Как найти энергию в космосе

Более семидесяти лет назад, в 1941 году, Айзек Азимов написал рассказ, в котором энергию солнца передавали через микроволновые лучи на соседние планеты при помощи космической станции. Прошли годы, и сегодня ученые пытаются воплотить эту научную фантастику в реальность на Земле. Концепции использования солнечной энергии, получаемой из космоса, или непосредственно в космосе разрабатываются с середины 20 века. Множество проектов ждут своего часа.

Будущее солнечной энергии

Используя солнечную энергию в космосе (SBSP), мы могли бы решить наши проблемы с энергией и выбросами парниковых газов с минимальным воздействием на окружающую среду. Профессор Серджио Пеллегрино из Калтеха недавно заявил, что массивное производство энергии системы SBSP и тот факт, что наше солнце будет работать еще 10 миллиардов лет, позволяют нам предположить, что источник энергии у нас не иссякнет еще долго.

Одно из самых обширных исследований NASA за все время, Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program, было посвящено конкретно SBSP и обошлось более чем в 50 миллионов долларов, оно проводилось с 1976 по 1980 год. Другое фундаментальное исследование, финансируемое NASA, для переоценки и понимания осуществимости SBSP, называлось Space Solar Power Exploratory Research and Technology. Исследование включало огромное количество твердых научных изысканий, но в целом вывод был таким:

«Крупномасштабная SSP — это очень сложная интегрированная система систем, которая требует многочисленных значительных прорывов в современных технологиях и возможностях. Разработана технологическая карта, которая определяет потенциальные пути для достижения всех необходимых прорывов — хотя и в течение нескольких десятилетий». — Джон С. Манкинс, 7 сентября 2000 года.

Понятно, что ничего не понятно. Давайте глубже погрузимся в основы этой экспоненциальной технологии и ее реализуемости.

Что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия, добываемая в космосе, это концепция захвата солнечной энергии в космическом пространстве и передачи ее прямо на Землю или другие ближайшие планеты.

Проще говоря, мы могли поместить какой-нибудь механизм в космическое пространство, чтобы почти непрерывно захватывать энергию Солнца и передавать эту энергию на Землю. Это может происходить днем или ночью, в дождь или при ясном небе. Как только мы получаем энергию на Земле на ректенну (специальная антенна для получения энергии), мы сможем легко распределить ее с помощью наших обычных методов. Все очень просто.

Существует масса идей, связанных с конфигурацией и архитектурой механизма SBSP, которые мы могли бы использовать. Место размещения системы, архитектура спутников, сбор энергии и передача энергии — это основные крупные пункты, на которые следует обратить внимание при понимании различных систем SBSP. Учитывая количество предлагаемых концепций, мы рассмотрим только некоторые из наиболее заметных вариантов.

Система добычи солнечной энергии?

Геосинхронная, она же геостационарная, (ГСО) орбита, средняя околоземная (СОО) и низкая околоземная орбита (НОО) — вот варианты к рассмотрению. Наиболее перспективной является ГСО из-за упрощенной геометрии и выравнивания антенны по отношению к ректенне, масштабируемости и почти непрерывной передачи энергии. Основная проблема ГСО — большое количество радиационного излучения. Общие космические опасности, такие как микрометеориты или солнечные вспышки, также представляют угрозу.

Спутниковая архитектура

Создать лунные фабрики с большим количеством перевозок или же разработать астероиды для сборки или самосборки спутников SBSP — в любом случае, создание автономных космических фабрик будет сложной задачей. Любое строительство в космосе потребует использования местных и бесплатных материалов (то есть лунных), при этом накладывает определенные ограничения на сложность конструкций, если сравнивать с теми, что можно построить на Земле.

Одна интересная установка, которую мы сейчас строим на Земле, это модульная солнечная батарея разработки Калтеха и Northrop Grumann. Посмотрите на нее на видео ниже.

Другая интересная концепция от частной компании Solaren. В будущем она планирует провести эксперимент со строительством солнечной электростанции SBSP мощностью 250 МВт на геостационарной орбите. В 2009 году Solaren заключила соглашение с крупнейшей энергетической компанией Калифорнии PG&E на обеспечение ее космической солнечной энергией.

Небольшое, но интересное ответвление: Космический лифт между Землей и Луной может стать реальностью

Даже NASA с концепцией произвольно большой фазированной решетки (разработанной в 2012 году) привлекла к себе недавнее внимание от Джона С. Манкинса, одного из ведущих экспертов SBSP в мире.

Как собирать энергию солнца в космосе?

Две основные концепции, связанные со сбором энергии, это использование фотогальванических элементов (солнечных батарей) или солнечного тепла. Можно улавливать солнечное тепло (а значит и энергию), используя зеркала для концентрации света и нагрева жидкости. Пар, в свою очередь, будет вращать турбину и вырабатывать электричество. Эта концепция обладает определенным весовым преимуществом по сравнению с солнечными панелями, поскольку снижает общую массу на ватт. Однако в большинстве концепций предполагается использовать сверлегкие и высокоэффективные фотоэлектрические элементы.

Как передавать энергию солнца из космоса?

Микроволновая передача энергии — типичный выбор в конструкциях SBSP из-за общей эффективности, но использование передачи энергии по лазерному лучу — еще одна интересная опция из-за сниженного веса и стоимости. Тем не менее, при мысли о мощном лазерном луче  возникает опасение, что его можно превратить в космическое оружие (луч смерти). Однако протоколы безопасности могли бы с легкостью устранить эту угрозу. Конструкции можно создавать с учетом всех требований к безопасным уровням микроволновой энергии. Не будет никакой угрозы для жителей городов и живых существ на пути лучей к земле. Простая обратная связь между антенной и ректенной позволила бы вырубить передачу, если она отклонится от курса.

Теперь, когда мы лучше поняли, что такое SBSP, давайте погрузимся в ее наибольшие ограничения.

Стоимость передачи космической энергии

Может показаться, что все прекрасно и солнце будет миллиарды лет обеспечивать нас бесплатной энергией. Однако всегда есть подвох. Мы уже отметили ряд проблем безопасности, но главное препятствие связано с затратами на отправку всех материалов, необходимых для SBSP. Текущие сметы расходов на отправку примерно 1 кг полезного груза в космос варьируются от 9000 до 43 000 долларов США в зависимости от используемой ракеты и космического аппарата.

Если мы посмотрим только на отправку солнечных панелей, нижний предел спектра затрат на запуск сверхлегкой системы SBSP мощностью 4 МВт составляет 4000 метрических тонн. Но вероятнее всего SBSP будет в диапазоне 80000 метрических тонн.

Низкая оценка: 4000 метрических тонн х 9000 долларов за килограмм = 36 000 000 000 долларов

Высокая оценка: 80 000 метрических тонн х 43 000 долларов за килограмм = 3 440 000 000 000 долларов

Хотя эти цифры будут крайне приблизительными, мы все еще получаем приблизительную стоимость от 36 миллиардов долларов до 3,4 триллиона долларов. Использование фабрики на Луне или астероиде внезапно кажется дешевым.

Результаты исследования NASA показывают, что космическая солнечная энергия является «экономически жизнеспособной», если стартовые затраты будут колебаться в пределах 100-200 долларов за килограмм. Хотя цены продолжаю падать, в том числе благодаря многоразовым ракетам SpaceX, предстоит еще долгий путь. Тем не менее, эта тенденция будет следовать закону ускоряющейся отдачи Рэя Курцвейла, и цены на запуски будут продолжать снижаться с миллиардов и миллионов до нескольких сотен долларов.

Излишне говорить, что проблема не в технологии, а в ее стоимости.

Есть ли перспективы у солнечной энергии?

Способность SBSP обеспечивать чистую и надежную электроэнергию для планеты круглосуточно и без выходных дешевле любого другого источника — абсолютно реальна. Но потребуются десятилетия инвестиций, сборки, тестирования и успешного внедрения, прежде чем система начнет окупать свои первоначальные затраты.

И все же, важнейшим компонентом продвижения SBSP как фактического источника энергии является правильный политический климат.

Зачем нужна энергия солнца?

Если не принимать во внимание политику, получив SBSP (или ядерный синтез) в следующем десятилетии, мы могли бы воплотить такие научные концепции:

• Космические лифты и космические башни
• Орбитальные кольца — используя космические лифты, создать кольцо вокруг Земли вместо космической станции для дешевого передвижения грузов и освоения космоса
• Сферы Дайсона — гигантские оболочки, охватывающие целую звезду и поглощающие весь ее выход энергии
• Матрешечные мозги — слоеные сферы Дайсона для превращения звезд в массивные компьютеры с использованием энергии, выделяемой всеми звездами
• Миры-кольца — искусственные планеты, использующие целую звезду

Вариантов много. Осталось только их придумать и разработать. Предложите свои? Начните в нашем чате в Телеграме.

Термоэлектрогенераторы, наноспутники и солнечные батареи. Как добыть энергию в космосе

Любой космический аппарат, особенно предназначенный для длительной миссии, должен быть оснащен собственным источником энергии. В настоящее время широко используются солнечные батареи, фотовольтаические элементы и термоэлектрогенераторы. Однако им на смену уже скоро могут прийти наноспутники, оснащенные электродинамическими тросовыми системами.

Покорение глубокого космоса

Отправляясь в дальнее путешествие на машине, одним из важных аспектов будет постоянное слежение за наличием бензина. Конечно, необходимо тщательно просчитать маршрут, но базовая схема такова: как только его количество подходит к концу, нужно сделать остановку у ближайшей заправочной станции, запастись топливом и ехать дальше. До следующей заправки.

Ракеты и космические аппараты в этом ничем не отличаются от автомобилей – им тоже нужно топливо. Но есть одно «но» – заправок в космосе еще никто не построил. Что делать, если аппарат не просто нужно вывести на орбиту Земли, а совершить действительно длительное путешествие, за пределы Солнечной системы?

Сколько стоит отправить посылку в космос?

Если вы когда-нибудь зададитесь такой целью, вариантов решения проблемы на самом деле немного. Во-первых, можно пожертвовать всевозможным оборудованием на борту и отправить в космос действительно большой запас горючего. Скорее, это даже скорее просто будет гигантский летающий резервуар с топливом – настолько много его понадобится.

Сомневаемся, что вам такой способ придется по вкусу – каждый дополнительный килограмм веса при запуске ракеты обойдется вам очень и очень дорого. Если быть точнее, около десяти тысяч евро. Космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», относящиеся к так называемым «deep space probes» – космическим станциям, исследующим глубокий космос – бороздят Солнечную систему уже сорок лет. При всем желании отправить достаточно топлива для столь серьезных миссий у вас никак не получится по элементарным экономическим причинам. Да и о научной пользе от такого запуска говорить не придется, если от оборудования вроде камер, приемников и передатчиков информации придется по максимуму отказаться.

«Что значит, вы не были на Альфе Центавра?»

Технологии дозаправки в космосе действительно существуют, и в целом используются уже достаточно давно. Топливо доставляется на орбитальные космические станции и даже на отдельные спутники, хотя это сделать уже гораздо сложнее. В любом случае, речь идет именно об объектах, которые находятся на орбите Земли. Как только вы собираетесь преодолеть притяжение родной планеты и отправиться в глубокий космос, ни о какой дозаправке не может быть и речи. Космические заправочные станции – все еще удел научной фантастики, в реальности это и технологически и экономически сложно и крайне невыгодно. И клиентов будет немного.

Остается последний, третий вариант, в котором «каждый сам за себя»: вы каким-то образом вырабатываете энергию на борту своего космического аппарата самостоятельно.

Наследие Эйнштейна

На спутниках, находящихся на низких околоземных орбитах, имеющих высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км, или на геосинхронных орбитах, когда период обращения спутника вокруг Земли равен суткам, используются солнечные батареи. Их работа основана на фотовольтаическом (его еще называют фотогальваническим) эффекте, за счет которого при попадании света на некоторые вещества вырабатывается электрический ток.

Фотогальванические решетки имеют мощность от 100 ватт до 300 киловатт и являются относительно недорогим источником энергии с минимальными правилами безопасности при использовании.

Вездесущая радиация

Впервые фотовольтаическая энергия была использована 17 марта 1958 года, когда был запущен спутник «Авангард-1» с шестью солнечными панелями на борту. Они проработали более шести лет, вырабатывая 1 ватт мощности. При этом эффективность этих батарей, то есть отношение вырабатываемой энергии к тому количеству, которое в итоге реально может использоваться для питания приборов, была всего 10 %.

Фотогальванические ячейки необходимо устанавливать таким образом, чтобы покрыть максимальную возможную часть поверхности спутника. Требуется постоянно следить за их положением относительно Солнца – желательно всегда оставаться перпендикулярно падающему излучению, поскольку таким образом вырабатываемый ток будет наибольшим.

Также важно рассчитать, чтобы за время нахождения на Солнце спутник успел накопить достаточно энергии: 40-45% от всего времени путешествия по орбите аппарат находится в тени Земли и вырабатывать ток не может. В целом, на эффективность работы батарей влияет множество факторов, таких как зависимость от температуры, расстояние до светила, деградация электроники под действием постоянного излучения – их все необходимо не забывать принимать в рассмотрение при выборе конкретного типа фотовольтаических ячеек.

Тепло нашего Солнца

В космических аппаратах используются два типа приборов, преобразующих тепло в электроэнергию: статические и динамические. В основе статических термоэлектрогенераторов обычно лежит радиоактивный источник. В динамических термоэлектрогенераторах, активно внедряемых в спутниковых системах GPS, используют щелочные электрохимические ячейки.

В основе данного способа получения энергии лежит эффект Зеебека. Он проявляется, когда соединяются два различных материала, при этом еще и находящиеся при разных температурах. Из-за этих разностей возникает поток электронов из более горячего конца к менее горячему – мы получаем электрический ток. Само устройство для получения энергии называется термоэлементом или термопарой.

У эффекта Зеебека существует и обратное явление, эффект Пельтье, в котором при пропускании электрического тока через сплав двух проводников или полупроводников в одну сторону место соединения нагревается, а в другую – охлаждается. Эффект Пельтье используется в космосе для охлаждения электронного оборудования: из-за отсутствия конвекции в вакууме это оказывается довольно проблематичной задачей.

Для использования эффектов Зеебека и Пельтье, разумеется, необходим источник тепла. Для этого специалисты NASA разработали стандартизированный радиоизотопный термоэлектрический генератор, работающий на плутонии-238 с периодом полураспада 87.7 лет. На данный момент 41 подобный генератор используется на 23 космических аппаратах, мощностью от 2 до 300 ватт. Принципиальный минус использования радиоактивных изотопов – возможность загрязнения окружающей среды, если запуск миссии пройдет неудачно.

Когда не работает GPS – во всем виноват SAMTEC

Более эффективными должны стать динамические электрогенераторы. Их главное отличие от статических состоит в способе превращения механической энергии в электрическую. Если в термоэлектрических элементах тепло напрямую превращается в электричество, то в электрохимических концентрационных элементах для этих целей используется энергия расширения паров натрия.

В спутниках GPS нового поколения были внедрены термоэлектрические преобразователи типа Solar AMTEC (solar alkali metal thermal-to electric conversion – преобразователь тепловой энергии солнца в электрическую на основе щелочных металлов), или, сокращенно SAMTEC.

В генераторах SAMTEC приемник солнечной радиации нагревает резервуар с жидким натрием, который испаряется. Пары натрия пропускаются через специальную мембрану, отделяющую газ высокого давления (температурой 800-1000^оС) от газа низкого давления (температурой 200-300^оС). Из-за разницы давления положительно заряженные ионы натрия скапливаются с одной стороны фильтра, а отрицательно заряженные электроны – с другой. Создаваемая разность потенциалов может генерировать электрический ток в подключенной внешней цепи.

Эффективность ячеек SAMTEC составляет 15-40%, при этом срок действия – 10-12 лет без понижения производительности в условиях постоянного облучения в космосе. Вырабатываемая мощность может варьироваться от нескольких ватт до киловатт.

Космические нити

Космический трос – тонкий металлический канат, прикрепленный к орбитальному или суборбитальному космическому аппарату – ракете, спутнику или космической станции. Длина космических тросов варьируется от нескольких метров до десятков километров (мировой рекорд – чуть более 32 километров). Тросы изготавливаются из особо прочных материалов, выдерживающих гигантские нагрузки.

Космические тросовые системы делятся на две категории – механические и электродинамические. Тросы первой категории используются, в частности, для обмена скоростями и соединения различных космических аппаратов между собой для движения как одно целое.

Для электродинамических тросовых систем используются специальные материалы, не только прочные, но и проводящие электрический ток (обычно алюминий или медь). При движении таких тросов в магнитном поле Земли, на свободные заряды в металлах действует электродвижущая сила, создающая электрический ток. Также вклад в данные процесс дают области ионизованного газа с различными плотностями и свойствами, присутствующие в космосе и наличие ионосферы у самой Земли.

Численные симуляции, подтвержденные экспериментально, показали, что для большого спутника электродинамический трос длиной десять километров может вырабатывать среднюю мощность в 1 киловатт с эффективностью превращения энергии 70-80%. Трос такой длины из алюминия будет весить всего 8 килограмм, что ничтожно по сравнению с весом среднего орбитального аппарата.

Нанокорабль

Космические генераторы разрабатываются и изучаются уже многие десятилетия. Они хорошо описаны с теоретический точки зрения, и подвергаются самым экстремальным земным условиям – но при этом развитие «внеземных» источников энергии идет гораздо медленнее, чем их земных собратьев. Удивительным образом, покорение космоса, идущее в авангарде технологий, оказывается весьма и весьма консервативной областью, в которой внедрение новых разработок происходит редко из-за множества рисков и экономических причин.

Однако мы находимся на заре развития совершенно новой области – наноспутников, и даже спутников гораздо меньшего размера. Они могут служить базой для космических тросовых систем и, запуская в космос сразу множество таких устройств, у нас получится вырабатывать гораздо больше электроэнергии. Возможно, именно им предстоит произвести революцию в области генерации энергии в космосе, расширить технологические возможности космических аппаратов и увеличить время их работы.

Советский ученый Николай Кардашев полвека назад сформировал шкалу, в которой уровень развития цивилизации определялся количеством используемой энергии. Подход логичный: когда человечество обучалось использовать энергию лошади, угля, нефти, атомного распада, оно поднималось на новый уровень могущества. Освоение космоса ознаменовало новый этап. Но мало вывести спутник на орбиту — надо дать ему ресурсы, чтобы функционировал. Обеспечение энергией космических аппаратов — один из важнейших вопросов космонавтики. Вместе с организаторами конкурсов Up Great рассказываем, какие решения для него успели придумать люди.

Постановка задачи

Есть два главных критерия в энергоснабжении космических аппаратов, на примере которых наглядно видно разницу подходов к этой задаче: мощность и длительность. Одни технические решения используются для задачи «много, но недолго», другие —
для «десятилетиями, но понемножку». Если взять эти критерии как оси графика,
получится следующая картина:

Первый спутник
отправился в полет с заряженными серебряно-цинковыми аккумуляторами, которые
обеспечивали «бип-бип» передатчика 21 день. Благодаря высокой плотности энергии
и большим токам разряда, серебряно-цинковые батареи до сих пор часто применяют в космонавтике. Их недостаток — небольшое количество циклов перезарядки — неважен, когда батарея используется один раз. Аккумуляторы ставят в аппараты, которые будут работать не дольше
нескольких суток и не требуют больших объемов электричества.

Иногда на аппараты ставят даже неперезаряжаемые элементы. Например, прыгающий зонд MASCOT, сброшенный с межпланетной
станции «Хаябуса-2» на астероид Рюгу,
использовал литий-тионилхлоридные элементы, которых хватило на 16 часов. Но
перезаряжаемые элементы встречаются чаще. С ними удобнее работать, потому что можно подзарядить перед запуском, не разбирая аппарат.
Литий-ионные элементы сейчас все больше распространены не только в бытовых приборах, но и в космосе.

Если энергии
требуется очень много, но на короткое время, применяют химические
источники. Например, на космических челноках (space shuttles) были так называемые APU. Они не имеют отношения к вспомогательным силовым установкам на самолетах, несмотря на схожесть названий. По мере сгорания топлива (несимметричный диметилгидразин и азотный
тетраоксид) горячий газ подавался на турбину. Ее вращение создавало давление
в гидросистеме шаттла без промежуточного превращения энергии в электричество.
Гидравлика поворачивала управляющие поверхности орбитального аппарата при выведении на орбиту и посадке. 

Сейчас плотность энергии
литий-ионных батарей достигла таких значений, что появилась ракета-носитель Electron, в которой
выполняющий похожую функцию турбонасосный агрегат (устройство для подачи
топлива в двигатель) заменили на электрический насос с блоком аккумуляторов. Из
минусов — увеличившаяся масса батарей, но это плата за простоту разработки.

Топливные элементы

Если длительность
космического полета не превышает двух-трех недель, то, в особенности для
пилотируемых кораблей, привлекательнее так называемые топливные
элементы. Водород горит в кислороде с выделением огромного
количества тепла. И ракетные двигатели, использующие это, считаются одними из
самых эффективных. Возможность напрямую получать электричество из
соединения водорода с кислородом породила источники электроэнергии,
применяющиеся не только в космонавтике.

Топливный элемент
работает следующим образом: водород попадает на анод, становится положительно
заряженным ионом и отдает электрон. На катоде ионы водорода получают электроны,
соединяются с молекулами кислорода и образуют воду. Соединив несколько ячеек и подавая
больше компонентов, мы легко получаем топливный элемент большой мощности. А
выделяющуюся в результате работы воду можно использовать для нужд экипажа. Из-за сочетания этих свойств топливные элементы выбрали для кораблей «Аполлон»
(и, кстати, для лунных версий «Союзов» первоначально выбрали тоже их), шаттлов
и «Бурана».

Топливные элементы теоретически могут быть обратимыми, диссоциируя воду на
водород и кислород, запасая электроэнергию и работая фактически как
аккумулятор, но на практике такие решения в космонавтике пока не востребованы.

По имени Солнце

Жизнь на Земле
невозможна без солнечной энергии — на свету растут растения, и энергия уходит
дальше по пищевой цепочке. И в космонавтике Солнце сразу же стали рассматривать как доступный и бесплатный источник. Первые спутники с солнечными панелями, Vanguard-1 (США) и
«Спутник-3» (СССР), отправились в полет уже в 1958 году (на объекте «Д»,
который стал «Спутником-3», они использовались экспериментально наряду с одноразовыми
химическими элементами). Любопытная метаморфоза произошла с кораблем «Союз»:
первые модели летали с солнечными панелями, на модификации 7К-Т (на большинстве выпусков) их убрали, оставив только
аккумуляторы с запасом электроэнергии на двое суток. А со следующей модификации
«-ТМ» солнечные панели снова вернули и уже насовсем.

Прелесть
солнечных панелей в непосредственном превращении света в
электричество — фотоны, падая на полупроводники, вызывают движение электронов.
Соединяя ячейки последовательно и параллельно, можно получить требуемые
значения напряжения и тока.

Важное условие для работы в космосе — компактность солнечных панелей. Например,
огромные «крылья» МКС сделаны из очень тонких панелей, которые в
транспортировочном положении были сложены гармошкой.

До сих пор
солнечные панели — лучший вариант, если нужно годами снабжать
космический аппарат энергией. Но, конечно, они имеют недостатки. Прежде всего, на
низкой околоземной орбите спутник будет регулярно уходить в тень Земли. Значит, панели необходимо дополнить аккумуляторами, чтобы электропитание было
непрерывным. Аккумуляторы и дополнительная площадь солнечных панелей для их
зарядки на солнечной стороне орбиты заметно увеличивают массу электросистемы
спутника.

Далее, мощность
солнечного излучения подчиняется закону обратных квадратов: Юпитер в пять раз
дальше Земли от Солнца, но на его орбите космический аппарат с такими же
солнечными панелями будет получать в 25 раз меньше электроэнергии.

Солнечные панели
постепенно деградируют в условиях космического излучения, так что на длительные
миссии их площадь необходимо рассчитывать с запасом.

Линейное
увеличение массы солнечных панелей с ростом требуемой мощности в какой-то
момент делает их слишком тяжелыми по сравнению с другими системами.

Альтернатива аккумуляторам

Если вы читали
замечательную книгу Нурбея Гулиа «В поисках энергетической капсулы», то может быть, помните, что после долгих поисков идеального аккумулятора он остановился на
маховиках, модифицированных для безопасного разрушения. Сейчас с успехами
литий-ионных батарей эта тема менее интересна. Но эксперименты по хранению энергии в раскрученном
маховике проводились и в космонавтике. В начале XXI века компания Honeywell экспериментировала с маховиками-аккумуляторами. Это направление может быть перспективно еще и тем, что маховики используются в
системе ориентации спутника. И можно совместить поддержание нужного положения в пространстве с хранением энергии.

Сконцентрируй это

Еще на стадии
проработки концепта было очевидно, что станция Freedom (после многочисленных изменений
реализованная как МКС) будет нуждаться в большом количестве электроэнергии. И
расчеты 1989 года показали, что солнечный коллектор сможет
сэкономить от трех до четырех миллиардов долларов (шесть-восемь миллиардов в сегодняшних ценах)
по сравнению с электропитанием только от солнечных панелей. Что это за конструкция?

Шестиугольники по
краям — солнечные концентраторы. Зеркала образуют параболоид, собирающий
солнечный свет на приемник, расположенный в фокусе. В нем теплоноситель
закипает, газ крутит турбину, которая вырабатывает электричество. Панель рядом
— радиатор тепла, в котором теплоноситель конденсируется обратно в жидкость.

К сожалению,
конструкция, как и многие идеи для станции Freedom, пала жертвой урезания бюджета. И МКС
использует только солнечные панели, так что мы не можем на практике узнать, насколько
оправдались бы ожидания по экономии средств. Стоит отметить, что солнечные
коллекторы используются и на Земле, но в наиболее простой форме без
концентрирующих зеркал — их приводы сильно повышают стоимость.

Тепло и электричество

На
освещенной стороне Луны температура поднимается выше 100 градусов по Цельсию. Но вот лунной ночью поверхность
охлаждается ниже −100 градусов по Цельсию. На Марсе средняя температура в районе −60 градусов по Цельсию. А на орбите
Юпитера, как мы уже говорили, Солнце дает только 1/25 того, что достается
Земле. И, к счастью для планетоходов и
межпланетных станций, есть вариант, при котором удобно обеспечиваются и подогрев,
и энергообеспечение космического аппарата.

Как известно, у
одного и того же вещества может быть много изотопов — атомов, отличающихся
только количеством нейтронов в ядре. И есть как стабильные, так и распадающиеся
с разной скоростью изотопы. Подобрав элемент с удобным периодом полураспада,
можно использовать его в качестве источника энергии.

Один из наиболее
популярных изотопов — это ²³⁸Pu (плутоний-238). Грамм чистого
плутония-238 генерирует примерно 0,568 ватт тепла, а период полураспада у него больше 87 лет. Значит, энергии хватит надолго.

Если ядерный
распад выделяет тепло, значит, его надо каким-то образом превратить в
электричество. Для этого чаще всего используют термопару — сплавленные вместе
два различных металла генерируют электричество при неравномерном нагреве. По такому принципу работает радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — источник
энергии в виде распадающихся радиоактивных изотопов и термоэлектрических
преобразователей. 

РИТЭГи вырабатывали электричество для модулей
научного оборудования, оставленных на Луне астронавтами «Аполлонов», распадом
изотопов обогревались советские «Луноходы», на электричестве от РИТЭГа работали
марсианские станции «Викинг» и ездит по Марсу «Кьюриосити». РИТЭГи являются
штатным источником электричества для аппаратов, отправляющихся во внешнюю
солнечную систему — «Пионеров», «Вояджеров», «Новых горизонтов» и других.

РИТЭГи удобны
тем, что не требуют никакого управления, не имеют движущихся частей и способны
работать десятилетиями. Например, «Вояджеры» остаются работоспособными уже
более сорока лет, несмотря на необходимость отключить часть оборудования из-за
снижения выработки электричества. К сожалению, у них есть и недостаток — низкая
плотность энергии (мощный РИТЭГ будет слишком много весить) и высокая цена
топлива. Остановка производства плутония-238 в США и рост цен повлияли на то,
что межпланетная станция «Юнона» отправилась к Юпитеру с огромными солнечными
панелями.

Использование ядерных
технологий поднимает вопросы безопасности. После 1964 года, когда авария
американской ракеты-носителя со спутником, питавшимся от РИТЭГа, привела к
заметному повышению радиационного фона по всей планете, РИТЭГи стали
упаковывать в капсулы, выдерживающие падение в атмосфере, и последующие аварии
заметных следов не оставили.

Сложности превращений

Термоэлектрический
генератор не единственный вариант преобразования тепла в
электричество:

Реакторы над головой

Из всех известных
человечеству управляемых источников энергии ядерное топливо обладает наибольшей
плотностью — один грамм урана способен дать столько же энергии, что и две тонны
нефти или три тонны угля. Поэтому атомные
реакторы — многообещающий вариант, когда нужно долго снабжать космический аппарат большим количеством энергии.

Работы над
космическими реакторами начались еще в 1960-х. Первым отправился в космос
американский SNAP-10A, проработал на орбите 43 дня и был отключен из-за аварии системы, не
относящейся к реактору. После этого эстафету принял СССР. Спутники УС-А системы целеуказания «Легенда», созданные для
отслеживания перемещения американских авианосных ударных группировок, несли на борту ядерный реактор «Бук». Он обеспечивал энергией активную радиолокационную систему. Таких было запущено
больше трех десятков. В конце 1980-х дважды слетал в космос реактор «Топаз»,
использующий меньшее количество ядерного топлива и имеющий большую
эффективность. 150 киловатт тепловой мощности «Топаза» производили шесть киловатт электрической
(против соответственно 100 киловатт и трех киловатт у «Бука»). Достигалось это, в
частности, за счет использования другого преобразователя энергии — термоэмиссионного
вместо термоэлектрического. Но после 1988 года спутники с атомными реакторами
на борту больше не летали.

Возрождение
интереса к ядерным реакторам произошло в XXI веке. На Западе
это вызвано сокращением производства и ростом цены плутония-238 для РИТЭГов. В
США разрабатывается
реактор Kilopower, который может стать аналогом РИТЭГа. Интересная особенность его в том, что реактор спроектирован самоуправляемым и после активации, как и
РИТЭГ, не требует присмотра. В России проектируется ядерная установка
мегаваттного класса. В сочетании с электрореактивными двигателями должна
получиться конструкция с принципиально новыми возможностями — эффективный
орбитальный буксир.

Безопасность
реакторов построена на других принципах, нежели у РИТЭГов. До запуска реактор
чист (уран ядовит, но его можно безопасно брать руками в перчатках), поэтому на
случай аварии, наоборот, ставят газогенераторы, надежно разрушающие его в
плотных слоях атмосферы. Так предотвращается негативное влияние на радиационный
фон на Земле. А вот после включения в реакторе начинают накапливаться опасные
изотопы, и советские спутники УС-А в случае аварии уводили реактор на высокую
орбиту захоронения. Заглушенные реакторы до сих пор летают над нашими головами,
но, учитывая срок существования орбит, скорее до них доберутся космические мусорщики
будущего и разберут на полезные ресурсы, нежели они сгорят в атмосфере.

Генератор из троса

Магнитное поле
Земли уже сейчас используется в системах ориентации космических аппаратов, но
есть и другой вариант. Если размотать длинный трос, то можно либо получать
электричество за счет торможения аппарата, либо разгоняться, пропуская ток
через трос.

Пока что
наибольшее развитие получила идея торможения аппаратов тросами для уменьшения
количества космического мусора, но технически можно и обеспечить таким образом
электропитание спутника, пусть и не длительное время.

Системы
электропитания космических аппаратов активно совершенствуются. Солнечные панели
и аккумуляторы становятся все более эффективными, а возобновление работ над
космическими ядерными реакторами дает надежду на появление новых мощных
источников электричества.

Филипп Терехов

Некоторые космические аппараты, запущенные с Земли десятки лет назад, уже находятся настолько далеко от Солнца, что наша звезда кажется для них тусклым огоньком – одним из миллиардов других в космосе. Конечно, эти аппараты уже не могут получать энергию при помощи солнечных батарей, а значит, инженеры вынуждены были искать решение данной проблемы.

Это интересно: пока вы читаете эти строки, космический аппарат «Вояджер-1» продолжает свой более чем 39-летний полет. В августе 2012 года космический аппарат вышел за пределы Солнечной системы. Сейчас расстояние между «Вояджер-1» и Землей составляет более 20,600 млрд. км, но космический аппарат до сих пор продолжает посылать к Земле сигналы. Чтобы преодолеть такое расстояние свету потребуется около 19 часов. Подробнее о «Вояджер-1».

Большинство энергии на Земле вырабатывается при помощи паровых машин: топливо – будь то газ, нефть, уголь, дерево или даже радиоактивные элементы – используется чтобы подогреть воду и получить пар, который затем приводит в движение турбину, соединенную с генератором. Конечно, устанавливать подобный сложный механизм, состоящий из множества движущихся деталей, по меньшей мере неразумно. Но есть и другой способ получить энергию, используя выделяющееся тепло. Речь идет о термоэлектрогенераторах – устройствах, способных преобразовывать тепловую энергию в электричество благодаря термоэлектрическому эффекту.

Физический эффект, который дает космическим кораблям, исследующим далекий космос, возможность поддерживать связь с Землей, был обнаружен еще в далеком 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Ученый заметил, что если места контакта (местах спая) замкнутой цепи, состоящей из двух различных проводящих материалов, поддерживать при разной температуре, то в цепи возникает электрический ток. Это явление объясняется тем, что разница в температурах вызывает тепловой поток и перенос заряда в проводнике.

На основании данного явления созданы специальные генерирующие ток устройства – термоэлектрогенераторы. Их подвид – радиоизотопные термоэлектрогенераторы — установлены на многих космических аппаратах. Например, на «Кассини», изучающем Сатурн, «Кбюриосити», работающем на Марсе, и на «Новых горизонтах», который недавно передал на Землю уникальные сведения о Плутоне, пролетев всего в 12,5 тысячах км от его поверхности.

Это интересно: во время изучения Плутона «Новые горизонты» собрал около 50 Гб ценной научной информации. Ее передача на Землю займет около двух лет.

В радиоизотопных термоэлектрогенераторах (РИТЭГ) тепло выделяется при помощи распада радиоактивных элементах. Чаще всего в качестве топлива используют плутоний-238 и стронций-90.

Выходная мощность РИТЭГов невелика, но зато они долговечны, надежны и, самое главное, компактны. Конечно, распад изотопов происходит неконтролируемо, поэтому, единожды созданный РИТЭГ будет генерировать электричество много лет подряд без остановки. Например, в случае с плутонием-238 срок службы постепенно деградирующего теплоэлектрогенератора составляет около 80 лет.

А как экономично расходовать полученную энергию – еще один не менее сложный вопрос, над которым при проектировании систем космического аппарата трудится не один десяток инженеров.

Иллюстрация: depositphotos | @ Shad.off

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

comments powered by HyperComments

В начале апреля состоялось заседание Совета по космосу РАН, главной темой которого стала внеатмосферная астрономия и перспективы ее развития. Многие объекты и процессы во Вселенной нельзя увидеть с помощью наземных обсерваторий, в поисках новых ответов необходимо выйти за пределы атмосферы Земли. Большинство выступавших на совете были сотрудниками Института космических исследований (ИКИ) РАН. С большим сообщением выступил директор ИКИ, член-корреспондент РАН Анатолий Петрукович. Мы встретились с Анатолием Алексеевичем, чтобы обсудить развитие космической науки и ее перспективы. Начали мы с вопроса о ключевых проектах ИКИ.

— Буквально сейчас готовится к полету «Спектр-РГ» — огромная рентгеновская обсерватория, которая должна быть запущена в этом году.

Среди недавно завершившихся проектов — проработавший почти восемь лет КА «Спектр-Р», связь с которым, к сожалению, недавно была потеряна. Научная нагрузка аппарата — космический радиоинтерферометр «Радиоастрон» (ФИАН имени Лебедева) и комплекс приборов ИКИ РАН для мониторинга солнечного ветра «Плазма-Ф», который принес очень интересные результаты по структуре солнечного ветра. Раньше считали, что солнечный ветер — это единый поток, а сейчас выяснилось, что это струя плазмы, которая разбивается, как душ, на струйки, летящие примерно в одну сторону, но ведущие себя отчасти независимо, и каждая немного под углом к соседям. Это важно потому, что при взаимодействии этих струй между собой и с магнитным полем Земли происходит потеря энергии солнечного ветра.

— Солнечный ветер — это…

— Это поток протонов и электронов, который летит от Солнца. Его кинетическая энергия на много порядков меньше, чем энергия видимого солнечного излучения, поэтому непосредственно он человеком не ощущается. Но солнечный ветер переносит энергию солнечных вспышек к Земле, превращает ее в магнитные бури и в полярные сияния. С земной точки зрения околоземная плазма — это недостижимый вакуум: в среднем пять протонов в кубическом сантиметре, и имитировать ее в земной лаборатории практически невозможно. С другой стороны, такая плазма заполняет практически весь космос. Когда я был школьником, говорили, что девяносто процентов вещества в космосе — плазма. Теперь мы знаем, что есть темное вещество и темная энергия, которых мы просто не видим. Но все, кроме планет, яркие объекты на небе — плазменные: звезды, галактики… Удобный способ понять, что делается далеко от нас, — изучать эти процессы на Солнце или около Земли. Поэтому исследования околоземной плазмы, кроме прикладного, связанного с магнитными бурями, имеют и такой чисто фундаментальный аспект.

Мы планируем продолжить эти исследования и в следующем проекте, который носит название «Резонанс». Кроме того, очень большую роль в последнее время в этих исследованиях играют малые спутники, мы их называем микроспутники — до килограммов и наноспутники — до десяти килограммов. Малый формат позволяет существенно сократить затраты на исследования и запускать спутники чаще. В ИКИ несколько лет назад мы своими руками сделали малый спутник «Чибис-М» весом пятьдесят килограммов. Это довольно редкий случай, потому что обычно в России даже такие спутники делает промышленность. Он был запущен с борта МКС, отработал три года без каких-либо проблем.

— Какие направления научной космонавтики вы бы выделили как самые многообещающие на дальнюю перспективу и для России, и для мира?

— С точки зрения фундаментальной науки одна из самых актуальных целей связана с экстремальными состояниями вещества в космосе. Можно сказать, что сейчас мы живем в том мире, который придуман физиками сто лет назад: электричество — это середина девятнадцатого века, квантовая или атомная физика — начало, максимум середина двадцатого. И сейчас эти фундаментальные открытия уже реализовались в технике, в атомных реакторах, в бытовых приборах, таких как смартфоны. Если мы говорим о дальнейшем развитии человечества, то становится ясно, что уже в относительно короткие исторические сроки ему нужна будет энергия на порядок больше, чем сейчас. Мы должны найти какие-то новые источники энергии. И с большой долей уверенности можно сказать, что найти их можно только в космосе. И применять только в космосе, потому что Земля такой объем переработки энергии просто не выдержит.

— А каковы ее источники?

— Мы как раз ищем источники, основанные на новых физических принципах, которые позволят нам создать энергетику не двадцать первого, а двадцать второго века. Например, исследование происхождения Вселенной — это не только фундаментальная и очень интересная задача по определению, что такое темная материя, что такое темная энергия, но, возможно, это и ключ к энергетике двадцать второго века.

Проект «Спектр-РГ», рентгеновский телескоп, будет как раз направлен на исследование наиболее энергичных процессов во Вселенной — взрывов сверхновых, образование черных дыр, и крупномасштабной эволюции Вселенной. Потому что, чем ярче объект, тем дальше мы его видим по расстоянию, а значит, и по времени. То есть мы можем обратиться к самым истокам происхождения Вселенной. И, может быть, еще лет через пятьдесят-сто мы узнаем, как это использовать на Земле.

Еще одно очень интересное и перспективное направление связано с поиском внеземной жизни. Мы всегда хотели узнать, одиноки ли мы во Вселенной, познакомиться с «зелеными человечками». И сейчас есть огромное количество новых данных, полученных за последние десять лет. Сама тематика внеземной жизни перешла из области фантастики в совершенно конкретную науку. Связано это с двумя вещами. Во-первых, мы видим огромное количество органики в космосе, где угодно — у Сатурна, у Юпитера, в тех местах, где мы просто не представляли, что она может быть. Всерьез обсуждаем поиски остатков жизни на Марсе. Новые объекты поиска — это ледяные спутники Юпитера и Сатурна. Выясняется, что, как правило, на таких ледяных спутниках есть подледный океан. На поверхности минус сто, а под коркой льда там вполне себе жидкая вода, подогретая приливными движениями в ядрах спутников, и там вполне может быть примитивная жизнь. И через десять-двадцать лет, я думаю, мы какие-то следы органики привезем с Марса, а когда-нибудь и с этих небесных тел. Ясно, что эта органика будет не та, что на Земле, и это даст нам какие-то новые представления о том, какая вообще жизнь в космосе возможна.

— А экзопланеты?

— Да, и это вторая часть истории, которой мы занимаемся. Раньше вопрос о существовании обитаемых планет в космосе был больше философским. Была, правда, такая формула Дрейка, предназначенная для определения числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт. Я ее помню еще со школьного возраста.

— Наш великий астрофизик Шкловский посвятил ее обсуждению свою книгу «Вселенная. Жизнь. Разум».

— И Шкловский тоже. Там была куча вероятностей. Вероятность появления разумной жизни, вероятность, что жизнь доберется от разумности до высокотехнологического уровня, вероятность образования планеты… и фактически все эти коэффициенты были умозрительными. Но сейчас мы видим планеты у ближайших звезд, и ясно, что таких планет оказывается очень много — шесть тысяч на сегодня. Практически каждая достаточно стабильная звезда имеет планеты. И сейчас речь идет о том, что в ближайшие десять лет мы получим спектры атмосфер этих планет, и увидим, например, есть ли там признаки кислорода. Тогда уже будет ясно, что жизнь на таких планетах возможна.

— Эти наблюдения тоже со спутников ведутся?

— Сейчас есть и супертелескопы на Земле. С зеркалами диаметром восемь и десять метров. А строятся и тридцатиметровые оптические телескопы. Но единое зеркало такого размера, конечно, сделать нельзя, они сегментированы на кусочки примерно по восемь метров диаметром. Это наука ближайших десяти лет. А в космосе можно изучать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. К сожалению, поскольку у нас с российской космической программой все, мягко говоря, не совсем хорошо, мы уже перестали надеяться, что в разумное время получим российские данные из космоса на эту тему. Российский ультрафиолетовый телескоп «Спектр-УФ», который нацелен в том числе на поиск экзопланет, полетит не ранее 2025 года.

— Но вы взаимодействуете с международным сообществом…

— Наука о космосе — это одна из наиболее интернационализированных наук, сравнить можно только с физикой элементарных частиц, где на весь мир всего пара современных ускорителей. И мы все обмениваемся данными экспериментов через международные архивы. Это касается и фундаментальной науки, и прикладной. Тем более что девяносто пять процентов спутников — иностранные. Если мы хотим знать всё, мы должны пользоваться всем.

— А космологией вы тоже занимаетесь?

— Да, но тем, что ближе к наблюдениям, которые мы делаем. Потому что космос — это в целом экспериментальная наука. Как правило, так получается, что теоретики подтягиваются к наиболее успешным экспериментам.

— Ждут результатов, чтобы потом сделать теоретическое обобщение. А у вас теоретики тоже есть?

— Практически каждое направление наших исследований — это крупная научная школа, которая выросла за время существования института. Мы всегда очень плотно занимались образовательной деятельностью, задолго до того, как интеграция официально стала одним из элементов госполитики. Прямое участие в учебном процессе вузов и собственные школы — ключевые факторы, обеспечивающие наличие молодежи, которая успешно подхватывает эстафету у старшего поколения. В ИКИ работают три относительно молодых члена-корреспондента РАН, четыре профессора РАН, есть лауреаты премий президента РФ для молодых ученых. Одна из школ — это школа Зельдовича—Сюняева.

— Зельдович тоже работал у вас?

— Фактически он один из основателей нашей астрофизической школы. Он не работал в институте формально, потому что в конце семидесятых годов он сам был такой величиной, которая была размерами больше любого института. И Рашид Сюняев — академик, который собрал, наверное, все премии, кроме Нобелевской, за свои астрофизические исследования, в том числе чисто теоретические. И сейчас у нас довольно много теоретиков работает по этому направлению.

Есть еще большая школа теории плазмы и теории нелинейных систем, которая в свое время основана академиком Сагдеевым, который был нашим директором.

— Он в Америке?

— Он сейчас где-то между Америкой и Азербайджаном. Но у него есть ученики — Альберт Галеев, Лев Зеленый, многие другие.

— Я когда-то брал интервью у академика Эрика Галимова, который страстный энтузиаст освоения Луны. Как вы к этим проектам относитесь?

— В России сформирована концепция освоения дальнего космоса, а в первую очередь Луны. В разработке этой концепции мы принимали активное участие. Роскосмос сейчас объявил о начале работ по созданию сверхтяжелого носителя. Основное его назначение — полет человека на Луну.

Суть здесь в следующем. Есть общая логика освоения космоса. Человечество сначала освоило околоземную орбиту, этим занимались государственные космические агентства, более того, в этом был элемент стратегического соперничества. Но сейчас на околоземной орбите частных спутников больше, чем государственных, это уже, скорее, чистый бизнес, чем технологическая революция. Человечество должно в какой-то момент сделать следующий шаг в космос, дальше от околоземной орбиты. И жизнь показывает, что этот шаг будет сделан в ближайшие годы. А самый близкий объект, куда можно долететь, — это Луна. Не потому, что на Луне есть какой-то уникальный источник энергии или какое-то секретное вещество «лунариум», такого нет, конечно, по крайней мере, нам это неизвестно. Но это следующий технологический шаг с точки зрения освоения космоса. В ходе освоения Луны будут созданы технологии, которые затем будут использоваться в дальнем космосе. Это все, что связано с пилотируемым межпланетным полетом, космическими роботами, мощными источниками энергии, использованием местных ресурсов и так далее. Более того, можно уверенно сказать, что в ходе освоения и исследования у нас появятся новые, неизвестные сейчас цели и приоритеты, к достижению которых мы уже будем готовы. Наконец, с точки зрения науки это тоже очень интересный объект…

— В том числе с точки зрения изучения происхождения Земли?

— Да. Я приведу только два-три примера. Возраст поверхности Земли не больше десятков и сотен миллионов лет. Максимум можно найти пару пятен, которым миллиард лет. Сказывается влияние атмосферы, океана, тектоники… А поверхность Луны вся старше четырех миллиардов лет. То есть на поверхности Луны зафиксирована фактически полная история Солнечной системы. Это и следы от метеоритов, и очень интересная история с водой, потому что за миллиарды лет, как мы понимаем, в каких-то местах на Луне накопилась вода, которую, скорее всего, приносили кометы. И эта вода должна нести в себе следы какой-то примитивной космической органики, это все тоже очень любопытно. Кроме того, некоторые астрономические измерения мы можем провести только на Луне. Например, электромагнитное излучение космоса в видимом и в большей части радиодиапазона мы можем наблюдать с Земли. В космосе, со спутников мы можем наблюдать инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, которое до поверхности Земли не доходит. Но радиоволны диапазона примерно десять мегагерц мы не сможем наблюдать даже там. Связано это с тем, что на Земле нам мешает ионосфера. А на космическом аппарате, близком к Земле, это невозможно, потому что Земля сейчас — это крупнейший источник таких волн, ведь все радиосистемы на Земле и даже просто любой электрический прибор что-то излучают. Этот низкочастотный радиодиапазон содержит сигнал, приходящий от самых ранних объектов во Вселенной, он очень интересен космологически, и единственный способ наблюдать его — расположить датчики на обратной стороне Луны, где влияние Земли отсутствует.

«Аполлоны», советские аппараты летали на Луну уже более сорока лет назад, после этого о Луне фактически забыли. Но в двадцать первом веке около Луны и на Луне побывало уже больше десяти космических аппаратов. Правда, ни одного российского. Китайцы сели уже второй раз, в этот раз на обратную сторону Луны, в конце года они должны привезти грунт. Прямо сейчас к Луне летит израильский посадочный аппарат. (К моменту опубликования интервью он разбился при прилунении. — «Стимул».)

Европейцы, американцы — все смотрят на Луну с точки зрения именно освоения, а не чистой науки. Во главу угла ставится сама технология освоения: как сесть, как использовать местные ресурсы. И у американцев есть большая программа государственно-частного партнерства, то есть государство уже не будет разрабатывать посадочный модуль или придумывать эксперименты, а закажет это коммерческим компаниям или научным организациям. Финансирование будет государственным, но ответственность — на конкурс.

Если говорить о полете человека, то у американцев сверхтяжелая ракета совершит полет вокруг Луны уже в следующем году. Сверхтяжелой называют ракету, способную вывести на околоземную орбиту примерно сто тонн. У нас и у китайцев, к сожалению, в лучшем случае только через десять лет будет сверхтяжелая ракета. А Дональд Трамп объявил, что американский астронавт должен вернуться на Луну в 2028-м, а может быть, даже в 2025 году. Хотя сейчас в Конгрессе США еще идет борьба за финансирование, но в принципе вторая лунная гонка в том или ином виде уже началась.

Здесь есть еще один очень интересный сюжет. По современным представлениям, на новом этапе покорения Луны должна быть постепенно сформирована лунная база или лунный полигон с постоянно действующими приборами и системами, а космонавты будут прилетать периодически. И сейчас началось негласное соревнование между основными странами — кто найдет лучшее место и займет его.

— А как вы относитесь ко всякого рода проектам, что там будут добываться полезные ископаемые?

— Сейчас на Луне и в космосе нет полезных ископаемых, которые было бы выгодно привозить на Землю. Да, есть ресурсы, но формулу Циолковского никто не отменял. Для того чтобы просто улететь в космос, нужна двух-трехступенчатая ракета, и до космоса долетает, дай бог, несколько процентов от того, что улетело с Земли. А вернуть можно около одной тысячной от того, что должно улететь с Земли. Как говорится, за морем телушка — полушка, да рубль перевоз. Нет в космосе сейчас известных нам ресурсов, которые было бы коммерчески выгодно привозить на Землю. Но не факт, что рано или поздно мы в космосе не найдем что-то такое новое, что будет нам нужно и чего не будет на Земле.

— А гелий-3 для термоядерных реакторов?

— Это отдельная история. В лунном грунте есть малая доля гелия. Очень-очень малая доля, накопившаяся там за миллиарды лет при падении солнечного ветра. Причем это доля в основном самого распространенного гелия-4, а изотопа гелия-3 в этом гелии еще десятитысячные доли. Конечно, если есть бочка гелия-3, то привезти его с Луны уже выгодно, потому что гелий-3 очень дорогой потенциально. Но эффективность процесса сбора гелия-3 на Луне стремится к нулю. Чтобы добыть на Луне гелий-3, необходимый, скажем, для замены угля на Земле, надо перевернуть там количество лунного грунта, примерно равное количеству заменяемого угля. Это не говоря о том, как технически решить задачу добычи очень малого летучего компонента из лунного грунта. Да и перспективы реализации довольно экзотического вида термоядерной реакции с гелием-3 пока не очень вдохновляют.

— С Луной понятно. А каково ваше отношение к проектам пилотируемых полетов на Марс? Президент РАН Александр Сергеев в одном из своих интервью рассказал как об одном из достижений академии о ваших приборах на станции «ЭкзоМарс», один из которых, по его словам, показал, что накопленная радиация при полете на Марс может оказаться такой, что человек туда не сможет полететь. Он просто не вернется.

— Да. Это правда. Если говорить о Луне, то повторить проект «Аполлон» — это вопрос в основном затрат на создание необходимой ракеты. Пилотируемый полет на Марс — это уже на пределе возможностей. Долететь, наверное, напрягшись всем миром, можно. Одной сверхтяжелой ракеты достаточно, чтобы долететь до поверхности Луны. Для одного полета на Марс придется запустить несколько таких ракет, собрав космический корабль на орбите. Но полет до Марса еще и очень опасен. Прежде всего, межпланетные перелеты — это как перепрыгивание из идущего поезда во встречный. Разница в скоростях разных планет и космического аппарата очень велика. Сначала надо разогнаться, потом очень точно затормозиться, выйти на околомарсианскую орбиту, затем то же самое при возврате на Землю. 

Есть много примеров в космической истории, когда автоматические межпланетные станции не могли выполнить этот маневр правильно, врезаясь в планету или пролетая мимо. Например, японцы недавно не смогли выйти с первого раза на орбиту Венеры и вернули аппарат к этой планете только через несколько лет. Одна такая ошибка — и мы теряем экипаж. Полет к Луне в этом смысле гораздо проще, это неделя туда-обратно. У американцев, когда были аварии, они просто облетали Луну и возвращались. Фактически ни одного экипажа не потеряли. Это, в общем, чудо! А кроме того, вопрос возможности полета действительно завязан и на радиации. Болгарский прибор на «ЭкзоМарсе» показал, и это, в общем, было ясно и из расчетов, что доза радиации велика. Защититься от нее не совсем понятно как, разве что спрятаться за стенки метровой толщины. Просто обычная стенка космического аппарата не поможет, только хуже сделает, потому что протон космических лучей хоть и вредит человеку, но он пролетает его насквозь. А если мы ставим стенку, то протон застревает, и дальше из нее вылетает уже так называемый вторичный ливень осколков ядер, нейтронов, гораздо более опасных для человека. Поэтому прятаться надо за такую стенку, которая способна остановить уже и вторичное излучение, а это совершенно неподъемный вес для современной техники.