четверг, 24 мая 2018 г.

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В КОСМОСЕ И НА ЗЕМЛЕ


Сегодня мы поговорим о ядерной энергии в космосе. На снимке сверху - ядерный реактор подводной лодки. Не космический, но - компактный, надежный, рабочий.

Итак, ядерный реактор на космическом корабле - это хорошо или плохо?

В настоящее время на космических объектах используются ядерные источники двух типов. Это изотопные источники и ядерные реакторы. Первые - простые и надежные, но неуправляемые, вторые - посложнее будут, но ими можно управлять. Изотопники могут давать энергию сотни лет, но количество энергии будет уменьшаться со временем. Реакторы могут работать десятки лет, но по достижении определенной глубины выгорания топлива - остановятся. Изотопник в вакууме, когда его способность давать энергию иссякнет, не будет требовать обслуживания. Реактор после останова надо обслуживать, поскольку образовавшиеся в активной зоне короткоживущие изотопы будут продолжать разогревать конструкцию, и это может нехорошо закончиться. В последнее время появилось несколько новых схем ядерных реакторов космического назначения, и они решены в смысле нагрева в стиле изотопников. Открытая активная зона, в процессе работы излучающая в пространство тепло и нейтроны, после остановки реактора рассеивает остаточное тепло, делая реактор безопасным. Излишне говорить, что на Земле такие конструктивы недопустимы.

Итак, вопрос - нужен ли реактор в космосе? Нужен однозначно, там, где нет возможности для пользования солнечными батареями. Вырабатываемая солнечными батареями энергия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца, и потому уже в районе Юпитера СБ является скорее обузой, чем надежным источником энергии. Тот факт, что автоматические межпланетные станции пользуются СБ и там, говорит только о том, что разумной альтернативы у нас пока нет. С другой стороны, ядерный реактор как надежный поставщик большого количества энергии обладает ограничениями во времени работы. За то время, пока космический аппарат достигнет орбиты Урана или Нептуна, ресурс реактора будет в значительной степени исчерпан. И на саму работу на границах Солнечной системы у нас энергии реактора тупо не хватит. Мы рассмотрели возможность создания изотопного источника "с подкачкой", который в качестве источника энергии использует распад короткоживущих изотопов, как в изотопных источниках, а ядерное субкритическое ядро используется в качестве ""зажигалки", позволяющей "обновить" "батарейку". Но ребята, давайте быть рационалистами - изотопный источник дает очень мало энергии...

С точки зрения рассудка ядерные источники хороши на внешних границах системы, и исключительно для одиночных исследовательских миссий. Для серьезного освоения пространства они не годятся, и вот почему.

Каждый выведенный в космос реактор должен быть собран на Земле. Ну нет у нас на Луне, например, уранового месторождения, не можем мы, и не сможем в обозримом времени, построить в космосе обогатительный комбинат, химическую промышленность, которая даст нам материалы высокой степени чистоты, точное механическое производство и так далее. Каждый реактор в космосе - это запуск ракеты с Земли. Вот американцы, молодцы такие, сделали реактор "килоповер", дающий 10 кВт в течении 10 лет. Вопрос. Что такое 10 кВт? 10 кВт - это исследовательская автоматическая космическая станция. Уже сейчас мощность солнечных батарей МКС может достигать в пике 32 кВт, эта мощность вырабатывается в течении десятков лет, и все это нужно для того, чтобы три-четыре-пять космонавтов на борту МКС протянули и не померли. Не дохрена ли это - тратить три реактора по несколько миллионов долларов каждый, запускаемые ракетами по десятки миллионов за один старт, для освоения космоса командой из трех человек?

Ребята, а давайте посчитаем, сколько нам всего бабла потребуется, чтобы лунное поселение на сто человек снабдить энергией с помощью таких реакторов?

Вот потому я и говорю. Дальние исследовательские миссии, возможно - спутники особой надежности (военные например), и все...

Мы еще раз вспоминаем простую мысль. Освоение космоса возможно только за счет использования ресурсов самого космоса. А в космосе у нас есть Солнце, которое представляет из себя, худо-бедно - натуральный термоядерный реактор. Фактически, вся добытая солнечными батареями энергия - она ядерная. И нам нужно что-то, чтобы собрать эту энергию и применить там, где надо.

Предлагавшиеся в прошлой части солнечные лазеры с прямым преобразованием как раз и представляют из себя такие вот сборщики-преобразователи. Эффективность преобразования и возможная к преобразованию мощность определяются исключительно конструкцией рабочего тела лазера. Однако уже сейчас лазеры в десятки киловатт не являются чем-то недоступным или запредельно дорогим. Количество энергии, которое может быть собрано для "накачки" лазера, определяется лишь площадью собирающего солнечный свет зеркала. Зеркало тоже по стоимости и сложности изготовления - отнюдь не ядерный реактор. Лазерное излучение монохромно. То есть - имеет строго определенную частоту. Почему это важно?

И тут мы вспоминаем о том, как работают солнечные батареи...

Солнечная батарея преобразует не весь солнечный спектр. Реально используемые для создания электроэнергии длины волн определяются энергетикой электронно-дырочных переходов и фотоэмиссии. большая часть света, которая падает на солнечную батарею - просто нагревает ее, что солнечной батарее, говоря по совести - только вредит. Если подобрать батарею и лазер таким образом, чтобы длина волны лазера совпадала с оптимальной для преобразования данной батареей - КПД возрастет. Грубо говоря, при лазерном облачении с той площади батарей, которые на МКС дают сейчас 30 кВт в максимуме, можно собирать 60-80 кВт, без увеличения суммарной мощности потока излучения.

Использование солнечного лазера в паре с адаптированной к нему батареей повышает эффективность последней. Кратно.

Для нас это означает, что межпланетный корабль, площадь солнечных батарей которого достаточна для работы систем жизнеобеспечения, связи и навигации при питании только от Солнца, выйдя на траекторию полета к Марсу, например, и получив дополнительную энергетическую подпитку от солнечных лазеров, автоматически получит массу энергии для работы ионного маршевого двигателя. И этой энергии будет больше, чем сможет дать ему ядерный реактор, или даже несколько, из тех, которые мы сейчас сможем разработать...

Таким образом, если мы говорим не об отдельных автоматических экспедициях к границам Солнечной системы, а о регулярных полетах - нам ядерные реакторы не очень-то и нужны. И даже наоборот. Потому что мороки с ними много, радиационная опасность от них исходит всегда, а система солнечных лазеров, однажды созданная, будет функционировать в разы дольше, чем рабочий цикл любого реактора более-менее вменяемой мощности.

Возникает вопрос. Насколько надежно энергоснабжение космических экспедиций за десятки и сотни миллионов километров с солнечных лазеров? И здесь у нас вот какие ответы.

Первое. Солнечный лазер не один. Ну просто по техническим причинам сейчас очень трудно создать пустотный лазер, который даст те же 30 кВт в луче в течении длительного времени. А лазер мощностью в 300 кВт - запредельно трудно, практически невозможно. Со временем научимся, да, но пока - мы вынуждены будем пользоваться большим количеством лазеров малой (по энергетическим меркам) мощности. А значит - неполадки с одним лазером существенного влияния на работу системы в целом, и конкретной экспедиции в частности, не окажут. У нас резервирование получается автоматически, понимаете?

Второе. Когда мы наблюдаем в море нефтедобывающие платформы - у нас появляется мысль о ненадежности? Нет, не появляется. Так и тут - привыкнем. Если мы говорим об индустрии, и об энтерпрайз-левел решениях, вопросы того, что "все пропало, шеф" - они не стоят в принципе. Индустриальные системы строятся таким образом, чтобы при возможных неполадках не допускать катастроф. Потому один экспериментальный лазер, возможно - и не надежно. Но система индустриальная, с гарантированными характеристиками - она надежна. Город на Марсе снабжать можно будет энергией, сотни лет подряд, понимаете, а не один кораблик...

Третье. Наведение и удержание фокуса на дальние объекты давным-давно отработано в космических телескопах. Это не вопрос в принципе. А в промышленном исполнении это будет очень недорогой невопрос. Более того - движение космических тел весьма предсказуемо. Потому считать траекторию корабля, находящегося за три миллиона километров, наводиться "по зайчику" и стрелять лучом в заранее рассчитанную точку на упреждение в реальном масштабе времени - это просто. А с учетом того, что единственным реально существующим вариантом двигателя для дальних экспедиций является ионный, который дает очень малые ускорения, и следовательно, траектория корабля на участке, диктуемом временем прохождения луча, можно считать баллистической - даже поправку на работу двигателя давать не придется.

Наконец, на борту корабля может находиться на всякий случай ядерный реактор. Только он будет выключен. Вот мы и нашли еще одно применение ядерной энергии в космосе.

Ядерный реактор может применяться в качестве аварийного, запасного источника энергии в пилотируемых миссиях.

Помимо этого, возможно использование изотопных источников малой мощности в качестве "шобдышал" на разного рода лунных и марсианских роверах. Марсоход Оппортюнити во время миссии подвергся запылению солнечных батарей во время марсианской бури и испытывал проблемы с электропитанием. Если бы он располагал "батарейкой", которая позволила бы стряхнуть пыль с солнечной батареи - эта проблема была бы решена. Кроме этого, изотопные источники облегчают поддержание температурного режима электроники аппаратов возможностью прямого подогрева, когда аппарат находится в режиме ожидания. Что особенно актуально для лунных аппаратов, подвергающихся глубокому охлаждению во время двухнедельной лунной ночи.

Наконец, компактные реакторы типа килоповера, теоретически (очень теоретически), если мы будем реально спешить на Луне - нам пригодятся для снабжения лунной базы. Но я бы не заморачивался. Потому что 10 кВт - это слезы, а закрывать значительный сектор поверхности для передвижения людей из-за излучающего стервеца не совсем приятно. Хотя, с точки зрения двухнедельной лунной ночи - похоже, придется, но для этого как раз килоповер не годится совершенно, так как не позволяет отбор тепла на технические нужды в случае необходимости. В этом смысле будет проще кидануть к станции пяток изотопников, снабженных термоинтерфейсами. По параметрам радиоактивного излучения они будут более приятны в обращении, (собственно говоря, они и рассчитаны на обращение в излучающем состоянии), а возможность отбирать тепло от радиаторов и подавать на станцию, а также проводить обследование в любой момент работы - бесценной. Соединив термоинтерфейсы со станцией, мы получим "магистраль отопления", которая будет нас греть долгими лунными ночами.

С килоповером, который после запуска, и даже после останова будет представлять сильный источник радиации, в том числе нейтронами - работать будет гораздо сложнее.

Существует еще одна космическая область, в которой нам могут потребоваться ядерные источники энергии. Я буду говорить чисто за Луну, для Марса это не годится, по крайней мере я пока вижу больше препятствий, чем выгод. Чтобы понять, о чем я, нам нужно чуть ближе посмотреть на ядерный реактор вблизи.

Ядерный реактор - это тепловая машина. Он вырабатывает тепло. Это тепло нужно от него отводить. На Земле для этого используются контуры теплоносителя, а излишки тепла уходят в атмосферу с помощью конвекции, которая по своим параметрам переноса энергии гораздо мощнее и выгоднее прямого излучения. Днем на Луне жарко, и с излучением у нас вообще проблема. А ночью холодно, и с излучением все будет хорошо. С точки зрения реактора на Луне его надо включать на ночь (14 суток) и выключать днем (14 суток), переходя на электропитание от солнечных батарей. Но это только один момент.

Из-за того, что мы можем отводить тепло на Луне только излучением - мощные реакторы на Луне невозможны в силу сложности построения радиатора огромных размеров, осуществляющего перераспределение тепла и его излучения в космос.

Потому реакторы для Луны должны быть маленькими и низкой мощности.

И вот здесь у нас возникает новый концепт лунного реактора.

Мы не изготавливаем реактор на Земле и не доставляем его целиком на Луну. Мы изготавливаем элементы реактора на Земле и доставляем их на Луну, где собираем и запускаем в эксплуатацию. Есть земная аналогия. Реакторы ВВЭР требуют изготовления корпуса реактора и доставки на место строительства целиком. Реакторы типа РБМК собираются "из кирпичиков" прямо на стройплощадке.

Графитовые сборные реакторы - это начало атомной эры. И эти же реакторы открывают нам новые перспективы на Луне. Собранные в небольших кратерах (чтобы радиация уходила вверх) "на открытом воздухе", эти реакторы будут делать то же, что делали на Земле - они будут нам создавать изотопы для изотопных батареек "шобдышал" для различных лунных автоматов. Обслуживаемые роботизированным манипулятором, такие реакторы могут стать фабриками по производству изотопов, обогревающих и дающих минимум энергии для переживания лунной ночи как обитаемыми базами, так и робототехническими комплексами. В таком варианте у нас сочетаются простота, функциональность, рациональность и безопасность реактора в лунных условиях. В любом случае, представляется гораздо более разумным использовать самосборные конструкции вместо моноблочных реакторов целиком земного монтажа, как с точки зрения логистики, так и с точки зрения гибкости использования.

Кроме того, сборные реакторы в отличие от моноблочных представляют возможность радиационной обработки материалов, что применяется в земной промышленности, и скорее всего, найдет место и в лунной, и мы пока не знаем, как именно.

Необходимо понимать, что ядерные реакторы пока что изготавливались только на Земле и чисто для земных нужд. Конструкция их, даже такая революционная, как в реакторах космических аппаратов, в общем, диктуется земной логикой. В космосе условия несколько отличаются, и существует ненулевая вероятность того, что в структуре хозяйствования, пригодной для Луны или Марса, реакторы найдут себе новые способы применения и обретут новые функции, которые нам пока неясны или неизвестны. В любом случае, я не рассматривал бы ядерные реакторы как единственные конкурентоспособные источники энергии при освоении космоса. Потому что ядерные реакторы, которые мы знаем - это пока еще слишком земное.

Это еще человеческое, слишком человеческое...

Комментариев нет:

Отправить комментарий