Попасть на земной спутник очень сложно: масса неудачных попыток прилунения там в 2020-х годах наглядно показала это. Но не менее сложно обеспечить там существенные научные и исследовательские результаты. Для этого не обойтись без базы, способной бурить на большую глубину и поддерживать работу ученых и космонавтов годами подряд.
Учитывая, что даже у «пиков вечного света» близ полюсов Луны десятки часов подряд не бывает ни одного солнечного луча, снабжать все это богатство электричеством от солнечных батарей вряд ли выйдет. Поэтому многие считают единственной разумной альтернативой лунную АЭС.
Наша страна уже подписала с Китаем предварительные договоренности о доставке наших космонавтов на китайскую лунную базу. Пекин будет работать не забесплатно: Москва предоставит для этой базы атомный реактор, а точнее, целую АЭС «Селена» — вещь, значение которой в освоении других планет уступает разве что многоразовым ракетам.
Другим планетам — другая энергетика
Космические полеты на другие небесные тела представляют как некую расширенную версию полетов к МКС: главное, чтобы был корабль, а на месте — станция, где могут жить люди. В теории это может быть одно и то же — скажем, «Старшип» по гермообъему больше МКС, а за счет большего внутреннего диаметра там куда удобнее будет размещаться и людям, и крупногабаритным грузам. Достаточно вспомнить орбитальную станцию «Скайлэб», сделанную из ступени «Сатурна-V»: ее внутренний диаметр позволял астронавтам бегать по внутренней поверхности цилиндра станции, и ничего подобного на орбитальных станциях после этого никогда не было возможно.
Но на практике Луна или Марс создают такие вызовы, которых на орбитальных станциях никогда не было. Речь, в первую очередь, об энергетике. На низкой околоземной орбите достаточно солнечных батарей и аккумуляторов. Ведь станции на орбите делают один оборот вокруг Земли примерно каждые полтора часа. Лишь половину времени витка станция находится в темноте. Накопители на десятки минут энергопотребления тут вполне достаточны.
На других небесных телах есть ночь длиной от дюжины часов (Марс) до двух недель (Селена). В теории из этой ситуации есть выход: так называемые пики вечного света у южного и северного полюсов Луны. Вот только вопреки названию свет Солнца там далеко не вечный, хотя и длится 80–90% года. Когда тьма все же наступает, она длится не одни сутки. Аккумуляторы в связи с этим нужны очень солидные, большой массы.
И это только начало проблем. Земной спутник имеет самую агрессивную из всех видов пыли, с которым когда-либо сталкивалось человечество. Атмосферы там нет, поэтому края пылинок не обточены ветровой эрозией, то есть абразивны и легко повреждают даже тонкий металл. Ввиду отсутствия атмосферы пыли реголита некуда сбросить электрический заряд, который она накапливает из-за солнечного ветра. Поэтому пыль там электростатически прилипает к любым поверхностям.
Астронавт устанавливал солнечные батареи? Поднятая его ботинками пыль осела на них. В район лунной базы приземлился еще один «Старшип»? Пыль, поднятая его двигателями, покроет все в радиусе пары километров. Чтобы не запылить при этом солнечные батареи, вы разгрузили «Старшип» в пяти километрах от станции и довезли все на луномобилях? Пыль от их колес тоже вполне эффективно воспарит над реголитом и будет «левитировать» за счет все тех же электростатических сил. Пока не осядет на солнечные батареи.
Все это создает совокупность проблем, которые исключительно тяжело решать
Пока на базе будет четверо или даже полдюжины человек, ее энергопотребление будет умеренным и проблему можно будет закидать шапками. Засыпало фотоэлементы, уложенные на склоне рядом со «Старшипом»-базой? Вынесете запасные (старые отчистить не получится, пока у нас нет эффективных средств очистки от лунной пыли). Наступила лунная ночь на пару дней? Аккумуляторы справятся.
Вот только Селену планируют осваивать не только ради того, чтобы держать в огромных кораблях на тысячу кубометров гермообъема по 4–6 человек. Такая база может иметь на борту сразу десятки ученых и инженеров. И ничто не мешает поставить рядом еще несколько «Старшипов», делая модульную базу хоть на сто человек, хоть на пятьсот. Как быть тогда? Какого размера будут поля солнечных батарей и что будет, если с ними что-то случится?
Наконец, Луну планируют осваивать у полюсов ради запасов водного льда, что прячутся под очень тонким слоем местной пыли. Чтобы растапливать его и использовать для получения ракетного топлива, понадобятся люди, машины и многое другое. База на 4–6 человек тут плохая опора. И не очень понятно, откуда она будет брать энергию для массовой плавки льда и электролиза воды до кислорода и водорода.
Все это давно привело ученых к выводу, что солнечные батареи эффективны лишь для небольших баз. А серьезное освоение требует атомных реакторов. То же самое относится к Марсу: нынешний глава NASA в интервью как-то отметил, что считает атомную энергию самым реалистичным вариантом энергообеспечения баз на Марсе.
Увы, земные реакторы не подходят для внеземных нужд
Почти все энергетические реакторы, используемые на Земле, опираются на дизайн, утвержденный в первой половине 1940-х годов еще Энрико Ферми: вода охлаждает трубки с таблетками ядерного топлива, превращается в пар, который крутит паровую турбину. Это ведет к ряду проблем даже в земной энергетике. Типичная длина паровой турбины на АЭС — десятки метров, это создает огромные турбинные залы, которые приходится накрывать недешевой гермооболочкой из метрового особого железобетона. В итоге АЭС невероятно материалоемки — в несколько раз больше, чем у газовых ТЭС, отчего и электричество от них несколько дороже.
С низким КПД на Луне еще можно смириться. Но огромные размеры и масса неприемлемы. Да еще и непонятно, как охлаждать воду от реактора: градирни для этого там не построишь, атмосферы нет. Ясно, что требуется иной реактор, радикально более компактный и не с водяным охлаждением. Эта совокупность параметров больше всего подходит реактору, нагревающему в своей активной зоне какой-то газ, который будет крутить газовую турбину. У той много выше обороты, чем у паровой, поэтому она несопоставимо меньше. Машзал может быть ультракомпактным, буквально с одну комнату. Тепло от такого реактора тоже надо будет отводить, но сделать это получится радикально проще.
Причина этого «радикально проще»: закон Стефана — Больцмана. Он гласит, что скорость отвода тепла излучением растет пропорционально четвертой степени температуры. Пар на выходе из водо-водяного реактора не горячее 570 кельвинов, а на выходе из реактора с газовой турбиной — горячее 1000 кельвинов. Разница вроде небольшая, но на практике металлическая пластина радиатора охлаждения на 1000 кельвинов сможет отдать то же тепло, что и на порядок меньшая по размеру, но нагретая до 500–550 кельвинов.
В теории для этого у России уже есть определенные карты на руках. В 2020-х годах наша страна испытала очень компактный реактор, активная зона которого охлаждается газом. Да, там использовался открытый газотурбинный цикл (этим газом был атмосферный воздух), но в принципе у нас идет макетная наземная отработка и космических реакторов на газовом охлаждении — для так называемых ядерных буксиров.
Что уже разрабатывается для лунных АЭС
Далеко не всегда самое технически эффективное решение бывает самым практичным. Любой реактор с газовой турбиной закрытого цикла имеет несомненные плюсы: малую площадь радиаторов отвода тепла, высокий (от 20% и выше) КПД, обеспечиваемый газовой турбиной.
Есть и минусы: газовая турбина состоит из подвижных компонентов, вращающихся на огромной скорости. Если у нее переменный режим работы, то есть она то прибавляет оборотов, то убавляет их, то ее обязательно надо подвергать ремонту раз в 15–25 тысяч часов. Для лунной АЭС это значило бы необходимость инспекции и замены части лопаток первой ступени (самой нагруженной) газовой турбины раз в 2–3 года.
Можно попробовать сделать межремонтный интервал турбины поменьше — если эксплуатировать ее в «ровном» режиме постоянной выработки, как на земных АЭС (правда, те пока в основном на паровых турбинах). Тогда ремонт нужен раз в 24 000–32 000 часов, 3–4 года.
Но есть нюанс: для «ровной» работы нужны запасающие литиевые батареи, иначе излишки энергии в периоды сна космонавтов девать будет некуда. Батареи имеют заметную массу, и поэтому их добавление в проект ухудшает его параметры. Причем не только по массе, ведь литиевые батареи придется хранить в герметичном объеме базы. Вне ее лунная поверхность быстро выведет накопители из строя, такая уж там температура. А литий, как известно, отлично горит при контакте с воздухом, отчего серьезные накопители на станции повышают риски не менее серьезных пожаров. Что литий — и более безопасные свинцово-кислотные аккумуляторы на подводных лодках не раз становились причиной пожаров, в том числе с человеческими жертвами.
Все это означает, что для атомной энергетики на других планетах газовая турбина пока подходит умеренно. Ну кто будет раз в пару-тройку лет вскрывать ее и ремонтировать? Турбинисты, которых мы срочно доподготовим до космонавтов? Или космонавтов переподготовим на турбинистов? Наконец, чтобы обслуживать турбину, ее придется тоже помещать в гермообъем базы. И тщательно следить, чтобы ни одна частица абразивной лунной пыли не попала внутрь при каждом ремонте. Между тем во время экспедиций «Аполлонов» после всего пары выходов астронавтов наружу не было буквально ни одного уголка посадочного модуля, не покрытого слоем лунной пыли. Лунная база будет постоянной — в пыли будет всё.
Этот букет практических проблем означает, что для проектируемой подразделениями Курчатовского института АЭС «Селена» придется выбрать не такую же схему, как для ядерного буксира. Просто потому, что тому не надо работать десятки тысяч часов подряд (мы пока не планируем столь долгих полетов) в переменном режиме, не надо проходить обслуживание в присутствии крайне опасной пыли и так далее. И тут может быть несколько вариантов.
Жидкометаллическое решение
Самым очевидным вариантом в этом случае становится жидкий металл. Глава Курчатовского института озвучил, что для «Селены» планируют реактор на свинце-висмуте, причем без газовой или паровой турбины. Электричество реактор будет получать за счет или эффекта Зеебека (термоэлектрические генераторы), или термоэмиссионных генераторов.
С первым вариантом все понятно: пара проводников разного состава, одна часть которых контактируют с реактором и нагревается от него, а вторая — выставлена в «холодильник», откуда отводится тепло к металлическим радиаторам, излучающим остаточное тепло в космос. Плюс решения — отсутствие подвижных частей, большой ресурс и необслуживаемость. Последняя, повторимся, в лунных условиях едва ли не самое важное требование. Минус очевиден: низкий КПД, в районе 3–4%. Именно термоэлектрические генераторы питают американский марсоход «Кьюриосити», получая тепло от российского плутония-238 на его борту. Но в случае космоса простота и необслуживаемость серьезно перевешивают КПД.
Второе возможное решение — термоэмиссионный метод, как у советских ядерных реакторов для спутников. При нагреве твердого тела до 900 кельвинов и выше оно начинает испускать электроны.
На нем работали советские реакторы «Топаз» электрической мощностью до 5–6 киловатт при тепловой в 150 киловатт. При сходном КПД технически они устроены чуть проще термоэлектрических.
Однако низкий КПД имеет и еще одну положительную сторону (кроме необслуживаемости): сброс тепла от реактора становится более высокотемпературным. А газовая турбина, отбирая слишком много тепла у жидкости, охлаждающей реактор, делает температуру своих «холодильников» (металлических радиаторов, отводящих тепло в космос) на сотню и более градусов ниже, чем у термоэмиссионных или термоэлектрических решений. Это кажется контринтуитивным, но чем ниже температура радиатора, тем сильнее падает теплоотдача с их квадратного метра. Причем падение это пропорционально четвертой степени от температуры в кельвинах, то есть происходит очень быстро.
Поэтому площадь металлических радиаторов там кратно больше. Соответственно, больше проблем с их установкой и обслуживанием (никто не знает, придется ли их чистить от лунной пыли или нет).
Слабые места подобных решений
Свинец-висмут — это тяжелый жидкометаллический расплав. Тяжелый настолько, что если вы случайно бросите туда гаечный ключ, то он не утонет, а так и останется плавать на поверхности. Это не предположение, а практика (да, в эксплуатации реактора бывает, что и ключи роняют). Впрочем, такая плавучесть неудивительна, ведь плотность свинца-висмута больше десяти тонн на кубометр.
Отсюда возникает естественный вопрос: почему тепло от активной зоны должен отводить именно он? Почему не натрий, который по плотности уступает свинцу-висмуту в дюжину раз? К слову, он еще и радикально более текуч и намного эффективнее отводит тепло.
В теории у свинца-висмута сверхвысокая точка кипения (1670 °C при соотношении в 44,5% свинца и 55,5% висмута). Пара тысяч кельвинов против ~1150, при которых кипит натрий. Кажется, что можно резко поднять температуру в активной зоне и за счет этого чуть увеличить КПД термоэмиссионного преобразования (чем выше температура излучателя, тем короче длина излучаемой им волны, а чем она короче, тем проще преобразовать ее в электричество). А заодно и увеличить температуру радиатора, отводящего тепло от АЭС «Селена» в космос.
Но в обозримом будущем это преимущество чисто теоретическое. Потому что стали реакторов (и корпуса, и тепловыделяющих трубок с ядерным топливом) просто потеряют прочность и устойчивость к коррозии, если мы слишком поднимем температуру. Это случится при температуре намного меньшей, чем точка кипения натрия. Так что объективно реактор «Селены» с ним был бы существенно легче.
У натрия есть и минус: при контакте с воздухом он может загореться, хотя и не слишком активно. Поэтому если придется вскрывать корпус лунного реактора (при условии, что он стоит в герметичном помещении) и работать внутри него, то свинец-висмут предпочтительнее. Однако и это преимущество скорее теоретическое, чем практическое. Кто вскроет реактор в условиях Луны и для чего? Менять топливные трубки на новые, со свежим топливом? Так делают на земных АЭС, но так не будут делать с первыми реакторами на Селене. Ведь в них можно использовать высокообогащенный уран. Не до 3–5%, как на земных АЭС, а хоть до 80%, как было у некоторых подводных лодок. В итоге запас топлива от одной загрузки будет достаточным буквально на десятки лет. Нет нужды менять трубки.
Ремонтные работы внутри реактора? В условиях Луны будут уже описанные выше проблемы с кадрами и пылью. Вообще, пока проблема с последней не решена, любые сложные устройства для лунной базы лучше делать герметичными и необслуживаемыми — или быть готовыми к тому, что пыль вызовет у них негерметичность со всеми вытекающими из этого последствиями.
Хватит ли первым лунным базам мощности АЭС «Селена»?
Глава «Росатома» недавно заявил, что уже в 2030-х на Луну будет доставлен российский реактор с электрической мощностью в пять киловатт. Ранее другие представители атомной отрасли уже называли такую мощность для реактора первой фазы освоения Селены. Масса его должна быть всего лишь 1,5 тонны, а размеры радиатора (излучателя, отводящего остаточное тепло в космос) — 15 на 15 метров. С помощью закона Стефана — Больцмана легко видеть, что такой размер радиаторов для отвода тепла от реактора с тепловой мощностью около 100 киловатт глубоко избыточен. Очевидно, разработчики пытаются обеспечить его уверенную работоспособность даже для экстремальных условий, типа прямого падения солнечных лучей на радиаторы.
Но есть и другая проблема: мощность МКС, где всего несколько человек экипажа, имеет пиковую мощность солнечных батарей существенно выше 200 киловатт. Да, примерно половину времени она питается от аккумуляторов, поэтому пиковую мощность надо делать на два. Атомный реактор может работать постоянно. Но даже в этом случае получается, что он даст на порядок меньше энергии, чем получает орбитальная станция.
Лунная база, даже ультракомпактная, была бы небезопасна, если бы ее персонал был меньше трех человек. В идеале лучше иметь четверых: один всегда может заболеть, как это недавно случилось на МКС с американским астронавтом. То есть закрыть ее потребности в электроэнергии АЭС «Селена» первой очереди не сможет.
Из этого ясно, что пока перед нами вспомогательный источник энергопитания на лунной базе, которую в основном придется снабжать от солнечных панелей, а то и при участии литиевых батарей (как бы пожаронебезопасны они иногда ни были).
Пока перспективы атомных реакторов на Луне и у нас, и у США ограничены величинами в 5–10 киловатт. Полноценную лунную АЭС хотя бы на 40–50 киловатт вряд ли привезут туда сразу. Поэтому первые годы солнечные батареи и аккумуляторы будут неизбежной принадлежностью любой лунной станции. А в каком-то объеме — и потом.
Без тренировки на малом не добиться успеха в большом
Как бы мала ни была мощность первых реакторов, без них не отработать технологий, нужных для реакторов по-настоящему больших. Вероятно, «Селена» (пока массой лишь в 1,5 тонны) могла быть и намного мощнее. Как АЭС «для последующих этапов». Но кроме реакторщиков есть еще конструкторы ракеты.
На сегодня единственный разрабатываемый кем-либо проект ракеты, способный доставить на Луну 12 тонн (как у реактора «последующего этапа»), — это детище SpaceX. Но она гарантированно не станет возить ничего для китайцев — в силу известных санкций, лежащих на КНР. Даже самая тяжелая из дошедших до НИОКР «в железе» китайских ракет не сможет доставить к Луне полезную нагрузку более пары тонн в одном рейсе.
Зато SpaceX может доставить на Луну американские реакторы типа Kilopower. Крайне маленькая демоверсия, слабее киловатта, уже проработала небольшое количество часов в прошлом десятилетии — правда, на Земле. И расчеты NASA показали, что такой же реактор на 40 киловатт будет достаточен для лунной станции на несколько человек.
Что ж, у Kilopower действительно есть интересные идеи. Его активная зона без трубок с топливом. Это кусок сплава из 93% урана-235 и 7% молибдена, через который идут тепловые трубки с жидким натрием внутри. Натрий, как мы уже писали, отлично отводит тепло и при этом легкий. Проект 10-киловаттной версии весит всего 1,5 тонны — как вдвое более слабый проект российского реактора для АЭС «Селена».
Но есть и некоторые сложности. Преобразование тепла в электричество в этом проекте делает двигатель Стирлинга. В нем есть подвижные части, и хотя они не под такими нагрузками, как в газовой турбине, риски поломок с ним определенно выше, чем с термоэлектрическим или термоэмиссионным преобразователями.
Как и российская «Селена» Kilopower использует пассивные средства обеспечения полной безопасности. Иными словами, он работает только при строго определенной плотности ядерного топлива. Стоит температуре в активной зоне заметно подняться, как топливо в ней снижает свою плотность, меньше нейтронов достигает соседних атомов урана, скорость цепной реакции начинает замедляться. Это полезные черты для реакторов, рядом с которыми сложно разместить серьезные средства активной безопасности, как в земных АЭС.
Как можно оценить сроки, когда все это станет реальностью? Ясно, что у США возможность доставить многотонные грузы на Луну появится раньше, чем у Китая, еще в 2020-х годах. Но вот успеют ли Штаты в те же сроки сделать реактор Kilopower со всей его обвязкой — понятно уже не так хорошо. Не исключено, что если российские разработчики лунного реактора смогут развернуть «Селену» на Селене до середины 2030-х годов, то по срокам они будут довольно близки к своим американским конкурентам.
