Марс, Луна, дальний космос: как освоение Солнечной системы обернется торжеством атома

Девяносто девять процентов всей энергии, что мы можем использовать в окружающей нас Вселенной, — это энергия ядра атома, а оставшийся один — различные ее производные второго, третьего и так далее порядков.

О чем идет речь? Вышеупомянутые 99 процентов — это энергия слияния атомов водорода в недрах солнц (откуда свет и тепло солнечных лучей), а также распад ряда радиоактивных изотопов (откуда небольшое количество тепла, идущее из недр Земли).

Производное второго порядка от слияния ядер атомов — солнечный свет. Во внешних слоях Солнца термоядерных реакций нет, но они нагреваются до тысяч градусов и излучают вовне, освещая и согревая наш мир. У энергии атомных ядер есть и производные третьего порядка: например, дрова, полученные из деревьев, использовавших солнечную энергию. И даже четвертого порядка: растения, устилавшие землю зеленым покровом в прошлые геологические эпохи, после своей гибели дали углеводороды, которые со временем стали нефтью и газом.

Пару миллионов лет люди использовали только производные атомной энергии третьего порядка. Сначала дрова, потом уголь, затем нефть и газ (как мы уже писали, с метаном процесс еще на закончен: на него перейдет авиатранспорт).

Логика этого развития была проста: энергия дров слишком слабо сконцентрирована, отчего энергия из них выходит или дорогой, или неудобной в использовании. Энергия ископаемого топлива сконцентрирована куда лучше, но и у нее есть недостатки. Ключевой: ограниченность запасов. Как ни крути, а объем древней растительной биомассы, ставшей нефтью и газом, далеко не бесконечен.

Еще актуальнее этот вопрос при освоении космоса. В мире набирает популярность явление, которое известный инженер Роберт Зубрин называет «тенденцией к темным векам» — то есть к распространению в массах идей о ненужности полетов в космос. Ученые по всему миру не испытывают сомнений, что человечество либо освоит космос, либо рано или поздно погибнет.

Риски проживания на одной планете невысоки на отрезке в тысячи лет, но на миллионе лет все меняется. Астероиды уже не раз стирали все крупные наземные виды планеты, и наивно было бы ожидать, что в будущем это изменится. Хочет наш вид или нет, ему придется сделать как минимум Солнечную систему своим «задним двором» — иначе человек вряд ли выживет и на Земле.

Но в космосе никакие третичные производные энергии атома использовать не получится: там или нет угля и углеводородов, или нет кислорода для их сжигания. Поэтому, осваивая его, человечество стоит перед важным выбором: перейти к получению энергии напрямую из производной атомной энергии (то есть солнечного света) или же переключиться на саму атомную энергию.

Ученые и футурологи десятки лет пытаются понять, как будет выглядеть энергетическое будущее людей в космосе, и пока одинаково часто встречаются две точки зрения. Согласно первой, солнечные электростанции станут основным видом энергетики. По этому подходу задумана та же сфера Дайсона — огромный массив станций, вращающихся вокруг Солнца и получающих от него энергию. Последнюю они — с помощью лазеров или микроволновых излучателей — передают на Землю или на базы Луны и Марса.

Второй подход к обеспечению энергией в космосе еще в середине XX века описал Айзек Азимов в цикле «Основание»: АЭС становятся основным источником энергии — в силу своей компактности и малой удельной материалоемкости.

Так кто же из них победит в обозримом будущем?

Как работает атомная энергия в космосе

Космические атомные реакторы не слишком похожи на огромные энергоблоки российских наземных реакторов. Внеземная среда заставляет делать их компактными: места под обтекателями ракет, выводящих полезную нагрузку, немного, да и большая масса в космосе нежелательна, а дефицит пресной воды без примесей почти исключает (до плотной колонизации Марса) использование водяного теплоносителя.

Когда в США в начале космической эры столкнулись с этими проблемами, то попробовали обойти их ценой минимального изменения конструкции: использовали турбины с иным рабочим телом (например, инертным газом вместо водяного пара). Оказалось, такие системы громоздки (газ имеет малую теплоемкость, отчего активная зона должна стать слишком большой), да еще склонны к поломкам.

Из-за этого США ограничились более простыми радиоизотопными генераторами. В них активно делящийся изотоп (типа плутония-238) испускает частицы, нагревающие полупроводник, а в том от нагрева начинает течь ток. Такие «ядерные батарейки» снабжают энергией все дальние космические зонды — от «Вояджеров» до «Кассини» — и даже марсоходы. Но надо понимать, что их возможности — это сотни ватт, от силы киловатты, так что для решения действительно масштабных вопросов они не годятся.

Но эти ограничения — не только минусы, но и плюсы. Если, конечно, проектировать атомные реакторы иначе. В США в 1965 году (SNAP-10A), а в СССР в 1970-м («Бук») запустили в космос реакторы, в которых вместо турбины тепло от распада атомов превращали в электричество термоэмиссионными преобразователями. Суть их работы довольно проста: многие металлы при нагреве в сотни градусов начинают испускать электроны.

И SNAP-10A, и «Бук» использовали крайне высокообогащенный уран (практически оружейный), поскольку космос требует весового совершенства, а топливо с обычным обогащением — до нескольких процентов, как у земных реакторов — там будет слишком тяжелым. Тепло от стержней с топливом в обоих случаях отводилось смесью натрия и калия. На Земле такая смесь может быть опасна: на воздухе она сама начинает гореть.

В космосе гореть нечему, зато натрий и калий почти не тормозят нейтроны, создавая возможность для очень компактных реакторов. Плюс раскаляются до температур, когда становится эффективной работа термоэмиссионных преобразователей — тоже крайне компактных и без движущихся частей, как у турбин наземных АЭС. Американцы запустили всего один такой реактор, но ему не повезло: спутник, где он работал, вышел из строя. СССР запустил в космос 31 ядерный реактор типа «Бук» и успешно использовал их до конца своей истории.

Сегодня в перспективных проектах «космических» реакторов есть использующие и такие экзотические теплоносители, как самый легкий металл — литий. Но термоэмиссионный преобразователь остается их ключевым компонентом, причем КПД его выросло с 3% у «Бука» до 10% у лучших перспективных проектов.

Теперь, когда мы в общих чертах разобрались, как работает реактор в космосе, настало время понять, насколько важен он в деле освоения космоса.

База на Луне: солнечные батареи или реактор?

На сегодня вопросы создания баз на других телах Солнечной системы активно обсуждают только на Западе, поскольку российская космическая отрасль отчетливых планов такого рода не имеет (или ничего о них не сообщает публике).

Точнее, в информационном пространстве с 2007 года циркулируют планы по строительству российской базы на Луне (первый намечавшийся срок ее создания истек в 2015 году, а в 2020-м Дмитрий Рогозин заявил о возможности создания такой базы вместе с Китаем). Но дело в том, что что-то определенное об этих планах узнать крайне сложно. Ведь даже ракет, пригодных для полета на Луну, у «Роскосмоса» нет (у КНР, впрочем, тоже), и конкретные сроки их создания госкорпорация избегает называть. В то время как в США сейчас строят две подобные ракеты (SLS и Starship), и одна из них в следующем году должна начать полеты в космос. Следуя западной моде, эти планы — «гелиоцентрические».

И вот как раз США предполагают строить базу на Луне у «пиков вечного света» — лунных гор вблизи полюсов земного спутника, где почти никогда не заходит Солнце. Идея тут в том, что у Луны очень слабый угол наклона оси вращения, поэтому местной «зимой» ее северный полюс не уходит так сильно «в сторону» от Солнца, и зимних провалов в освещении, как на Земле, здесь просто нет.

Японское космическое агентство несколько лет назад предлагало еще более масштабный план «энергетической колонизации» Селены, при которой ее экватор должны опоясать сплошной лентой из солнечных батарей. Когда на одной стороне Луны — ночь, энергия по кабелю (сверхпроводящему и идущем под массивом солнечных батарей) будет поступать с дневной стороны, и наоборот.

Оба плана звучат логично, пока мы не начинаем вдаваться в нюансы. Исследовательская база будет нуждаться в энергии постоянно. Однако зонд Lunar Reconnaissance Orbiter, принадлежащий NASA, десяток лет назад обнаружил, что на Луне просто нет таких приполярных пиков, которые бы действительно вечно освещались солнцем. Есть точки, где 94% лунного года светло, но и там бывают затмения, когда Земля проходит между Луной и Солнцем или тени от соседних гор перекрывают видимость светила. Тогда затмения эти длятся до 43 часов.

Следовательно, лунной базе потребуется набор солнечных батарей плюс набор литиевых батарей, которые смогут хранить запасенную энергию для пары суток работы базы. В целом это вполне возможно — особенно пока база остается не очень большой и с малым числом персонала. Чем больше она будет, тем сложнее это реализовать.

Но есть и более серьезное препятствие для сценария «пиков вечного света». Как верно подмечает поговорка, созданная на основе стихотворения Льва Толстого, «гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить». 94% от продолжительности года освещаются только горы кольца, окружающего кратер Шеклтон у южного полюса Селены. Общая площадь такого уникального региона — десять квадратных километров.

Однако еще в 2005 году исследователи NASA отметили, что внутри кратера стены довольно резко обрываются вниз, из-за чего исследование его автоматами будет затруднено едва ли не до полной невозможности. На внешней стороне строить базу непросто: под вечным солнечным светом поверхность Луны раскаляется до плюс 130. К тому же склоны «пиков вечного света» и там относительно обрывисты.

Naked Science уже писал: существующие на сегодня скафандры для Луны крайне тяжелы (более 100 килограммов в западном исполнении) — настолько, что упавший в них астронавт без посторонней помощи может подняться лишь с большим трудом. В таких условиях даже исследовать такие места сложно.

Как же мы будем устанавливать солнечные батареи на этих крутых склонах? Как мы протянем оттуда длинные кабели до базы? Как обеспечим надежность их работы, если верхний слой лунного реголита вечно нагрет выше температуры кипения воды в земных условиях?

Причем надо понимать, что от места прилунения посадочного модуля до самой базы в таком случае путь не может быть близким: первые два астронавта чуть не погибли из-за попытки сесть на пересеченной местности. То есть посадку нужно планировать в районе, довольно далеком от края кратера, — иначе пытающиеся прилуниться могут не выжить.

Но и это не все. В 2014 году группа исследователей из корпорации «Энергия» опубликовала специальный отчет о наиболее эффективном обеспечении энергией лунной базы. Обнаружилась интересная вещь: чтобы использовать чисто исследовательскую базу на десять человек, требуется до 100 киловатт постоянной электрической мощности.

Это, в общем случае, не менее 250 квадратных метров даже самых эффективных солнечных батарей — на арсениде галлия (с КПД в 40%). Минимальная емкость батарей накопителей на период затмений тогда должна выражаться в мегаватт-часах. Даже при одном мегаватт-часе вес такой системы будет не менее пяти тонн.

По расчетам авторов работы, «солнечное электричество» у «пиков вечного света» на Луне обойдется в 13,25 доллара за киловатт-час, а атомное — при мощности реактора в 600 киловатт — 12,6 доллара за киловатт-час. При этом тепло от солнечной батареи будет стоить 5,0 цента за килокалорию, а от атомного реактора — 1,5 цента. Казалось бы, зачем тепло на Селене, тем более у пика вечного света, где скорее проблема в том, как от этого тепла избавиться?

Однако нужда в тепле там есть — и она очень велика. Во-первых, размещать базу на вечном свету — не лучшая идея. Солнечное излучение может перегревать ее внешние стенки — нужна защита приличным слоем грунта. Наконец, в случае солнечной бури выйти на поверхность у «пиков вечного света» — неудачная затея, ведь уровень протонов от Солнца будет слишком большим.

Напротив, при размещении базы в тени радиация не будет серьезной проблемой, но потребуется некоторое отопление. Кроме того, тепло нужно для растапливания водяного льда, который есть в кратере Шеклтона: из него можно получать кислород для дыхания и водород для компонентов ракетного топлива.

Выходит, при расходе энергии выше 500 киловатт лунная база практически безальтернативно должна использовать атомный реактор. Как отмечают авторы работы, база более чем с десятью сотрудниками и получением ресурсов из местного льда явно потребует сотен киловатт, поэтому АЭС тут выглядит самым логичным решением.

Еще хуже ситуация, если размещать базу не у кратера Шеклтона, а в произвольной точке лунной поверхности, без таких уникальных условий. Затраты на накопители энергии для лунной ночи и затмений в этом случае сделают даже лучшие солнечные батареи более дорогим источником энергии, чем атомный реактор.

Речь идет о космосе, поэтому сами траты тут не так важны. Куда серьезнее другое: масса и габариты грузов, которые нужно будет доставить на базу. Атомный реактор с термоэмиссионным преобразователем тепла в электричество компактен: его можно разместить под обтекателем даже не самой большой ракеты.

Солнечные батареи мощностью в сотни и тем более тысячи киловатт не могут этим похвастаться. Наладить их производство на месте, из лунных ресурсов, без большого завода не получится, так что у лунной атомной станции при серьезном освоении спутника просто нет альтернативы.

Кстати, тезис «никто не рискнет вывозить атомный реактор в космос» тут тоже не препятствие. Во-первых, реактор до запуска не содержит сложных изотопов, которые нарабатываются за его жизненный цикл. Во-вторых, в космос регулярно летают более радиационно опасные вещества: например, российский плутоний-238 на борту «Кьюриосити» или американский плутоний-238 на борту «Персеверанс». Причины, почему нет протестов, очевидны: при типичной аварии заражение зоны разноса вещества будет слишком малым, чтобы на что-то повлиять.

Освоение Марса и остальной Солнечной системы

На четвертой планете нашей системы, как ни странно, солнечная энергия имеет больше перспектив, чем на Земле. Да, на квадратный метр марсианской приходится 590 ватт солнечной энергии, а земной — 1000 ватт. Но на нашей планете в атмосфере много облаков, которых на Марсе практически нет. Поэтому квадратный метр стандартной неподвижной кремниевой солнечной батареи с КПД 25% на Земле выработает от 200 киловатт-часов в год (в средней полосе России) до 600 киловатт-часов (в безоблачной пустыне).

А на Марсе выработка у нее будет все те же 600 киловатт-часов, что и в Сахаре. На первый взгляд, лучшего и желать нельзя: солнечная энергетика, стабильно работающая 12 часов в сутки, без непредсказуемости от облаков и отличной — по меркам более освещенной Земли! — выработкой.

Но есть нюанс: это верно лишь для малых баз. Марс далеко, у него гравитация в 0,38 земных, и вернуться оттуда за разумные деньги можно, только получая топливо для обратного полета на месте. Илон Маск планирует это делать, используя углекислый газ марсианской атмосферы и водород из марсианской воды (ее там в виде льда довольно много). Но для этого нужны электролиз воды и заметные тепловые расходы на поддержание нужной для реакции Сабатье температуры.

Солнечное электричество и на Марсе есть лишь днем. Тащить с Земли батареи для него слишком сложно: потребуется огромная масса. То есть автоматизированные мини-заводы по производству ракетного горючего на обратный путь смогут либо питаться от солнечных батарей (и нарабатывать горючее в два раза медленнее), либо брать энергию от мини-АЭС — и делать это в два раза быстрее. В первом случае мини-завод нужно создавать в два раза производительнее: то есть и в два раза тяжелее, чем при прочих равных. А ведь вопрос массы при освоении Марса встанет намного острее, чем при освоении Луны.

Но дело не только в топливе. На Маска в должности старшего инженера по вопросам освоения Марса работает Маргарита Маринова, которая много лет назад опубликовала научную работу о наиболее эффективном пути терраформирования Красной планеты. Он не такой уж сложный: из местных пород нужно получать элегаз и другие «сверхпарниковые» газы, удерживающее инфракрасное излучение в десятки тысяч раз эффективнее углекислого газа. По расчетам исследователей, четвертую планету нужно подогреть всего на 4 °C, чтобы там растаяли углекислотные полярные шапки, атмосфера стала много плотнее, а средняя планетарная температура поднялась до уровня земной (плюс 15 °C).

При такой температуре там возникнет и гидрологический цикл (ибо растают льды), и растения смогут преобразовать углекислый газ в кислород. Благо, как мы уже писали, земные растения фотосинтезируют в лабораторных условиях, аналогичных марсианской атмосфере. Учитывая, что суши на Марсе столько же, сколько на Земле, тот, кто займется его терраформированием, обеспечит своим потомкам вторую обитаемую планету, причем «недалеко от дома».

Для отдельных частей Марса — типа долин Маринера, тянущихся на тысячи километров — терраформирование достижимо даже раньше: изолировав часть долины куполами из аэрогеля, можно поднять в них концентрацию элегаза до таких значений, что на дне долины будут вполне земные температуры через небольшой промежуток времени.

Но производство любого суперпарникового газа требует химических реакций, идущих с поглощением тепла, — и приличных затрат электроэнергии. Иными словами, терраформирование четвертой планеты может идти или за счет солнечной энергии — но в два раза медленнее, — или за счет атомной (и вдвое быстрее).

В этом месте стоит упомянуть, что в недавнем интервью Маск прямо отметил: в своих космических проектах он не собирается ограничивать себя в источниках энергии. С высокой вероятностью речь шла именно об атомной энергии — ведь с ней и производство ракетного горючего, и превращение Марса во вторую Землю пойдет несопоставимо быстрее.

В еще большей степени это верно для остальных регионов Солнечной системы. Церера имеет целый подповерхностный океан, много льда, а затраты топлива на путешествие к ней примерно те же, что для полета к Луне. Там вполне возможно исследовательское бурение с целью понять: есть ли жизнь в местном океане?

Но количество солнечной энергии там в разы меньше, чем на Марсе, да и ночь никто не отменял. Поэтому и там, и в более далеких от Солнца районах никакой разумной альтернативы атомной энергии нет. Солнечные батареи останутся востребованными для малых баз или исследовательских зондов. А вот там, где потребуется база на несколько человек или наработка топлива для возврата, не говоря уже о настоящей колонизации, АЭС рано или поздно, но неизбежно восторжествуют.