удобный период полураспада (87 лет) и максимальный энергетический выход с единицы веса.
Но РИТЭГ хорош лишь тогда, когда нужно получить немного энергии с минимумом головной боли. Рекордные генераторы, использованные в космосе («Кассини», «Галилео», «Улисс»), выдавали 300 Вт электричества (4400 Вт по теплу) и весили больше 50 кг. Возможно, первые люди на Марсе будут греться первыми холодными марсианскими ночами именно такими генераторами, но в стратегической перспективе это безнадежно. Нужны ядерные реакторы.
Энергетический выход при делении урана-235 в тридцать с лишним раз выше, чем при распаде плутония-238. А если использовать турбину с генератором вместо термопары, то выигрыш на единицу веса топлива превысит два порядка величины. Какой именно реактор нужен для космоса вообще и для Марса в частности?
Есть два главных типа реакторов — на тепловых и на быстрых нейтронах. Реактор на тепловых нейтронах дешевле и практичней: сечение захвата тепловых нейтронов существенно больше, чем быстрых, — там можно обойтись умеренными потоками нейтронов для создания критического режима. В реакторе на быстрых нейтронах требуются существенно большие потоки, более высокая степень обогащения урана, соответственно, возникает более высокая радиационная и тепловая нагрузка на конструкцию реактора. В результате реакторы на быстрых нейтронах оказываются дороже на единицу мощности.
Тем не менее, их строят. Главное преимущество для Земли: они превращают неделящийся уран-238 в плутоний, который можно сжигать дальше. Таким образом, эти реакторы увеличивают потенциальный земной запас ядерного горючего в сотни раз. Для космоса это преимущество несущественно, зато там важно другое обстоятельство: высокий энергетический выход на единицу массы реактора и топлива. Их уже немало сделано и запущено на орбиту как в США, так и в СССР. Тепловая мощность доходила до 150 кВт, электрическая — до 6 кВт (СССР, «Топаз»). Наиболее известная авария произошла с реактором «Бук» (100 кВт тепловая и 3 кВт электрическая мощность) — спутник с ним упал на территорию Канады в 1978 году. Радиоактивное заражение было незначительным — к счастью, это далеко не Чернобыль — на пять порядков величины слабей. Но свою черную роль в торможении космической ядерной энергетики он сыграл. С радиофобией шутки плохи!
Перечисленные реакторы слабоваты для марсианской базы. Как и Kilopower, разрабатываемый в NASA специально для этой цели (Луна и Марс). Это тоже реактор на быстрых нейтронах мощностью от 1 до 10 кВт по электричеству, весом от 135 до 1500 кг в разных модификациях. Для преобразования тепла в электричество используется двигатель Стирлинга — поршни с нагреваемым и охлаждаемым газом. КПД такого двигателя гораздо выше, чем у термоэлектрических преобразователей, — до 25%. Это решение, видимо, оптимально для небольшой мощности.
Kilopower на Луне
И всё же нескольких киловатт явно недостаточно для серьезной базы, что на Луне, что на Марсе. Это масштаб одного частного дома. А сколько можно в принципе снять с одного реактора весом в пределах нескольких тонн? Снять можно очень много. Рекорд — 500 тепловых мегаватт с активной зоны объемом 2 м3. Причем не на бумаге, а в железе. Причем эта штука уже работала в течение пяти минут. Потом, к счастью, проект закрыли, поскольку это был американский «летающий чернобыль» под названием «Плутон». Дело было в первой половине 1960-х. Хорошо, что закрыли, но демонстрация возможностей реактора на быстрых нейтронах получилась мощная. Конечно, там не было никаких преобразователей, теплоносителей (рабочее тело и теплоноситель — забортный воздух), но и 500 МВт на Марсе пока не нужны. Неужели нельзя сделать реактор на мегаватт, подъемный, скажем, для Falcon Heavy? Конечно, можно. Проблема в том, что до сих пор было не очень нужно. И опять же радиофобия!
Из проектов космических реакторов самым привлекательным на данный момент кажется российский Топливно-энергетический модуль (ТЭМ), или «Нуклон». По сути космический буксир с ионным двигателем. Его основа — реактор на быстрых нейтронах, теплоноситель — ксенон, преобразователь — турбина с генератором. Планируемая мощность — мегаватт. Проект финансируется с 2009 года. Существуют некие наработке в железе, пока далекие от конечной цели, и концепция. До настоящего проекта, видимо, еще далеко. Называемые в недавнем прошлом сроки летных испытаний аппарата — 2030-е годы. Причем по дороге происходят явные трения между заказчиками и исполнителями. В 2020 году даже промелькнуло сообщение, что работы по проекту приостановлены. Вскоре Рогозин заявил, что работы продолжаются, но не афишируются.
Вообще, проект сам по себе — ключ к исследованию дальних областей Солнечной системы. Я бы послал разработчикам лучи поддержки, но им нужны не лучи, а финансы и, судя по всему, полная замена менеджмента. Предполагаемый вес всего буксира — около 20 тонн; сам реактор, по-видимому, будет весить в несколько раз меньше. Установка для марсианской базы, на самом деле, проще, поскольку там не стоит проблема отвода тепла.
А не проектируют ли подобные небольшие мобильные реакторы мегаваттной мощности для земных нужд? Конечно, проектируют, а именно для военных, которые не считают денег. Есть довольно много проектов и реализованных установок на колесах. Передвижные атомные электростанции создавали с конца 1950-х, но пока они не приобрели широкого распространения. Типичный вес для 10 МВт — десятки тонн, из которых большую часть составляет биологическая защита. Типичная стоимость — 100 млн долл. Самым привлекательным выглядит Лос-Аламосский проект — от 2,2 до 17 МВт, вес от 10 тонн, цена (в проекте) от 11 до 39 млн долл. Теплоноситель — СО2 (марсианский воздух), турбина, замкнутый цикл. (Может быть, они под видом реактора для военных проектируют марсианскую электростанцию?)
Сказанного достаточно, чтобы сделать вывод: мегаваттный реактор для Марса, который может быть доставлен в собранном виде на планету одним запуском тяжелой ракеты, не проблема. Это будет реактор на быстрых нейтронах, скорее всего, с газовым теплоносителем, с турбогенератором. Он же будет обогревать станцию. Короче, проблем с энергией не будет, проблема — добраться туда!
Источник https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435888/Mirnyy_atom_dlya_Marsa
Это интересно
+2
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Ответы на детские вопросы про "Лунную Афёру"
(1)
kauperwud
,
28.02.2022
-
Космический корабль в несколько километров: все, что известно о новом проекте Китая
(2)
андрей1
,
27.02.2022
-
ЗАГАДКИ "ПАРАДОКСА ФЕРМИ" БОЛЬШЕ НЕТ?
(3)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Марсианские реки
(1)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Семь спорных причин считать, что на Земле существовали цивилизации до людей
(1)
donskarloss@gmail.com
,
24.02.2022
20250222214749