Америций-241 – Новое топливо для дальнего космоса вместо плутоний-238

Элемент, который используется в некоторых датчиках дыма, вполне может стать источником энергии для миссий к звёздам. Учёные почти уверены, что именно новое топливо, америций, определит будущее освоения дальнего космоса.

Он не просто продлит миссии с десятилетий до столетий, но и подарит независимость от ограниченных запасов плутония. С ним станет возможным создание новых типов космических аппаратов, дрейфующих между звёздами долгое время после смены правительств и цивилизаций.

Чтобы понять, как это работает, нужно сначала разобраться: что же в этих ядерных батареях такого особенного?Ядерная батарейка – Светящийся кристалл с большим запасом энергии

Зачем космическим аппаратам ядерная энергия

Да, солнечные панели отлично работают вблизи Земли — солнечного света здесь много.

Они питают спутники, Международную космическую станцию и даже некоторые марсоходы. Но стоит отлететь подальше, и свет тускнеет. До Юпитера доходит уже в 25 раз меньше солнечного света, чем до Земли. А у Плутона освещённость слабее в тысячу раз.

Например, будь распиаренные «Вояджеры» на солнечной энергии, им бы пришлось тащить солнечные батареи размером с футбольное поле. Вместо этого у каждого стоит радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) размером примерно с мусорный бак.

Работает просто: внутри устройства находится топливная таблетка, обычно из плутония-238. Атомы распадаются — выделяется тепло. Это тепло термопары (элементы, преобразующие тепловую энергию в электрическую) тут же преобразуют в электричество.

Никаких движущихся частей, ничего, что могло бы легко сломаться. Поэтому и получается стабильный и надёжный источник энергии, работающий десятилетиями.

На борту «Вояджера» было три РИТЭГа, в каждом почти по 5 кг плутония-238. При запуске в 1977 году система выдавала около 470 Вт мощности. Прошло почти полвека, а они всё ещё выдают более 200 Вт.

Этого хватает для поддержания работы жизненно важных приборов, даже когда инженеры отключают второстепенные системы, чтобы продлить миссию. Важный момент: плутоний-238 — это совсем не оружейный плутоний.

Он не способен к неконтролируемому цепному делению, не может уйти вразнос или расплавиться. Он просто распадается, контролируемо и стабильно, выделяя тепло.

Как плутоний-238 стал «золотым стандартом»

У плутония-238 период полураспада 88 лет — почти идеальный баланс между выработкой энергии и долговечностью.

Впервые в космосе он был применён в 1969 году. Ранние системы питали спутники и научные станции. Чем амбициознее становились миссии, тем дальше РИТЭГи отправлялись к Юпитеру, Сатурну, Плутону и за их пределы.

Один только аппарат «Кассини», вращавшийся вокруг Сатурна с 2004 по 2017 год, нёс на борту 33 кг плутония-238. Без этого источника питания он бы и не «выжил» в холодной, далёкой тьме у Сатурна.

Так что с производительностью здесь всё в порядке. Проблема в другом — в поставках. В природе плутоний-238 не найти, его приходится производить в ядерных реакторах.

Во время холодной войны Советский Союз и США наработали его в значительных количествах. После окончания холодной войны запасы ядерных материалов постепенно начали таять.

NASA ощутило серьёзный его дефицит уже к 2000-м годам, а РИТЭГ марсохода «Кьюриосити» (2012) забрал одни из последних крупных резервов. Понадобились годы, чтобы возобновить производство, и только в 2015 году в Ок-Риджской национальной лаборатории удалось получить новый плутоний-238.

Сейчас годовой объём производства плутоний-238 в США составляет всего несколько сотен граммов. А ведь для одной миссии в дальний космос может понадобиться 5 кг или более. С такими-то темпами NASA просто не может поддерживать растущее число миссий, используя только плутоний.

Именно эта проблема и привела к неожиданной альтернативе.

Америций-241 – топливо, скрытое в ядерных отходах

Америций пока не так на слуху, как другие синтетические элементы.

Его создали в 1944 году во время Манхэттенского проекта, хотя для космоса интересен изотоп америций-241. У него период полураспада — 432 года, это в 5 раз дольше, чем у плутония-238.

Понятно, что такое долголетие сразу делает америций привлекательным для миссий, рассчитанных на столетия. Но главный его козырь — доступность. Дело в том, что америций-241 образуется естественным образом в ядерных отходах по мере распада плутония-241. Он там просто накапливается со временем.

Получается, топливо мало того что долговечное, так ещё и доступное. Не нужно строить новые реакторы для его производства, учёные могут просто извлекать америций из существующих отходов — по сути, это переработка в планетарном масштабе.

Америций даёт устойчивость, доступность и стратегическую независимость. В частности, Европа получает путь к созданию энергосистем для дальнего космоса, которые не зависят от поставок плутония.

Сравнение плутония и америция

Плутоний-238 ещё остаётся предпочтительным топливом для космических миссий, требующих высокой мощности.

Он горячее: выделяет больше тепла на грамм (около 0,5 Вт тепловой мощности), химически стабилен. Америций-241 производит всего около 0,1 Вт на грамм — в 5 раз меньше. Чтобы получить ту же мощность, РИТЭГ на америции придётся делать значительно крупнее или тяжелее. А это проблема для космонавтики, где масса — ценнейший ресурс.

Проще говоря, плутоний — это «спринтер». Компактный, быстрый и идеальный для миссий, которые должны питать буры, камеры, лазеры и системы связи. Америций — это «марафонец». Более медленный, громоздкий и идеальный для небольших, маломощных зондов, которым предстоит действовать в течение столетий.

Миссии, которые может сделать возможными америций

Европа уже взялась за америций, более 10 лет Университет Лестера в партнёрстве с Европейским космическим агентством (ЕКА) и Космическим агентством Великобритании ведёт разработку энергетических систем на америции.

Они работают как над полноразмерными РИТЭГами, так и над малыми радиоизотопными нагревательными блоками, предназначенными для обогрева приборов в ледяных мирах.

Америций кажется особенно подходящим для длительных или далёких миссий с минимальными энергозатратами. Вроде зондов, что будут изучать геологические процессы на ледяных спутниках, или межзвёздных инструментов, которым предстоит дрейфовать в космосе сотни лет.

Взять, к примеру, предлагаемый NASA концепт «Межзвёздный зонд» (Interstellar Probe), который должен удалиться на 150 млрд км от Земли. Ему понадобится источник питания, рассчитанный не на десятилетия, а на поколения.

Вот тут-то америций и превосходен, к тому же РИТЭГи на америции дают независимость. Когда Европа потеряла доступ к российским энергосистемам из-за геополитической напряжённости, америций превратился в ключевую стратегию для питания будущих миссий, как марсоход «Розалинд Франклин».

Пилотируемые миссии на Марс, вероятно, будут использовать комбинацию энергосистем. Америций мог бы играть вспомогательную роль, обеспечивая постоянное тепло и электричество во время многолетних путешествий.Билет в один конец – Как человек переживёт 900-дневный полёт на Марс

Проблема плотности, мощности и перспективы двигателей Стирлинга

Самый большой минус америция — низкая тепловая мощность, так как более крупные энергосистемы означают и большую стартовую массу.

Чтобы это обойти, исследователи возвращаются к технологии вековой давности — двигателю Стирлинга. Этот преобразователь использует систему замкнутого цикла, где рабочее тело (газ или жидкость) расширяется и сжимается, приводя в движение поршень, соединённый с генератором.

В отличие от двигателя внутреннего сгорания, система полностью герметична, что делает её пригодной для космоса.

У традиционных РИТЭГов, использующих термоэлектрику, надёжность высокая, а вот эффективность — низкая, КПД (коэффициент полезного действия) часто составляет всего 5%. А вот двигатели Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество с эффективностью 25 и более процентов.

Что это даёт? Либо больше электроэнергии из того же количества топлива, либо ту же мощность при значительно меньшем его количестве.

Да, у двигателей Стирлинга есть движущиеся части, и это также вызывает вопросы к надёжности в космосе. Однако стабильное тепловыделение америция позволяет пойти на хитрость: создавать РИТЭГи с несколькими преобразователями Стирлинга, работающими в тандеме.

Если один выйдет из строя, другие компенсируют нагрузку, сохраняя выходную мощность. Испытания ещё идут, и в космосе РИТЭГи на основе америция и двигателей Стирлинга пока не летали.

Но прогресс многообещающ, и это сочетание долговечного топлива и эффективного преобразования энергии может трансформировать энергосистемы для дальнего космоса.

Новая эра энергетической независимости

Десятилетиями контроль над производством плутония-238 давал США и СССР (России), по сути, монополию на миссии в дальний космос.

Остальным странам, включая европейские, приходилось полагаться на солнечную энергию или мириться с ограничениями в конструкции миссий. РИТЭГи на америции могут эту ситуацию изменить.

Они создают новую цепочку поставок, позволяя странам самостоятельно разрабатывать собственные энергосистемы. Если системы на америции себя зарекомендуют, оба вида топлива будут сосуществовать: плутоний для высокомощных космических миссий, америций — для длительных или маломощных.

Америций также может найти применение и на Земле. Энергосистемы на его основе могли бы поддерживать удалённые операции, глубоководные исследования или любую среду, где требуется стабильная энергия вдали от цивилизации.

Будущее на энергии америция

Плутоний-238 позволил нам совершить великие путешествия XX и начала XXI веков — от Луны до Сатурна и границ межзвёздного пространства.

Однако амбиции растут, а запасы плутония тают, так что новое топливо может определить следующую эру исследований. Америций горит не так ярко, но зато значительно дольше.

И здесь имеется выносливость вместо чистой мощности, долговечность вместо интенсивности. А в дальнем космосе, где расстояния измеряются столетиями, именно выносливость может оказаться самым важным качеством.

Подумать только: тот же элемент, что находится в бытовых датчиках дыма, однажды сможет питать приборы, дрейфующие между звёздами, или зонды, исследующие океаны на чужих мирах в вечной тьме.

Начавшаяся гонка за освоение космоса будет зависеть не только от ракет и телескопов, но и от того, кто контролирует ядерные материалы, поддерживающие жизнь космических аппаратов.