Атом в вакууме
ВЗГЛЯД / #2_2026
Записала Надежда ФЕТИСОВА / Фото: NASA, Wikipedia, JPL, Роскосмос
Представьте: вам нужно упаковать полноценную ядерную установку в объем, меньший, чем салон автомобиля, при этом работать ей придется в экстремальных условиях. Или другой вызов: десятилетиями обеспечивать энергией аппарат, находящийся за пределами Солнечной системы. Космическая отрасль всегда ставит перед атомщиками нетривиальные задачи. О том, почему без атома покорение космоса невозможно и как космические технологии используются в повседневной жизни, рассказывает аэрокосмический инженер, участник программы подготовки космонавтов ЦПК МАИ, популяризатор космонавтики Никита Матасов.
Атомная отрасль помогала развитию космонавтики с первых дней ее создания. Важной задачей стало получение в космосе электроэнергии, необходимой для работы датчиков и аппаратуры. Аккумуляторы полвека назад были слабыми, надолго их не хватало, и спутник приходил в негодность через пару недель после запуска.
Выход нашелся: солнечные батареи. Но чем дальше аппарат улетает от Солнца, тем менее эффективными они становятся. Например, для того чтобы солнечная батарея, находясь на орбите Нептуна, вырабатывала то же количество энергии, какое она вырабатывает на орбите Земли, ее площадь нужно увеличить в 900 раз! Кроме того, мощность солнечных батарей невелика, и для удовлетворения всех потребностей космических аппаратов ее не хватало.
Ученые задумались о том, как использовать в космосе энергию атома. Так появились «ядерные батарейки" — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Принцип их работы прост: изотоп распадается и нагревается, энергия преобразуется в электричество.
Выход нашелся: солнечные батареи. Но чем дальше аппарат улетает от Солнца, тем менее эффективными они становятся. Например, для того чтобы солнечная батарея, находясь на орбите Нептуна, вырабатывала то же количество энергии, какое она вырабатывает на орбите Земли, ее площадь нужно увеличить в 900 раз! Кроме того, мощность солнечных батарей невелика, и для удовлетворения всех потребностей космических аппаратов ее не хватало.
Ученые задумались о том, как использовать в космосе энергию атома. Так появились «ядерные батарейки" — радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Принцип их работы прост: изотоп распадается и нагревается, энергия преобразуется в электричество.
Автоматический зонд «Вояджер‑1»
Старт «Вояджера-2», 20 августа 1977 г.
Благодаря РИТЭГам возможности для работы и дальность полетов космических аппаратов значительно возросли. Один из самых ярких примеров использования «ядерных батареек" — автоматические зонды „Вояджер“. „Вояджер‑1“ и "Вояджер‑2» были запущены в 1977 году и работают до сих пор! Аппараты преодолели огромные расстояния и собрали множество научных данных, в частности, обнаружили новые кольца Юпитера и исследовали гелиосферу. Сейчас оба «Вояджера» находятся за пределами Солнечной системы.
РИТЭГи применялись и в аппарате «Кассини-Гюйгенс», использовавшемся для исследования газовых гигантов, в частности Сатурна, и проработавшем 13 лет. Еще один пример — марсоходы Curiosity (работает с 2012 года) и Perseverance (с 2021‑го), исследующие поверхность Марса. На этой планете нередки сильные и продолжительные (до полугода) пылевые бури, закрывающие Солнце. Солнечные батареи покрываются толстым слоем пыли и перестают работать. Поэтому без РИТЭГов марсианские миссии неосуществимы.
РИТЭГи применялись и в аппарате «Кассини-Гюйгенс», использовавшемся для исследования газовых гигантов, в частности Сатурна, и проработавшем 13 лет. Еще один пример — марсоходы Curiosity (работает с 2012 года) и Perseverance (с 2021‑го), исследующие поверхность Марса. На этой планете нередки сильные и продолжительные (до полугода) пылевые бури, закрывающие Солнце. Солнечные батареи покрываются толстым слоем пыли и перестают работать. Поэтому без РИТЭГов марсианские миссии неосуществимы.
Макет ядерной энергетической установки «Топаз»
Космические реакторы: те же, да не те
Со временем потребовались источники энергии с более высоким КПД. Так появились миниатюрные космические реакторы. В СССР они назывались «Ромашка», «Топаз» и "Бук" (было запущено 32 космических аппарата с установками «Бук» на борту).
Принцип работы таких реакторов тот же, что и у земных: в активной зоне генерируется большое количество тепла, преобразуемого в электроэнергию. Конструктивно же земные и космические реакторы, конечно, различаются. Так, в космосе нельзя использовать в качестве теплоносителя воду, и ее заменяет жидкий металл (например литий). Кроме того, обеспечить безопасность в космосе гораздо сложнее, так что все элементы установки должны быть миниатюрными. Диаметр самого крупного головного обтекателя ракеты-носителя — больше 5 метров. И в этот объем нужно поместить целую ядерную установку!
Еще одна проблема — охлаждение: как ни парадоксально, в космосе очень сложно что-то охладить. Солнце светит 24 часа в сутки, а тепло в вакууме никуда не уходит — теплопередача отсутствует. Поэтому подобрать материалы и придумать оптимальную конструкцию установки инженерам было непросто. Рассчитывались толщина стенок активной зоны, геометрия и количество тепловыделяющих стержней, испытывались различные виды топлива и теплоносителей. Порой активная зона плавилась и спутник выходил из строя. Наконец для «Буков» была разработана конструкция, позволяющая реактору работать 15 тыс. часов.
Со временем потребовались источники энергии с более высоким КПД. Так появились миниатюрные космические реакторы. В СССР они назывались «Ромашка», «Топаз» и "Бук" (было запущено 32 космических аппарата с установками «Бук» на борту).
Принцип работы таких реакторов тот же, что и у земных: в активной зоне генерируется большое количество тепла, преобразуемого в электроэнергию. Конструктивно же земные и космические реакторы, конечно, различаются. Так, в космосе нельзя использовать в качестве теплоносителя воду, и ее заменяет жидкий металл (например литий). Кроме того, обеспечить безопасность в космосе гораздо сложнее, так что все элементы установки должны быть миниатюрными. Диаметр самого крупного головного обтекателя ракеты-носителя — больше 5 метров. И в этот объем нужно поместить целую ядерную установку!
Еще одна проблема — охлаждение: как ни парадоксально, в космосе очень сложно что-то охладить. Солнце светит 24 часа в сутки, а тепло в вакууме никуда не уходит — теплопередача отсутствует. Поэтому подобрать материалы и придумать оптимальную конструкцию установки инженерам было непросто. Рассчитывались толщина стенок активной зоны, геометрия и количество тепловыделяющих стержней, испытывались различные виды топлива и теплоносителей. Порой активная зона плавилась и спутник выходил из строя. Наконец для «Буков» была разработана конструкция, позволяющая реактору работать 15 тыс. часов.
Не ракеты, а реакторы
На современных космических аппаратах, как и в прошлом веке, используются РИТЭГи; они стали мощнее и совершеннее. Развивается и направление космических ядерных реакторов, но тут еще есть над чем работать. Есть планы внедрить такие реакторы в пилотируемую космонавтику, потому что космонавтам на орбите тоже не хватает энергии. Но там, где речь идет о человеке, безопасность должна быть стопроцентной. Кроме того, космонавтам предстоит научиться работать с такими аппаратами, ведь в случае неполадок инженер-атомщик не прилетит, чтобы их устранить. Поэтому до практического применения реакторов на пилотируемых кораблях пройдет, я думаю, несколько десятилетий.
На современных космических аппаратах, как и в прошлом веке, используются РИТЭГи; они стали мощнее и совершеннее. Развивается и направление космических ядерных реакторов, но тут еще есть над чем работать. Есть планы внедрить такие реакторы в пилотируемую космонавтику, потому что космонавтам на орбите тоже не хватает энергии. Но там, где речь идет о человеке, безопасность должна быть стопроцентной. Кроме того, космонавтам предстоит научиться работать с такими аппаратами, ведь в случае неполадок инженер-атомщик не прилетит, чтобы их устранить. Поэтому до практического применения реакторов на пилотируемых кораблях пройдет, я думаю, несколько десятилетий.
Взлет космического шаттла «Дискавери», 23 октября 2007 г.
Атом нужен при освоении космоса не только как источник энергии. С начала космической эры в ракетах используются жидкотопливные и твердотопливные двигатели. Топливо первых — керосин или жидкий кислород, вторые представляют собой «петарды» со специальным высокоэнергетическим топливом. Современные ракеты достигают скорости 30 тыс. км/ч. По земным меркам это невероятно быстро, по космическим — очень медленно: путь к Марсу займет около полугода, а о дальних планетах и говорить не приходится.
А вот если использовать ядерный реактор в качестве источника энергии для ионного двигателя, космический аппарат сможет достигать очень высоких скоростей: до Марса, к примеру, можно будет долететь за две недели. Это существенно расширит наши возможности в исследовании космоса.
Масштабный российский проект — ядерный буксир «Зевс». Предполагается, что с его помощью можно будет отправлять к небесным телам большие грузы. Например, буксир сможет транспортировать все необходимые материалы и аппаратуру для постройки баз на Луне и Марсе.
Энергия атома понадобится не только для полетов в космос, но и для колонизации планет. Сейчас АЭС считаются самыми надежными источниками энергии, например, на Марсе, где солнечные батареи малоэффективны из-за пылевых бурь, или на Луне, где ночь длится две недели.
Лунная гонка продолжается. Теперь целью стало не просто добраться до Луны и водрузить там флаг своей страны. В XXI веке речь идет об исследовательских миссиях, имеющих научное и практическое значение.
Россия и Китай совместно создают международную научную лунную станцию (МНЛС). В качестве источника энергии предусмотрен ядерный реактор. Наша страна отвечает за разработку энергетической установки и ее доставку на поверхность Луны, Китайское космическое агентство — за интеграцию установки с космической базой и распределение энергии по ее секторам. Известно, что в состав МНЛС войдут системы перелетов между Землей и Луной, перемещения по лунной поверхности, научно-исследовательская аппаратура и другие комплексы. К проекту уже присоединились больше десятка стран. Планируется, что МНЛС будет готова к середине 2030‑х годов.
А вот если использовать ядерный реактор в качестве источника энергии для ионного двигателя, космический аппарат сможет достигать очень высоких скоростей: до Марса, к примеру, можно будет долететь за две недели. Это существенно расширит наши возможности в исследовании космоса.
Масштабный российский проект — ядерный буксир «Зевс». Предполагается, что с его помощью можно будет отправлять к небесным телам большие грузы. Например, буксир сможет транспортировать все необходимые материалы и аппаратуру для постройки баз на Луне и Марсе.
Энергия атома понадобится не только для полетов в космос, но и для колонизации планет. Сейчас АЭС считаются самыми надежными источниками энергии, например, на Марсе, где солнечные батареи малоэффективны из-за пылевых бурь, или на Луне, где ночь длится две недели.
Лунная гонка продолжается. Теперь целью стало не просто добраться до Луны и водрузить там флаг своей страны. В XXI веке речь идет об исследовательских миссиях, имеющих научное и практическое значение.
Россия и Китай совместно создают международную научную лунную станцию (МНЛС). В качестве источника энергии предусмотрен ядерный реактор. Наша страна отвечает за разработку энергетической установки и ее доставку на поверхность Луны, Китайское космическое агентство — за интеграцию установки с космической базой и распределение энергии по ее секторам. Известно, что в состав МНЛС войдут системы перелетов между Землей и Луной, перемещения по лунной поверхности, научно-исследовательская аппаратура и другие комплексы. К проекту уже присоединились больше десятка стран. Планируется, что МНЛС будет готова к середине 2030‑х годов.
Марсоход Curiosity на поверхности Марса
В пустыне и на полюсе
Отдельное интересное направление — испытания техники, предназначенной для работы в космосе и на других планетах. Нужно обладать хорошей фантазией, чтобы создать условия, похожие на космические или инопланетные.
Космические аппараты всегда создаются в нескольких экземплярах, для проведения различных испытаний. Во время полета ракеты высвобождается огромное количество энергии, и конструкция сильно вибрирует. Обидно будет, если у марсохода в процессе доставки на Марс «отвалится болтик» и миссия ценой в несколько миллиардов долларов будет провалена. Поэтому один из образцов космический техники проходит многочисленные вибрационные, а также звуковые испытания.
Другой макет испытывают в термовакуумной камере: его помещают в огромную герметичную бочку диаметром несколько десятков метров, выкачивают из нее воздух и нагревают либо охлаждают внутреннюю среду, имитируя условия космоса. Макет должен сохранить функциональность при экстремально высоких и низких температурах. Например, на Марсе температура может достигать -80, -100 °C, и марсоход должен работать в таких условиях десятилетия.
Есть и другие виды испытаний — всего их 10−12.
Техника, предназначенная для работы на Марсе и Луне, испытывается в таких локациях, где условия схожи с ожидающими ее на поверхности этих небесных тел. Например, пустыня в штате Юта, США. Рельеф и климат там напоминают марсианские: барханы, острые камни, большие перепады ночных и дневных температур. Другие примеры подходящих локаций: остров Девон в Канадском арктическом архипелаге, самая засушливая в мире чилийская пустыня Атакама. В прошлом году участники экспедиции «Ледокол знаний» испытывали на Северном полюсе упрощенные модели планетоходов. Там агрессивные условия: холодно, необычный рельеф плюс отсутствие Интернета — в общем, локация для испытаний интересная.
Отдельное интересное направление — испытания техники, предназначенной для работы в космосе и на других планетах. Нужно обладать хорошей фантазией, чтобы создать условия, похожие на космические или инопланетные.
Космические аппараты всегда создаются в нескольких экземплярах, для проведения различных испытаний. Во время полета ракеты высвобождается огромное количество энергии, и конструкция сильно вибрирует. Обидно будет, если у марсохода в процессе доставки на Марс «отвалится болтик» и миссия ценой в несколько миллиардов долларов будет провалена. Поэтому один из образцов космический техники проходит многочисленные вибрационные, а также звуковые испытания.
Другой макет испытывают в термовакуумной камере: его помещают в огромную герметичную бочку диаметром несколько десятков метров, выкачивают из нее воздух и нагревают либо охлаждают внутреннюю среду, имитируя условия космоса. Макет должен сохранить функциональность при экстремально высоких и низких температурах. Например, на Марсе температура может достигать -80, -100 °C, и марсоход должен работать в таких условиях десятилетия.
Есть и другие виды испытаний — всего их 10−12.
Техника, предназначенная для работы на Марсе и Луне, испытывается в таких локациях, где условия схожи с ожидающими ее на поверхности этих небесных тел. Например, пустыня в штате Юта, США. Рельеф и климат там напоминают марсианские: барханы, острые камни, большие перепады ночных и дневных температур. Другие примеры подходящих локаций: остров Девон в Канадском арктическом архипелаге, самая засушливая в мире чилийская пустыня Атакама. В прошлом году участники экспедиции «Ледокол знаний» испытывали на Северном полюсе упрощенные модели планетоходов. Там агрессивные условия: холодно, необычный рельеф плюс отсутствие Интернета — в общем, локация для испытаний интересная.
Макет российского транспортного энергетического модуля (ТЭМ) с ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса для полетов в дальний космос
«Приземление» технологий
Освоение космоса важно не только для будущего человечества — космические технологии входят в нашу жизнь уже сейчас. Применяется коэффициент синергии, показывающий дополнительную, непрямую пользу (применимость) и доход (окупаемость) изделия. В автомобильной промышленности этот коэффициент, например, около 0,5 по десятибалльной шкале. А в космонавтике этот показатель — один из самых высоких: 8−8,5.
Огромное количество космических технологий перешло в другие отрасли. Например, миниатюрные камеры наших смартфонов. Когда-то космические фотокамеры были громоздкими, тяжелыми, пленочными. Если бы, отправляя «Вояджер», пришлось нагрузить его аппаратурой весом в полторы тонны — тяжелее, чем сам зонд, — это сделало бы миссию невероятно дорогой или даже невыполнимой.
Поэтому ученые и инженеры решили создать миниатюрную камеру для высококачественной съемки. Решением стали ПЗС-матрицы. Впервые они отправились в космос на автоматических межпланетных станциях и подтвердили свою надежность, передавая на Землю детальные снимки планет. Тогда инженеры задались вопросом: если технология работает в суровых условиях космоса, почему бы не применить ее в бытовой технике? Так результат космических исследований оказался у нас в кармане.
Освоение космоса важно не только для будущего человечества — космические технологии входят в нашу жизнь уже сейчас. Применяется коэффициент синергии, показывающий дополнительную, непрямую пользу (применимость) и доход (окупаемость) изделия. В автомобильной промышленности этот коэффициент, например, около 0,5 по десятибалльной шкале. А в космонавтике этот показатель — один из самых высоких: 8−8,5.
Огромное количество космических технологий перешло в другие отрасли. Например, миниатюрные камеры наших смартфонов. Когда-то космические фотокамеры были громоздкими, тяжелыми, пленочными. Если бы, отправляя «Вояджер», пришлось нагрузить его аппаратурой весом в полторы тонны — тяжелее, чем сам зонд, — это сделало бы миссию невероятно дорогой или даже невыполнимой.
Поэтому ученые и инженеры решили создать миниатюрную камеру для высококачественной съемки. Решением стали ПЗС-матрицы. Впервые они отправились в космос на автоматических межпланетных станциях и подтвердили свою надежность, передавая на Землю детальные снимки планет. Тогда инженеры задались вопросом: если технология работает в суровых условиях космоса, почему бы не применить ее в бытовой технике? Так результат космических исследований оказался у нас в кармане.
Модель легендарной серии
кроссовок Nike Air
кроссовок Nike Air
Еще один пример — технология, применяемая при изготовлении кроссовок. Благодаря ей создаются удобные ортопедические подошвы. Эта технология была впервые применена в программе Apollo — при высадке на Луне в 1969 году. Астронавтам понадобилась специальная обувь: легкая, удобная и обеспечивающая надежную амортизацию при ходьбе по лунной поверхности. Решением стала технология формования с воздушной подушкой. Ее эффективность была доказана в космосе, а затем и на Земле. Первой адаптировала эту разработку для массового рынка компания Nike, выпустив легендарную серию кроссовок Nike Air.
Пример из более наукоемкой области — медицины. Такие передовые методы, как лазерное шунтирование сосудов и сверхточные операции на сердце, также выросли из космических технологий. Лазерное наведение и дистанционное управление создавались для освоения космоса и мониторинга Земли, где требовалась исключительная точность. Впоследствии эти наработки были адаптированы для хирургии, позволив проводить минимально инвазивные вмешательства с ювелирной точностью.
Прообраз современных искусственных клапанов для сердца — решения, созданные для многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle. Шаттл проектировался для многократных полетов, и ему требовались особо надежные двигатели, способные запускаться десятки раз. Для них были разработаны клапаны, выдерживавшие колоссальное число циклов открытия и закрытия при управлении потоком топлива. С определенными доработками этот принцип сверхнадежного многократного действия был применен для создания искусственных сердечных клапанов. Теперь они заменяют поврежденные природные клапаны и, работая десятки тысяч часов, ежедневно спасают человеческие жизни.
Сегодня сложно себе представить жизнь без навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, а ведь еще лет 15 назад их и в помине не было. Это тоже космические технологии, плавно перешедшие в реальность: ими пользуется любой автомобилист.
Кстати, об автомобилях. До начала космической эры ресурс автомобильной резины составлял всего 5−10 тыс. км. Прорыв произошел благодаря материалам, созданным для освоения космоса, конкретнее — для аппаратов, скафандров и парашютов. Их стали добавлять в состав автомобильных шин, что позволило увеличить срок службы покрышек в несколько раз. Сегодня пробег шин 40−50 тыс. км стал стандартом.
Пример из более наукоемкой области — медицины. Такие передовые методы, как лазерное шунтирование сосудов и сверхточные операции на сердце, также выросли из космических технологий. Лазерное наведение и дистанционное управление создавались для освоения космоса и мониторинга Земли, где требовалась исключительная точность. Впоследствии эти наработки были адаптированы для хирургии, позволив проводить минимально инвазивные вмешательства с ювелирной точностью.
Прообраз современных искусственных клапанов для сердца — решения, созданные для многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle. Шаттл проектировался для многократных полетов, и ему требовались особо надежные двигатели, способные запускаться десятки раз. Для них были разработаны клапаны, выдерживавшие колоссальное число циклов открытия и закрытия при управлении потоком топлива. С определенными доработками этот принцип сверхнадежного многократного действия был применен для создания искусственных сердечных клапанов. Теперь они заменяют поврежденные природные клапаны и, работая десятки тысяч часов, ежедневно спасают человеческие жизни.
Сегодня сложно себе представить жизнь без навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, а ведь еще лет 15 назад их и в помине не было. Это тоже космические технологии, плавно перешедшие в реальность: ими пользуется любой автомобилист.
Кстати, об автомобилях. До начала космической эры ресурс автомобильной резины составлял всего 5−10 тыс. км. Прорыв произошел благодаря материалам, созданным для освоения космоса, конкретнее — для аппаратов, скафандров и парашютов. Их стали добавлять в состав автомобильных шин, что позволило увеличить срок службы покрышек в несколько раз. Сегодня пробег шин 40−50 тыс. км стал стандартом.
Инерционные демпферы, заимствованные из ракетостроения, обеспечивают сейсмостойкость современных небоскребов
Еще один пример — инерционные демпферы. При запуске ракеты колоссальная энергия, звук и вибрация создают риск саморазрушения конструкции — колебания могут отразиться от поверхности Земли и повредить носитель. Для того чтобы этого избежать, были созданы демпферы, гасящие колебания. Практически без изменений эта технология теперь применяется в сейсмостойком строительстве по всему миру, повышая безопасность зданий в регионах, где часты землетрясения.
Бывает, кстати, и обратная ситуация: технологии, созданные в прошлом и забытые, обретают новую жизнь благодаря космическим программам и лишь затем приходят в обиход. Классический пример — текстильная застежка-липучка. Она была изобретена и запатентована еще в середине 1930‑х годов, однако долгое время не находила практического применения. Все изменилось с началом длительных космических полетов и созданием орбитальных станций. Перед инженерами встала нетривиальная задача: как надежно и быстро фиксировать предметы в невесомости? Ремни, зажимы и карабины — это лишний вес и сложные манипуляции. Специалисты обратили внимание на старый патент. Испытания показали: принцип липучки идеально подходит для условий космоса: фиксация происходит мгновенно, требует минимальных усилий и почти не добавляет веса. Технология была успешно внедрена на орбитальных станциях.
Бывает, кстати, и обратная ситуация: технологии, созданные в прошлом и забытые, обретают новую жизнь благодаря космическим программам и лишь затем приходят в обиход. Классический пример — текстильная застежка-липучка. Она была изобретена и запатентована еще в середине 1930‑х годов, однако долгое время не находила практического применения. Все изменилось с началом длительных космических полетов и созданием орбитальных станций. Перед инженерами встала нетривиальная задача: как надежно и быстро фиксировать предметы в невесомости? Ремни, зажимы и карабины — это лишний вес и сложные манипуляции. Специалисты обратили внимание на старый патент. Испытания показали: принцип липучки идеально подходит для условий космоса: фиксация происходит мгновенно, требует минимальных усилий и почти не добавляет веса. Технология была успешно внедрена на орбитальных станциях.
Застежка-липучка (крючковая сторона), работа которой основана на принципах биомиметики
Затем липучка триумфально вернулась на Землю. Сегодня она используется везде: на одежде, обуви, рюкзаках и в тысячах других изделий.
Рассказ о трансферах технологий можно продолжать долго. Космические технологии верой и правдой служат нам в повседневной жизни.
Рассказ о трансферах технологий можно продолжать долго. Космические технологии верой и правдой служат нам в повседневной жизни.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ