Когда НАСА перестанет летать в дальний космос?

Планетологическое подразделение НАСА работало над усовершенствованием радиоизотопного генератора Стирлинга с 2001 года. Были достигнуты многообещающие результаты: прототипы весом в 1,3 кг показывали отличный КПД, но вдруг…-

…- Впрочем, не совсем «-вдруг»-.

О том, что НАСА придётся закрыть уйму программ, стало ясно ещё несколько лет назад, когда ведомство стало отказываться от участия в международных проектах изучения дальнего космоса (прежде до такой потери лица, как односторонний выход из согласованной программы, дело доходило очень редко). Но бюджетный кризис в США продолжается, и на сей раз его жертвой пал усовершенствованный «-стирлинг»-, памяти которого мы и посвящаем эту заметку.

 -

Писать было бы не о чем, если бы мир не находился в ситуации жесточайшего дефицита по плутонию-238 — искусственно получаемому изотопу, который некогда был побочным продуктом создания ядерных боеголовок. Однако после 1992 года и в России, и в США такое производство остановилось, и единственным реальным источником остались запасы изотопа (поздний СССР производил больше боеголовок, чем США, отсюда и излишки). В том же 1992-м США предусмотрительно купили у России 30 кг плутония-238 — по цене $200 тыс. за килограмм, и именно на нём запускаются аппараты, работающие далее пояса астероидов, — все эти New Horizons и пр.

Что тут скажешь…- С одной стороны, мы, конечно, не первые: индейцы продали Манхэттен даже дешевле- с другой — у нас после распада СССР этот плутоний в космос всё равно не полетел, так что лучше неравноправная торговля, чем отсутствие исследований вообще. Но этот волшебный источник несколько лет назад иссяк — как раз в год отправки Curiosity, питающегося от российского плутония. За новые партии мы запросили по $6 млн за килограмм, чего НАСА позволить себе не могло.

В итоге аэрокосмическое ведомство запустило программу возобновления производства плутония. И два года подряд получало на неё деньги — а на третий ему отказали. Последствия печальны: плутония мало, а будет ещё меньше. И даже если деньги всё-таки дадут, производить на них получится только 1,5 кг в год, чего хватит лишь на одну заастероидную миссию в пятилетку. Да что там заастероидную: Curiosity питался почти от 5 кг этого топлива, то есть даже марсоход на таких скоростях наработки посылать можно не чаще раза в 3,5 года. Более серьезные миссии, такие как посылка аппарата для исследования Европы, ранее планировавшаяся НАСА, потребуют до 25 кг, а где они?

Но это только часть правды: по некоторым данным, кроме космического использования, часть этого изотопа до какого-то момента (а может, и сейчас) шла на сугубо секретные цели, о которых — молчок. Поэтому ограничимся письменным намеком: глубоководные разведывательные миссии.

Есть способ резко повысить отдачу от этого вида топлива, используя тепло от распада плутония-238 более эффективно. Сегодня радиоизотопные генераторы НАСА имеют КПД в 6% — как у паровоза средней паршивости. А вот разрабатывавшийся усовершенствованный «-стирлинг»-, пригодный для космических условий и весящий всего 1,3 кг, показывал 38% КПД: с его внедрением НАСА могло бы и на 1,5 кг в год запускать по одному роверу ежегодно, или, меряя в более дальних зондах, по одной АМС за пояс астероидов раз в три года. Стратегически это проблему не решит: если НАСА действительно хочет изучать космос дальше орбиты Марса (а больше, увы, делать это некому), то и с двигателями Стирлинга плутоний будет периодически иссякать, тормозя все дальние программы разом.

Но вот без «-стирлинга»- — а его финансирование теперь закрыли так же, как и наработку плутония-238, — у дальних автоматических зондов шансов нет вообще. Исследовать космос скоро будет не на чем, и последней миссией, которой хватит истощающихся запасов купленного у России плутония, станет следующий марсоход, запланированный к смене Curiosity в районе 2020 года. И всё.

Любопытно, что шаг по свёртыванию программы эффективного использования сверхдефицитного плутония-238 совпал по времени с самым резким в истории США падением уровня его запасов и решением конгресса об отказе в финансировании его дальнейшего производства. Замечательная синхронность…-

 -

Нет, нельзя сказать, что плутоний-238 — эдакое копье Вотана, и альтернатив этому чудо-источнику энергии в дальнем космосе совсем нет. Наиболее реалистичным считается проект ядерного реактора весом 1,5 кг, использующего обычный уран и извлекающего из него энергию при помощи восьми микродвигателей Стирлинга, конструктивно сходных с той моделью, которую НАСА недавно закончило разрабатывать для плутония. Одна беда: доводка этого проекта явно будет не дешевле, чем у плутониевого «-стирлинга»-, а денег нет и на него. Уран, как ни крути, — высокорадиоактивное вещество, и при падении выводящей зонд ракеты он может оказаться в атмосфере. С плутонием-238 угроза для здоровья серьёзно корректируется: человек способен пережить даже внутривенную инъекцию этого вещества.

Скорее всего, урановый «-стирлинг»- будет дорабатываться более осторожно, а появится он ко времени, когда плутоний-238 уже давно закончится, парализовав все усилия по исследованию объектов дальше Марса.

 -

Принцип действия радиоизотопных источников энергии

Один из первых образцов действующего генератора на радиоактивных изотопах был создан еще в 1913 году британским физиком Мозли. Он представлял собой сферу, внутри которой располагался радиоактивный элемент. Внутренняя поверхность сферы была покрыта тонким слоем серебра, к которому подвели электроды. Образованные в процессе бета-распада электроны ударялись о слой серебра и создавали электрический потенциал между ним и электродом с радиевой солью.  Приблизительно также работают современные генераторы, только их конструкция на порядок совершенней.

В отличие от атомного реактора здесь не происходит реакции деления ядра, а значит, данная технология куда безопасней. Более того, за радиоизотопным генератором вообще не нужно следить – он никогда не начнет сбоить, так как интенсивность излучения у конкретных элементов всегда одинакова. Правда, и влиять на него очень проблематично, поэтому приходиться проектировать установки под конкретные цели, которые выдают фиксированное количество энергии и не могут быть перенастроены.

Количество энергии, которое получается таким образом, очень мало. Для сравнения – в результате цепной реакции из 1 грамма урана можно получить до 20 МВт энергии, а если использовать метод радиоизотопной генерации – всего 8 Вт. Но период полураспада у него около 70 лет, то есть радиоизотопный источник будет работать десятилетиями, тогда как в атомном реакторе топливо «сгорит» за считанные секунды.

В марте 2008 года американская газета Space News опубликовала информацию, неправдоподобность которой переводила ее в разряд шутки. В США – крупнейшей ядерной и космической державе – заканчивался… плутоний-238 – радиоактивный материал, используемый в радиоизотопных источниках питания автоматических космических аппаратов. Америка прекратила производить плутоний-238 еще в 1988 году и с тех пор использовала накопленные запасы этого элемента. Начиная с 1992 года, США периодически покупали этот изотоп у России.

Майкл Гриффин, возглавлявший в 2008 году НАСА, заявил тогда, что «недалек тот день, когда мы (американцы – Ю.К.) используем последний имеющийся у нас килограмм плутония-238 и нам придется [полностью] покупать его у России». Гриффин отметил, что зависеть от России по плутонию для беспилотных миссий доставляет ему не больше радости, чем зависеть от нее по кораблям для станции, и назвал данное положение «ужасающим».

Впрочем, «ужас» здесь заключается не только в зависимости от России по данному радиоактивному элементу, а в том, что и в России он заканчивается. Плутоний-238 – это субпродукт производства ядерных взрывчатых веществ. Одним из признаков истощений запасов данного типа радиоактивного топлива у России стало двухгодичное прекращение его поставок в США в 2010-11 гг.

Зачем нужен плутоний-238

Это – источник энергии для многих космических аппаратов (КА), проще говоря, их «еда», дающая им «силы» выполнять поставленные перед ними задачи. «Но разве нельзя обойтись без плутония? – спросят образованные читатели. – Ведь солнечная система буквально пропитана энергией нашего светила. Если уж такому огромному объекту, как МКС, хватает солнечного света и тепла, то куда меньшим беспилотным КА их и подавно должно хватить».

Увы, бытовая логика в данном случае не работает. Во-первых, общая площадь солнечных батарей МКС превышает 3000 квадратных метров и составляет почти половину площади стандартного футбольного поля. Меньшими «сачками» энергию Солнца в том количестве, в котором это нужно станции, просто не собрать. КА, конечно, на фоне МКС почти незаметны, но и им требуются большие «лопухи», ловящие солнечную благодать. Большие батареи утяжеляют аппарат и усложняют управление им.

Во-вторых, многие из «автоматов» работают на значительно большем удалении от Солнца, чем наша планета, куда попадает ощутимо меньше тепла и света, чем на Землю. Представим КА, находящийся на внешней границе «пояса Койпера». Данный «пояс» – состоящая из малых небесных тел область Солнечной системы, расположенная на расстоянии от 30 до 55 астрономических единиц (а.е.) от Солнца, а астрономическая единица – это расстояние от Солнца до Земли. «Автомат» получает там в тысячу раз меньше солнечного света и тепла, чем КА, работающий на орбите Земли. Следовательно, чем дальше от нашего светила, тем больше должны быть батареи космических аппаратов. Это еще больше обостряет проблему веса и управления КА.

Проблему можно решить, если дать каждому из КА «коробочку с ланчем», где в виде «коробочки» будет выступать небольшой ядерный реактор (по-научному радиоизотопный термоэлектрический генератор, или РТГ), а в роли «ланча» – плутоний-238. Причем «ланч» этот весьма высокоэнергетический. Блок плутония-238 размером с кулак раскаляется докрасна в результате идущих в нем процессов распада и вполне может в течение многих лет удовлетворять голод КА, работающего где-нибудь на границе Солнечной системы.

К числу аппаратов, «питавшихся» плутонием-238, относятся американские «Вояджеры» – 1 и -2, запущенные в 1977 году к Юпитеру и Сатурну (к настоящему времени «Вояджер-1» после завершения своей основной миссии отошел от Земли почти на 120 а.е. и продолжает сохранять связь с операторами). Среди прочих обладателей «коробочки» с плутониевым «ланчем» – КА «Галилей», вращавшийся вокруг Юпитера. Для удовлетворения его «аппетита» потребовалось 15,6 кг плутония-238. По прожорливости его явно превзошел направленный к Сатурну и его спутникам КА «Кассини», в РТГ которого было загружено 32,7 кг этого радиоактивного топлива. КА «Новые горизонты», следующий в настоящее время к Плутону, ограничился лишь 10,9 кг плутония-238.

А нельзя ли заменить плутоний-238 его «близнецом-братом» плутонием-239? 239-й в отличие от 238-го продолжает производиться, так как используется в качестве топлива для АЭС и в качестве взрывчатого вещества в ядерном оружии. Теоретически заменить можно, только при этом возникает одна проблема.

Если для того, чтобы обеспечить марсоход «Кьюриосити» необходимым количеством энергии, в его ядерный реактор потребовалось положить 4,8 кг плутония-238, то плутония-239 пришлось бы загрузить почти в 270 раз больше, или 1288 кг. Напомним, что общий вес «Кьюриосити» составляет порядка 900 кг. Таким образом, масса одного лишь топлива, в случае использования плутония-239, превысила бы массу целиком оснащенного марсианского ровера в 1,4 раза. Этот пример достаточно красноречиво говорит о незаменимости плутония-238 в качестве топлива для РТГ.

Тайна за семью печатями, или Четыре вопроса к «Росатому» 

Вернемся к «ужасу», который испытывают США, в частности, НАСА, по поводу зависимости от России по плутонию-238. Для того чтобы развеять это чувство, «Голос Америки» задал четыре вопроса госкорпорации «Росатом», занимающейся поставками данного элемента в Соединенные Штаты.

1. Продолжает ли Россия изготавливать плутоний-238?

2. Если нет, то сколько этого топлива осталось в России?

3. Сколько еще плутония-238 Россия сможет поставить в США?

4. Чем был вызван двухгодичный перерыв в поставках плутония-238 из России в США? (об этом речь несколько ниже).

Через два дня официальная представительница этой организации ответила, что «запрошенные сведения представляют собой коммерческую тайну либо информацию для служебного пользования».

Если предположить, что НАСА и Госдепартамент на подобные вопросы «Росатому» получают такие же ответы, то оснований избавляться от этого «ужаса» у данных ведомств нет. Причем чувство это наверняка было обострено два года назад, когда, согласно информационному порталу «Росбалт», в середине декабря 2009 года Россия уведомила США, что не сможет поставлять в ближайшие два года 10 кг неоружейного плутония-238 для источников питания, устанавливаемых НАСА на космических аппаратах. Кроме того, Россия настоятельно предложила перезаключить соответствующее соглашение на новых условиях.

Данные факты в сочетании с нежеланием российской стороны внести ясность в вопрос, сколько еще плутония-238 осталось в России и сколько еще Россия сможет поставить этого топлива в США, дали основания американским СМИ, в частности, Национальному общественному радио (National Public Radio) сделать вывод о том, что «российское производство [плутония-238] уже давно остановлено, и Россия сама осталась без запасов данного элемента».

«Автомобиль» без «бензина»

Именно такое сравнение использовал Ральф Макнатт, специалист по планетным исследованиям в Лаборатории прикладной физики при Университете Джонса Хопкинса, когда описывал то воздействие, которое окажет истощение в Америке запасов плутония-238 на космическую программу США. В 2009 году Макнатт был одним из руководителей комитета при Национальном совете по научным исследованиям (NRC), который занимался данной проблемой.

В докладе, подготовленном данным комитетом, рекомендовалось возобновить производство плутония-238, чтобы избежать задержки или полной отмены будущих научных миссий.

С тех пор прошло почти три года, но «воз и ныне там».

Америка ищет выход

«Не будет большим преувеличением сказать, что будущее бесспорного лидерства США в области планетных исследований в 21 веке зависит от плутония-238, – сказал в интервью интернет-газете Space.com Алан Стерн, руководитель уже упомянутой миссии «Новые горизонты». – Мы еще сможем предпринять одну исследовательскую миссию [после “Кьюриосити”], но это все. Это какое-то сумасшествие. Безответственно подходить так близко к краю пропасти».

В начале 2011 года NRC опубликовал доклад под названием «Мнение [научного сообщества] по поводу основных направлений планетных исследований на текущее десятилетие». Приоритетным направлением данных исследований было названо возвращение с Марса проб грунта, на втором месте – исследование спутника Юпитера Европы – небесного тела, целиком покрытого ледяным панцирем.

Юпитерианская миссия, получившая название «Орбитальный аппарат для исследования Юпитера и Европы», оцениваемая по предварительным подсчетам в 4,7 миллиарда долларов, также потребует для своего осуществления плутоний-238. На нее у НАСА этого топлива хватит, но дальше – неизвестность. Есть два выхода решения проблемы.

Первый – создать РТГ, которые смогут более эффективно использовать энергию плутония-238, а значит, расходовать меньше этого типа топлива. Работы в данном направлении уже начались, но пока НАСА не дошло даже до испытаний опытных образцов этих генераторов.

Второй – возобновить производство плутония-238. На первый взгляд, задача довольно простая – ведь речь идет о производстве всего 2 кг плутония-238 в год. Но как выяснилось, сказать это значительно легче, чем сделать.

Трудные «роды» плутония-238

Итак, по подсчетам Макнатта, на возобновление производства плутония-238 придется потратить 5 лет и не менее 75 миллионов долларов. Другие специалисты называют срок 6-7 лет и сумму 150 миллионов. Для Соединенных Штатов даже 150 миллионов долларов – не такие и большие деньги (для сравнения – это в два с лишним раза меньше стоимости одного пассажирского «Боинга 747-8»), но здесь есть две проблемы.

Первая – непростая бюджетная ситуация в США. Законодатели сейчас куда в большей степени нацелены на экономию федеральных средств, чем на их дополнительные траты. Вторая – административно-бюрократические хитросплетения американского государственного механизма.

Дело в том, что производством плутония-238 должно заниматься Министерство энергетики США. И оно в принципе не возражает сделать это для НАСА. Таким образом, стоимость возобновления производства плутония-238 была бы разделена между этими двумя ведомствами. Но их бюджеты контролируют два разных подкомитета Конгресса, которые никак не могут договориться между собой относительно распределения затрат, связанных с «возрождением» производства плутония-238.

«Я считаю, что в подкомитете, контролирующем бюджет Министерства энергетики, сидят люди, которые настроены против [возобновления производства плутония-238], – сказал в интервью Space.com Алан Стерн. – У них достаточно власти, чтобы не допустить это, что они уже весьма эффективно делают в течение ряда лет. Нам нужно обращаться к русским, чтобы попасть на космическую станцию, мы уже не можем исследовать Луну так, как в те времена, когда я был еще мальчишкой, а теперь еще и лишимся способности исследовать Солнечную систему до самых ее границ. Это ослабляет Соединенные Штаты и ничего, кроме чувства глубокого разочарования, вызвать не может. Нужно открыто назвать имена тех людей, которые блокируют [возобновление производства плутония-238]. Это – антипатриоты».

НАСА уже пыталось включить в бюджетный запрос на 2010 год 30 миллионов долларов на начальные работы по запуску производства плутония-238 в США, но Сенат вообще «срезал» эту сумму. Палата представителей проявила большую щедрость, оставив из 30-миллионного запроса 10 миллионов долларов.

Сейчас внимание НАСА и американского научного сообщества сконцентрировано на миссии «Кьюриосити». Но вскоре после того, как этот марсоход, будем надеяться, успешно достигнет Марса и начнет там свои исследования, НАСА уже будет активно готовить следующий шаг по изучению внеземного пространства с помощью КА. И теперь неотъемлемой частью этой подготовки станет возобновление производства в США плутония-238.

Посмотрим, как это у них получится

 -

Подготовлено по материалам

Gizmag.

Александр Березин — 25 ноября 2013 года

http://www.golos-ameriki.ru/content/us-russia-plutonium-238-2011-12-02-134914958/248937.html

 -

Что еще интересного про космос мы обсуждали : вот например Прадедушка бластера из СССР, а вот американская Операция «-Скрепка»-. А еще вспомните, Когда впервые сфотографировали Землю из космоса ?