США нашли замену плутонию-238: на чем будут летать космические корабли будущего
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы используются в космосе уже 60 лет. Они обеспечивают электроэнергией и теплом космические аппараты, которые направляются к дальним рубежам Солнечной системы — туда, где «мерзнут» приборы и «гаснет» солнечный свет. Традиционно в качестве топлива для таких установок использовались изотопы стронций-90 и плутоний-238. Для последнего требуется альтернатива. Одна из возможных замен — америций-241.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — это установка безмашинного преобразования тепловой энергии, которая выделяется при естественном распаде радиоактивного изотопа, в электричество. Она крайне надежна, поскольку не содержит движущихся деталей, и позволяет обеспечивать питанием и согревать бортовые приборы космических аппаратов, что особенно важно в условиях длительных полетов в дальний космос.
РИТЭГи применяются в космосе на протяжении 60 лет: на подобных установках по-прежнему работают межпланетные зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в далеком 1977 году, и «Новые горизонты» (выведен в космос в 2006 году), а также марсианские роверы «Кьюриосити» и «Персеверанс». В прошлом от них питались и такие аппараты, как «Галилео» и «Кассини», уже завершившие свои миссии 21 сентября 2003-го и 15 сентября 2017 года соответственно.
Чаще всего в качестве топлива для РИТЭГов использовался изотоп плутоний-238. Период его полураспада составляет около 87 лет, что обеспечивает постоянное выделение тепла, которое можно преобразовать в электричество. Помимо этого, данный изотоп отличается высокой тепловой мощностью (567 Вт/кг) и низкой скоростью эмиссии. В то же время у плутония-238 есть и недостатки, связанные с его радиоактивностью, трудностями в производстве, необходимостью серьезных мер безопасности и дефицитом.
В США этот дефицит возник по ряду причин, прежде всего, из-за прекращения производства. Выпуск плутония-238 прекращен в 1988 году по решению американского министерства энергетики, когда был остановлен реактор в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Считалось, что «большая часть мировых запасов была создана еще во времена холодной войны».
Кроме того, существовали серьезные опасения по поводу загрязнения окружающей среды, которые не позволяли американцам производить этот изотоп в достаточном количестве.
В результате с 1992 года США начали закупать плутоний-238 у других стран, в первую очередь у России. Последнее соглашение о поставках было подписано в 2003 году. Согласно контракту, Штаты должны были получать изотоп до 2009 года, хотя фактически поставки прекратились уже в 2008 году.
США неоднократно пытались наладить собственное производство изотопа, но эти попытки неизменно натыкались на высокую стоимость и трудоемкость процесса. При этом дефицит плутония-238 ставил под угрозу будущие космические миссии NASA по исследованию дальнего космоса.
На этом фоне инженеры по всему миру находятся в поиске альтернативных изотопов. Один из возможных вариантов — америций-241. Период его полураспада составляет 432 года, он проще и дешевле в производстве, чем плутоний-238, поэтому признается более привлекательной альтернативой. Этот изотоп активно производится в Европе и уже проходит испытания в США.
Эксперимент по созданию источников электроэнергии на основе этого изотопа выполнили сотрудники Исследовательского центра имени Гленна NASA и Университета Лестера. Последний занимается разработками в этой области 15 лет. Они делают не РИТЭГ, а машинные установки. В частности, специалисты обеих организаций построили испытательный стенд и преобразователь Стирлинга — поршневой двигатель, превращающий тепловую энергию в электрическую, — с нагревателем на основе америция-241.
В отличие от обычных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в Стирлинге тепло поступает в цилиндры извне. Стирлинг отличается также отсутствием клапанов, распредвала, системы зажигания и стартера. Это делает его долговечным при непрерывной работе, благодаря чему он может служить десятилетиями практически без износа.
Однако у этого двигателя есть и минусы. Например, ему нужно более интенсивное охлаждение по сравнению с ДВС аналогичной мощности. Кроме того, он плохо реагирует на изменения нагрузки и предпочитает работать в стационарных режимах.
Тем не менее американские специалисты видят в Стирлинге большие перспективы по использованию такой установки в полетах в дальний космос, где аппараты будут испытывать проблемы с получением энергии от Солнца. «Концепция начиналась как простой дизайн, но мы довели ее до уровня прототипа — близкого к летной версии генератора», — отметил инженер-механик Исследовательского центра им. Гленна Сальваторе Орити.
Отмечается, что устройство показало свою работоспособность и отказоустойчивость, достигнув целевых показателей производительности на испытаниях. На следующем этапе инженеры построят стенд меньшей массы, но более высокой эффективности — его подвергнут испытаниям в условиях окружающей среды (вакуум, космическое тепло и холод).
Интерес к америцию-241 обусловлен растущим спросом на долговечные, компактные и эффективные энергетические системы, причем не только для роботизированных аппаратов, но и для будущих пилотируемых миссий и операций на поверхности Луны. Ранее в Южной Корее разработали новую конструкцию РИТЭГов — она сделает бортовую электростанцию космических аппаратов более эффективной.
Фото Jef Janis/NASA
Самое популярное
