August 5, 2021

Хьюстон, у нас будут проблемы с космической ядерной энергетикой?

Проект Kilopower, партнерство между НАСА и Национальным управлением ядерной безопасности, разработало эту концепцию для системы с четырьмя 10-киловаттными ядерными реакторами, которые могли бы обеспечивать энергией длительную миссию на Марсе с экипажем. Предоставлено: НАСА.

Ядерная силовая установка – это самый быстрый способ отправить пилотируемую миссию на Марс, как Соединенные Штаты предлагают сделать в конце 2030-х годов. Но ядерная энергия также может быть полезна для других видов деятельности в космосе, требующих большего количества электроэнергии, чем солнечные панели могут обеспечить в настоящее время, таких как сбор льда с Луны для обеспечения питьевой водой и производства ракетного топлива для будущих исследователей Луны, а также для питания радиолокационных решеток для составления карты местности. Земля.

НАСА и Национальные академии наук, инженерии и медицины обозначили преимущества ядерных двигателей для исследования космоса и внесли важные предложения по разработке технологий, необходимых для отправки людей на Марс. Как бы ни была полезна эта работа, космическая ядерная энергетика – это не только двигательная установка. Динамичный коммерческий сектор и сектор национальной безопасности также могут извлечь выгоду из ядерного потенциала и сыграть важную роль в разработке технологий двойного назначения, которые имеют как военное, так и гражданское применение, хотя и с некоторыми оговорками для обеспечения безопасности человека.

В то время как отчет национальных академий, опубликованный в феврале, призывает к использованию ядерной энергии в двигательных установках, ядерная энергия для других применений становится все более привлекательной, поскольку коммерческий космический сектор стремится расширить свою деятельность. Было бы разумно обсудить и разработать политику в отношении использования космической ядерной энергии сейчас, чтобы проблемы политики и безопасности могли быть полностью решены в ходе разработки, предложенной НАСА и национальными академиями. Соединенные Штаты и весь мир должны принять важные решения о том, следует ли, когда и как использовать ядерную энергию в космосе.

Ядерная двигательная установка в космосе. Утвержденные Конгрессом расходы на 2021 финансовый год предусматривают выделение 110 миллионов долларов на разработку космических ядерных силовых установок. Это отражает растущий интерес НАСА к более амбициозным миссиям в дальний космос и растущий коммерческий интерес к использованию внеземных ресурсов на Луне, Марсе и поясе астероидов, для которых ядерная энергия станет ключевой технологией.

Космические ядерные двигательные установки представляют собой значительный шаг вперед по сравнению с такими современными двигательными технологиями, как химические двигательные установки и солнечные электрические двигатели. Химическая тяга создает большие силы, но требует, чтобы значительная часть массы космического корабля использовалась исключительно для перевозки топлива. Электрическая тяга требует относительно меньшего количества топлива, но выработка электроэнергии в космосе с помощью солнечных батарей обеспечивает низкую тягу и означает, что космическим кораблям требуются месяцы или годы, чтобы завершить свое путешествие.

Вырабатывая электроэнергию с помощью ядерного реактора или напрямую используя тепло ядерного деления для создания тяги, космический корабль будущего может иметь двигательную установку, которая устраняет недостатки нынешних технологий. Обладая высокой выходной мощностью и высокой массой, ядерная силовая установка нанесла бы мощный удар по тирании ракетного уравнения, которое диктует, что космическому кораблю требуется экспоненциально больше топлива, чтобы путешествовать дальше. Космические ядерные двигатели позволят выполнять совершенно новые типы космических миссий, такие как захват небольших астероидов или, как планирует НАСА, отправка людей на Марс.

Несмоторная деятельность в космосе. Помимо обеспечения передовых двигательных возможностей, ядерная энергетика предоставит возможность другой космической деятельности и позволит коммерческой космической отрасли уменьшить свою зависимость от солнечных батарей. Например, радиолокационные системы космического базирования могут отображать землю днем ​​или ночью, независимо от облачности, но требуют большого количества электроэнергии. Системы связи передают данные по всему миру, но их размер ограничен размером солнечных панелей. С помощью ядерной энергетики они могли бы отправлять больше данных на Землю или обслуживать больше клиентов, работая с более высоких орбит.

Космическая отрасль предлагает новые космические услуги и стремится к новым направлениям за пределами геостационарной орбиты, но в пределах орбиты Луны. Lockheed Martin объявила, что будущие спутники GPS будут спроектированы так, чтобы получать обновления аппаратного обеспечения процессоров и датчиков во время нахождения на орбите. Программа DARPA изучает будущее производство в космосе больших и легких конструкций с использованием сырья, полученного с Луны. В рамках программы NASA Commercial Lunar Payload Services планируется начать отправку коммерческих лунных посадочных устройств на Луну в четвертом квартале этого года. Этот всплеск активности, требующий частых полетов за пределы низкой околоземной орбиты, указывает на то, что потребности в двигательных установках и производстве электроэнергии будут продолжать расти, что делает ядерную энергетику все более привлекательным решением. В ожидании этого требования разговоры о правильном и безопасном использовании ядерной энергии в космосе должны начаться прямо сейчас.

Межведомственная оценка. Вместо того, чтобы быть ошеломленными наступающими событиями и технологическими разработками в космосе – не говоря уже о действиях амбициозных иностранных космических конкурентов, как военных, так и коммерческих, которые вполне могут не уделять должного внимания соображениям безопасности, – Соединенным Штатам было бы неплохо оценить космическое ядерное оружие. энергетический ландшафт, а также желательность и последствия потенциальных применений космической ядерной энергии. Соединенным Штатам следует лидировать в определении типов приложений, которые следует поощрять, приложений, требующих осторожности, и, возможно, некоторых приложений, от которых следует отказаться, поскольку риски перевешивают потенциальные выгоды.

В такой оценке были бы заинтересованы многочисленные федеральные агентства и внешние заинтересованные стороны. Это требует проведения межведомственного исследования под руководством Белого дома с участием коммерческого и некоммерческого секторов. Агентства, которые должны быть частью исследования, включают НАСА, офис министра обороны, министерства энергетики и торговли, военные службы, включая новые космические силы, разведывательное сообщество и EPA. На этом раннем этапе новое управление по политике в области науки и технологий при президенте на уровне кабинета министров должно возглавить обзор при участии Совета национальной безопасности и Национального космического совета. Этот обзор внесет ясность в национальную политику в отношении космической ядерной энергетики, предвидит технические и политические проблемы и решает их до того, как они могут серьезно осложнить выполнение программы.

Межведомственная проверка также должна определять меры по защите безопасности человека. Например, в отчете национальных академий рекомендуется, чтобы ядерные применения в космосе сводили к минимуму количество необходимого радиоактивного материала, проходили достаточные испытания для обеспечения надежной работы перед любым орбитальным полетом, ограничивали использование реактора до тех пор, пока космический корабль не достигнет безопасной орбиты, и проектировали все космические реакторы автоматически переходят в «безопасное состояние», в котором маловероятно, что реактор достигнет критичности и выдержит цепную реакцию деления, если произойдет сбой запуска. Применение ядерной энергии на низких околоземных орбитах должно включать в себя резервные механизмы безопасности, такие как резервная связь или вторичная двигательная установка, поскольку объекты на этих орбитах наиболее подвержены риску неконтролируемых событий возвращения в атмосферу, таких как авария советского реактора Космос 954.

В этой аварии 1978 года спутник Kosmos 954 развалился над Канадой, разлетев радиоактивный мусор по Северо-Западным территориям и потребовав многомиллионной операции по очистке. Космос 954 был не первым реактором деления в космосе. В 1965 году Соединенные Штаты запустили экспериментальный спутник под названием SNAPSHOT, чтобы испытать небольшой ядерный реактор, приводящий в действие раннюю форму электрической тяги. SNAPSHOT потерпел неудачу через 43 дня после запуска, но реактор благополучно остановился и остался на высокой орбите. В период с 1967 по 1988 год Советский Союз запустил 33 радиолокационных спутника RORSAT с реакторами. В отличие от SNAPSHOT, эти спутники RORSAT вращались на малой высоте и упадут обратно на Землю, если не будут переведены на более высокую орбиту удаления, с которой они не вернутся в течение нескольких столетий. Однако этот маневр не всегда был успешным и в двух случаях приводил к падению активной зоны реактора на Землю.

Межведомственный обзор США должен быть направлен на рассмотрение как возможностей космической ядерной энергетики, так и потенциальных рисков и недостатков, с тем чтобы можно было сформулировать последовательную дорожную карту, которая будет направлять усилия США и их союзников в области развития и влиять на зарубежные разработки. Бездействие по этим вопросам может позволить принимать решения исключительно местным интересам как здесь, так и за рубежом, без учета более широких интересов. Вооруженные дорожной картой, Соединенные Штаты смогут лучше отстаивать свои космические интересы и выступать за эффективный международный консенсус в отношении безопасного, разумного и продуктивного пути вперед, чтобы воспользоваться преимуществами, которые космическая область предлагает всем.

Американские космические и ядерные сообщества не должны игнорировать вероятные проблемы, которые возникнут в связи с неизбежным спросом на космическую ядерную энергетику. Скорее, они должны решать эти вопросы таким образом, чтобы их проблемы были озвучены и решены с уважением. Такая экспертиза также прояснила бы соответствующие руководящие принципы разработки и использования ядерной энергетики, обеспечила бы согласие отрасли и правительства в отношении того, как ответственно использовать преимущества ядерной энергетики, и официально санкционировала бы ее использование в коммерческом космическом секторе.

Много лет назад, в конце 1960-х годов, аэрокосмические энтузиасты в значительной степени игнорировали или преуменьшали озабоченность, выражавшуюся в отношении американской программы сверхзвукового транспорта (SST). В результате программа SST была отменена как по экологическим, так и по экономическим причинам. Соединенные Штаты не должны испытывать подобную судьбу в год 50-й годовщины отмены SST. Потенциальные перспективы космической ядерной энергетики слишком велики, чтобы идти на такой риск.