«Роскосмос» и Китай хотят разместить на Луне ядерный реактор. Как они собираются отводить тепло?

Так же, как и на Земле, — радиатором! Просто радиатор будет очень большой.

Слово «радиатор» дословно означает «излучатель» — и неспроста. Вряд ли в то время, когда этот термин входил в обращение, имелся в виду фундаментальный физический принцип его работы. Скорее подразумевалось, что устройство «излучает» тепло в смысле «отдает его от устройства окружающей среде», то есть «охлаждает». Однако сути это не меняет: любой радиатор работает не только конвекцией, но и непосредственно излучением в инфракрасной части спектра электромагнитного излучения.

Это хорошо заметно, например, если поднести руку сбоку или снизу к батареи системы отопления — кожа ощутит тепло на заметном расстоянии в десяток сантиметров или более, даже без явной конвекции воздуха.

Основных способов теплопередачи всего четыре: теплопроводность — внутри тела или между несколькими телами при их прямом контакте; излучение — обмен фотонами между телами через прозрачную для этих фотонов среду; конвекция — перенос тепла внутри жидкого тела за счет его внутреннего движения, обусловленного разной плотностью частей этого тела из-за разницы температуры; адвекция — перенос тепла вместе с перемещением тела (термин чаще используется в метеорологии и океанографии).

Привычные нам на Земле радиаторы отдают большую часть тепла контактирующему с ними воздуху или иному теплоносителю. Тот, в свою очередь, конвекцией уносит тепло вверх, если, конечно не используются дополнительные устройства в виде вентиляторов или насосов — тогда возможны и другие направления перемещения тепла. Лишь малая часть тепла от радиатора уносится излучением. В открытом космосе или на других небесных телах без атмосферы «бесплатного» теплоносителя нет, поэтому последний способ — практически единственный доступный.

Количество тепла, которое способен рассеять радиатор исключительно излучением, в общем случае определяет закон Стефана—Больцмана. Упрощенно его можно изложить так: излучаемая телом энергия пропорциональна четвертой степени его температуры (E = σT ⁴). То есть, чем горячее радиатор, тем эффективнее он рассеивает тепло. И в случае с практическими реализациями верхний предел температуры системы охлаждения определяется характеристиками теплоносителя и конструкционной стойкостью используемых материалов. В идеале разогревать радиаторы нужно до возможного максимума, тогда их необходимая для эффективной работы площадь будет минимальна.

Количество энергии, которую может рассеять радиатор, зависит от разницы температур между ним и тем телом, которому он отдает тепло. В космосе таких тел либо нет, либо они настолько далеко, что их существование можно не принимать в расчет.

Поэтому за среду, которая станет стоком тепла можно принимать сам космос — межпланетное и межзвездное пространство. Испущенные радиатором фотоны электромагнитного (можно сказать, что теплового) излучения будут лететь вдаль бесконечно долго. Реликтовое излучение, температура которого 2,7 градуса Кельвина, для простоты не учитываем.

На Международной космической станции, например, используются основные радиаторы общей площадью около 480 квадратных метров, способные излучать примерно 70 киловатт тепла в пике. Их хорошо видно на фото — панели, похожие на растянутые гармошки. Шесть основных радиаторов сгруппированы в два блока по три радиатора, но есть еще четыре дополнительных (плюс 320 квадратных метров) — они отдельно охлаждают солнечные панели и систему электроснабжения станции. А на российском сегменте радиаторы встроены во внешние стенки модулей.

Что касается российской лунной АЭС, то о ее характеристиках в целом и радиаторах в частности информации мало. Сам российско-китайский проект Международной научной лунной станции появился в 2021 году. Какая-то конкретика про наличие в составе ее проекта ядерной установки появилась только в 2024 году. Причем в марте глава Роскосмоса Юрий Борисов сообщил о планах такой миссии в 2033-35 годах, но без подробностей. Затем в мае он же рассказал прессе, что разработка установки уже началась, а лишь в конце августа мы узнали хоть какие-то детали об этом реакторе. Здесь Naked Science писал про проект подробнее.

По словам научного руководителя института «Росатома» НИКИЭТ Евгения Адамова, необслуживаемая лунная атомная станция называется «Селена», она будет иметь массу около 1500 килограмм, электрическую мощность 3-5 киловатт, и радиатор (излучатель) размерами 15 на 15 метров. На последующих этапах программы предполагается создание более мощной установки массой 12 тонн, электрической мощностью 500 киловатт и с излучателем площадью 60 на 60 метров.

Отметим, что «Селена» — это АЭС с прямым преобразованием, тепло от реактора напрямую превращается в электричество при помощи термоэлектрического преобразователя (термопары или термоэмиссионного). Схема простая, надежная, но очень неэффективная. Лишь 1-5 процентов тепла становятся электричеством. Да, такую установку можно использовать для отопления, но большой радиатор все равно понадобится. То есть, в случае обсуждаемого проекта излучать в космос придется порядка 100-150 киловатт тепла.