18.07.2023. - Атомолеты совершат революцию в освоении Солнечной системы

Атомолеты совершат революцию в освоении Солнечной системы

В Британии планируют сделать термоядерный двигатель для полетов к Марсу, но отраслевые наблюдатели настроены, мягко говоря, скептически. Многолетние обещания «Роскосмоса» полететь к Марсу на ядерной тяге, к сожалению, почти наверняка не сбудутся. И все-таки у ядерных двигателей в космосе — большое будущее, только совсем не то, о котором говорят в английском стартапе или российском космическом агентстве. Naked Science разбирался в деталях. Проблемы химических ракетных двигателей всем хорошо известны: они не могут выбрасывать топливо назад быстрее нескольких километров в секунду. Это значит, что для ускорения космических кораблей даже до первой космической скорости (выхода на низкую орбиту) им требуется по ~30 тонн топлива на тонну полезной нагрузки.

Несложно подсчитать, что для полета к Марсу и обратно без дозаправки практичную химическую ракетную систему не построить: ей придется весить и стоить немыслимо много, и даже тогда она сможет доставить на Марс и обратно всего пару человек — слишком мало для научных исследований. Именно поэтому мы исследуем ближайшую к нам планету в зоне обитаемости с помощью «автоматов», хотя прекрасно знаем, что найти там жизнь с их помощью будет нереально, даже если она там есть. В связи с этим постоянно появляются заявления в стиле: химические двигатели бесперспективны, только ядерные носители позволяют освоить другие планеты. В свое время с такими тезисами отличился Дмитрий Рогозин, но и на Западе есть люди, высказывающие подобную точку зрения. Насколько она верна и правда ли, что британский стартап Pulsar Fusion может решить эту проблему, запустив термоядерный космический двигатель?

Межпланетное такси на дейтерии

Недавно британская компания Pulsar Fusion заявила, что к 2027 году построит демоверсию термоядерного двигателя длиной восемь метров. На выходе из него планируется разгонять раскаленную плазму до ~220 километров в секунду. Это в полсотни раз быстрее, чем у продуктов сгорания, вылетающих из химического ракетного двигателя. Следовательно, такого топлива надо радикально меньше, чем химического, а долететь на нем до спутников Сатурна, уверены в стартапе, получится за пару лет (~5 миллиардов километров в год), а не за 10 (миллиард километров в год), как на химических ракетах. Да и до Марса можно будет добраться за недели. Звучит хорошо, но есть пара смущающих деталей.

На сегодня главная особенность управляемой термоядерной реакции заключается в том, что для ее поддержания требуется как минимум в несколько раз больше энергии, чем удается от нее получить, причем это верно даже для минимально энергетически требовательной термоядерной реакции — слияния атомов дейтерия и трития. Поэтому, чтобы понять основательность Pulsar Fusion, нужно выяснить, откуда они собираются брать энергию на разогрев плазмы для своего термоядерного двигателя — и как вообще представляют его работу.

И здесь нас ждет большой сюрприз. Компания берется не за самый простой вариант термоядерной реакции (дейтерий + тритий), а за заметно более энергозатратный и сложный (дейтерий + гелий-3). А энергию для прогрева плазмы предполагается брать… из самих же термоядерных реакций, протекающих в этой плазме (в конструкции заложены средства отбора энергии у плазмы и ее преобразования в электрическую).

В этом месте люди с физическим образованием тянут руку к кнопке «закрыть браузер». И их можно понять: перед нами план имени Мюнхгаузена, предполагающего вытянуть себя за волосы из болота собственной же рукой. Поскольку энергетическая отдача термояда на сегодня меньше трат на него, поддерживать плазму горячей в реальном космическом двигателе не получится: вы не сможете отобрать энергию у того, что само производит в несколько раз меньше энергии, чем требует для работы.

Как же Pulsar Fusion планирует решить эту проблему? Никак: ни в одном из заявлений представителей компании не только не указываются пути ее решения, но и благоразумно не упоминается само ее существование. Разработчики говорят только о том, что планируют решать проблемы удержания плазмы. Вероятно, этим эзоповым языком они хотят сказать, что желают и снизить энергозатраты на ее удержание. Но вот снизить затраты на разогрев плазмы для реакции это точно не поможет.

Все это порождает загадку. Зачем вести бизнес на основе идеи, которая, исходя изо всего, что известно о термояде, нереальна? Вероятный ответ прост: компании надо как-то привлекать инвесторов.

Хорошо, с Pulsar Fusion все понятно. Но существуют ли в принципе какие-то ядерные или термоядерные двигатели, способные решить те же задачи: то есть быстро и недорого доставить людей на Марс, Титан и дальше?

На мегатонне — к звездам

Проект британского стартапа действительно нереален, потому что контролируемый термояд требует больше энергии, чем дает. Но еще в далеких 1950-1960-х физик британского происхождения Фримен Дайсон предложил абсолютно рабочий вариант термоядерного двигателя — пригодного даже для путешествия к звездам. Его работы велись в рамках американских госпроектов, финансируемых в том числе и NASA (проект «Орион»).

Для разгона космического корабля он предлагал использовать неконтролируемый термояд, а именно: мегатонные бомбы, примерно подобные мегатонной боеголовке современной ракеты Х-102 (правда, у Дайсона такая ЯБЧ весила тонну, в наши дни она в несколько раз легче).

Расчеты показали, что достаточно большая стальная кормовая плита с медным покрытием довольно легко переживет термоядерные взрывы близ нее и не расплавится, охлаждаясь за счет излучения в ИК-диапазоне. Если же покрыть ее частично испаряющимся при взрыве слоем графита, такая плита может быть сравнительно легкой.

В итоге у него вышло, что для путешествия к ближайшей звезде термоядерному кораблю нужно 300 тысяч мегатонных боеголовок — при общей массе корабля 400 тысяч тонн. При 10 тысячах тонн полезной нагрузки (меньше для столь дальнего корабля не имело смысла) он мог достичь альфы Центавра за 133 года при скоростях до 10 тысяч километров в секунду.

Стоимость такого проекта в долларах 2023 года — 840 миллиардов. На первый взгляд дорого: это целый годовой военный бюджет США. Дайсон полагал, что в ближайшее время такие проекты никого не заинтересуют. Однако в XXII веке, по его расчетам, ВВП человечества увеличится достаточно, чтобы эта сумма стала равна космическим бюджетам. Тогда-то, по его мысли, колонизация ближайших звездных систем и станет экономически посильной.

Сегодня с учетом резкого снижения удельного веса термоядерных боеголовок мы можем оценить стоимость проекта ниже, чем это делал он. Однако в любом случае масштаб такого корабля слишком велик для имеющихся экономик. Но неужели же со времен Дайсона у нас не появилось новых идей, способных удешевить подобные проекты?

Скромность спасает флибустьера

В 1991 году американский инженер Роберт Зубрин задумался именно над этим вопросом. В соответствующей работе он отметил, что при всей технической несомненности проекта Дайсона, он уж слишком масштабен для наших дней.

Крайне сомнительными он счел и проекты ядерных ракетных двигателей типа NERVA (США) и ему подобных (сегодня мы знаем о советском ядерном ракетном двигателе похожей задумки). В них ядерное топливо было отделено от рабочего тела, выбрасываемого двигателем назад при движении. Это позволяло получать «чистый выхлоп», но означало очень низкую эффективность двигателя. Ведь температура, до которой можно нагреть истекающий газ, — тысяча-другая градусов (иначе придет конец теплообменникам). А даже ядерная реакция легко позволяет достичь намного более высоких температур. Следовательно, ЯРД такой компоновки давали лишь весьма малый выигрыш по скорости истечения рабочего тела. Настолько малый, что радикальных преимуществ перед химическими ракетами у ядерных ракетных двигателей не было.

Поэтому Зубрин решил пойти принципиально иным путем. В его проекте ядерное топливо и выбрасываемое назад рабочее тело объединялись. Для этого он предложил использовать водный раствор (концентрацией до 30 процентов) весьма своеобразной соли — тетрабромида урана, обогащенного до 20 процентов по урану-235. Критическая масса для такой жидкости — всего лишь десятки килограммов.

Пока космический корабль выводится на орбиту и готовится к пуску, соленоводный раствор удерживается в трубках из карбида бора (возможен графит, но негорючий бор лучше на случай аварии при выводе корабля в космос на обычной ракете). Они отлично поглощают нейтроны и делают цепную реакцию невозможной. До запуска цепной реакции уран-235 (или плутоний) радиационно безопасны (уран спокойно берут руками во время работ с ним).

После запуска в открытом космосе водный раствор из трубок подается в камеру «сгорания», где начинается цепная реакция. За счет быстрого нагрева топливо почти мгновенно покидает камеру, и дает что-то типа «медленного» (но постоянного) ядерного взрыва сразу за соплом ядерного ракетного двигателя.

Взрыв испаряет воду, и разогретая до огромной температуры струя газов истекает с завидной скоростью — 66 километров в секунду. Это в полтора десятка раз лучше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.

На первый взгляд на фоне «Ориона» это смотрится кисло — газы истекают в сотни раз медленнее. Но есть и огромные преимущества. Во-первых, это «постоянное ядерное горение», управляемое, а не взрыв. Соответственно, нет нужды в колоссальной отражающей плите большой массы, без которой от мегатонных вспышек за кормой не защититься. Такой корабль может быть крайне легким и компактным.

Скажем, для путешествия к Титану и обратно соленоводной ядерной ракете на четырех человек нужно всего 83,6 тонны раствора, в котором всего 3,34 тонны будут ураном-235. Для сравнения: первая загрузка каждого реактора Белорусской АЭС содержит 93 тонны урана-235. Да, он не будет таким же быстрым, как «Орион», но сможет достичь того же Титана (орбита Сатурна, почти 10 миллиардов километров от нас) лишь за четыре года, а не за 10, как у химических двигателей.

А как же быть с радиоактивным загрязнением — выхлоп-то как от ядерного взрыва? Зубрин отмечает, что при 66 километрах в секунду этот самый выхлоп надежно вылетит из Солнечной системы. И даже за ее пределами не сможет причинить никому вреда, потому что долетит до ближайшей звезды через пару десятков тысяч лет, когда продукты ядерного «горения» уже давно станут безопасны. Собственно, при том типе деления, который требуется в такой системе, продукты распада ее топлива будут практически безопасны уже через 500 лет.

Следует понимать, что как инженер Зубрин исходно выбрал для проекта самые простые параметры, делающие его воплощение максимально несложным. При обогащении по урану-235 до 90 процентов скорость истечения продуктов поднимется до 4725 километров в секунду — очень близко к термоядерно-бомбовому «Ориону» Дайсона. Небольшой разведывательный зонд массой 300 тонн с таким двигателем Зубрина достиг бы альфы Центавра за 120 лет.

Естественно, что с такими параметрами путешествие к Титану из четырехлетнего сразу становится примерно годичным. Марс и вовсе оказывается в недельной досягаемости.

Разработчик подчеркивал, что возможности двигателя позволяют использовать как «корабль» богатый водным льдом астероид. При его исходной массе 30 тысяч тонн (диаметр в десятки метров) и всего 7500 тоннах завезенного урана (~1 процент от количества уже добытого урана, хранящегося в России сегодня) такой микроастероид может достичь альфы Центавра за 60 лет, благо экономить воду (получаемую на нем самом) ему, в отличие от разведывательного зонда, не придется.

Очень важный момент — соленоводный ядерный двигатель Зубрина имеет такие энергетические параметры, которые позволяют поддерживать в корабле постоянный искусственный аналог силы тяжести в диапазоне 1-4 G. Химические ракеты на такое в принципе не способны.

А ведь именно нулевая гравитация (и вовсе не радиация) — главный враг космонавта, не позволяющий ему находиться в космосе дольше пары лет. Если этот срок превысить, потеря мышечной и, главное, костной массы от недостатка нагрузки превысит 20 процентов, после чего успешная повторная адаптация человека к земной гравитации маловероятна. Таким образом, двигатель Зубрина позволяет решить ключевые проблемы любых путешествий в Солнечной системе.

Ведь при такой ничтожной массе топлива, что ему нужно, космический корабль сможет предоставить своему экипажу и постоянный аналог силы тяжести, и любую нужную защиту от космической радиации. И главное — способность достичь хоть Плутона за разумные сроки.

Почему ядерный космолет означает революцию в колонизации Марса

Освоение Марса с двигателем Зубрина приобретает черты не эпического античного приключения, как у Илона Маска с его «Старшипами», а вполне практичного мероприятия. В самом деле: чтобы можно было отправить к Марсу «Старшип», он должен иметь массу 1420 тонн, из которых 1200 тонн — топливо.

А корабль с двигателем Зубрина при такой же полезной нагрузке потребует не более десятка тонн топлива (если использовать малое обогащение урана) или считанных тонн (если высокое). То есть весить он будет чуть больше 300 тонн. Соответственно, требуемая конструкция будет куда легче и меньше. Дозаправлять ее жидким метаном и кислородом по 10-12 раз (для полной заправки баков перед полетом к Марсу) будет явно не нужно.

Но это только начало преимуществ атомолета над химолетом Маска, по принципиальной схеме слабо отличимого от корабля из нержавейки, который некогда угнали Незнайка и Пончик. Дело в том, что «Старшип» сможет долететь до Марса и обратно за цикл не менее двух лет. Просто потому что Марс «встает» напротив Земли раз в два года (тогда расстояние между ними 56 миллионов километров). А если начинать полет в другое время, он будет слишком уж долгим — ведь дистанция при этом растет вплоть до 401 миллиона километров.

Ничего подобного для ядерного космолета нет. С его скоростью он может за считанные месяцы пролететь и 401 миллион километров, причем даже быстрее, чем «Старшип» пролетит 56 миллионов километров, случающиеся раз в два года.

Следовательно, один атомолет не только будет раз в пять легче и дешевле, чем один «Старшип», но еще и сможет заменить около десятка «Старшипов» по количеству грузов, доставляемых в единицу времени. По расчетам того же Маска, создание самообеспечивающейся колонии на миллион человек на Марсе потребует 100 миллионов тонн грузов, доставляемых на околоземную орбиту каждый год. Это миллион рейсов «Старшипов» ежегодно. Всего, получается, нужно все время содержать флот из как минимум тысячи постепенно заменяемых «Старшипов».

А атомолетам Зубрина не надо доставлять на орбиту топливо для дозаправки кораблей, идущих к Марсу. Точнее, надо, но не химическое и десятками миллионов тонн в год, а ядерное+воду, отчего лишь сотнями тысяч тонн в год. Разница в транспортных издержках сразу падает не меньше, чем в полсотни раз — и это мы даем расчеты для далеко не самых продвинутых вариантов двигателя Зубрина.

По сути, Илон Маск планирует достичь Нового Света (в данном случае — мира) на аналоге каравелл и кара Колумба. «Санта-Мария» предприимчивого генуэзца была 200-тонным суденышком, где экипаж спал на верхней палубе (потому что больше негде: места нет), бок о бок. Излишне говорить, что на таком разумно только высаживаться в Новом Свете, но никак не колонизировать его. Для колонизации же в XVI веке сделали громадные галеоны водоизмещением до двух тысяч тонн и с нормальными каютами.

Атомолеты Зубрина — современный аналог галеонов. Колонизировать новый мир можно и на каравеллах с химическими двигателями, но стоить это будет безумно дорого, и времени займет очень много.

Что мешает ядерным космолетам победить химические

Плюсы ядерного двигателя в космосе так очевидны, что возникает вопрос: почему их никто не разрабатывает? Ведь Зубрин прав: несмотря на то что его двигатель, по сути, медленно горящая ядерная бомба, как раз как боевую бомбу его нельзя ни использовать, ни классифицировать юридически. Значит, никакие договоры ее не ограничивают.

По топливу ограничений тоже нет: как здраво отмечает разработчик, быстрые ядерные реакторы могут нарабатывать плутоний-239, которые как топливо для корабля Зубрина даже лучше урана-235. Между тем сырья для получения плутония-239 — то есть урана-238 — на Земле уже добыто сильно за миллион тонн. Не то что корабли до Марса — небольшие астероиды с экипажем к альфе Центавра можно отправлять.

Главная проблема, из-за которой все это никто с 1991 года не разрабатывал, проста. Она ровно та же, почему до самого недавнего времени никто даже не рассматривал другое предложение Зубрина: добычу метанового топлива на самом Марсе.

Да, без такой добычи осмысленная высадка на Красной планете невозможна, потому что топлива и для посадки, и для возвращения с нее с Земли не прихватить. Но только кому вообще было нужно лететь на Марс? Вернемся в реальный мир: типичный политик не понимает, зачем нужно лететь на другую планету. Вы можете ему сказать, что там, с высокой вероятностью, есть жизнь и открытие ее там перевернет земную науку. Вот только политику это немного до фонаря: он о науке думает только тогда, когда очень прижмет.

Можно сообщить политику и ту простую истину, что «однопланетные виды не выживают», и наличие самоподдерживающейся колонии на другой планете резко поднимает шансы человечества на длительное существование. Но, сказав это, вы опять увидите в глазах типичного политика лишь пустоту и непонимание. Он просто не мыслит такими категориями, как человечество и его выживание: ему бы самому до выборов дожить. Что там будет через сто или тысячу лет, далеко за гранью его интересов.

Не удивительно, что концепция Зубрина «делать топливо для возвращения с Марса на самом Марсе» всерьез заинтересовала только Илона Маска. Мальчик, к 12 годами прочитавший из интереса всю «Британнику», став взрослым, хорошо понимает про выживаемость однопланетных видов или про важность открытия внеземной жизни. Знает и про то, что текущие технические возможности человечества уже позволяют терраформировать Марс. Естественно, что на таком фоне идеи Зубрина для него крайне актуальны.

Но вот взяться за его атомолет Маск не мог. Американские законы в ядерной области, мягко говоря, консервативны. Плутоний вообще запрещено перерабатывать, любые работы с ядерными двигателями потребуют такого длительного лицензирования и такого набора разрешений, что глава SpaceX до их получения имел бы все шансы просто не дожить. Поэтому он и взялся за каравеллы: галеоны космического века для частной компании в США в принципе недоступны. Государство замучает.

Так все-таки: полетим ли мы на Марс на ядерном пламени?

Даже отправить каравеллу на ближайшую планету в зоне обитаемости очень сложно. Вряд ли у Маска это получится ранее 2030-х годов, и пока даже не ясно, какой именно их половины. Но вот если это у него получится при его жизни, то кое-что, с высокой вероятностью, прогнозировать все-таки можно.

Во-первых, с вероятностью выше 50 процентов на Марсе откроют простейшую жизнь. Это очевидно из того набора данных, которые мы имеем о Марсе уже сегодня. Открытие такого рода создаст некоторую гонку престижа в вопросах изучения Красной планеты среди национальных космических агентств. Большинство — кроме Китая — для такого изучения будут покупать рейсы у SpaceX, потому что своих носителей со сравнимыми возможностями ни у кого нет.

Китай и, возможно, Россия (в зависимости от дальновидности тех, кто будет ее возглавлять) при этом окажутся в сложной ситуации. Маск явно как минимум попытается начать терраформирование, при этом на Марсе сложится правовой аналог Дикого Запада: кто успеет поставить базу вот здесь, тот и будет на эту зону претендовать. Ясно, что в такой ситуации хорошо бы получить средства колонизации лучше, чем «каравеллы» от SpaceX.

И самым очевидным путем обогнать первопроходца будет именно ядерный «галеон». Россия и Китай, в отличие от США, обладают быстрыми реакторами (натриевых типов), позволяющими быструю наработку больших объемов чистого плутония-239 оружейного качества — идеального материала для соленоводной ракеты Зубрина. Еще Россия и КНР обладают существенным и пока нарастающим отставанием от химических ракет Маска. Добиться тех же результатов по ним они смогут лишь с отставанием в годы.

В такой ситуации вполне разумно попытаться создать носитель, выводимый в космос на собственном аналоге «Старшипа», но затем летящего от земной орбиты к Марсу и обратно на ядерном двигателе. Способность заменить одним атомолетом сразу полсотни «Старшипов» действительно дает шанс опередить соперников даже при серьезном исходном отставании от него в области химических ракет.

Вопрос только в одном: когда именно у госкосмоса (для частников настолько «атомный» проект явно недоступен) России или Китая возникнет понимание того, что это необходимо, сопряженное со знанием о двигателе Зубрина?

Источник