Энергоэффективность и энергосбережение: ядерные источники для космоса

Человечество все активнее осваивает космическое пространство, чтобы решать, в том числе, вполне земные задачи. Для обеспечения из космоса различных высокотехнологичных видов деятельности на Земле и осуществления автоматических и пилотируемых полетов к окраинам Солнечной системы исследователи намерены в ближайшие десятилетия разработать новые технологии получения энергии, причем гораздо более эффективные — в плане легкости, надежности и продолжительности функционирования. Их поиск во многом сосредоточен в области ядерной энергии. Стандартные солнечные панели не пригодны для длительных полетов вдали от Солнца. Крайне важно также в целом минимизировать стоимость доставки на орбиту космических аппаратов и грузов. В данном информационном бюллетене рассматриваются три перспективных источника ядерной энергии, по которым Россия занимает уверенные позиции, а где-то — держит мировое лидерство: применение америция-241 в радиоизотопных термоэлектрических генераторах, ядерный космический источник энергии мегаваттного класса, «ядерная батарейка» на никеле-63.

Версия для печати: 

 Энергоэффективность и энергосбережение: ядерные источники для космоса (PDF, 1.60 Мб)

Ритэг на америции-241 для полетов к ближайшим звездам

Практически все знания об удаленных от Солнца планетах люди получили благодаря использованию плутония-238. Совсем небольшого количества этого высокорадиоактивного вещества хватает для обеспечения космических зондов энергией на целые десятилетия. Однако его наработанные запасы почти исчерпаны, производство дорого и приводит к образованию большого количества радиоактивных отходов. Решением «плутониевой проблемы» может стать применение америция-241 (Am-241) в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ). В отличие от ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию, в этих устройствах тепло распада ядер преобразуется в электрическую энергию с помощью термоэлектрогенератора.

В качестве топлива для космических зондов америций-241—более доступный материал. РИТЭГ на его основе  имеют долгий жизненный цикл: период полураспада Am-241 составляет 432 года (у Pu-238 — 88 лет), что позволяет осуществлять сверхдлительные автономные космические миссии по исследованию ближайших звезд. В то же время энергетическая плотность данного изотопа в 4 раза меньше, чем у плутония, соответственно, для достижения необходимой мощности топлива нужно больше.

 

Эффекты  Более стабильное энергообеспечение космических аппаратов. За 15-20 лет (средняя продолжительность космических миссий по исследованию окраин Солнечной системы) мощность РИТЭГ на америции сократится всего на 3-4%, тогда как система на плутонии потеряет в мощности от 15%.  Возможность исследований дальнего космоса, включая автономные полеты космических зондов (длительностью от десятков до сотен лет) к окраинам облака Оорта и к нескольким наиболее близким звездам.  Снижение остроты проблемы радиоактивных отходов. Повышение экономической эффективности космических программ.

Оценки рынка 17 кг составляют научные запасы плутония-238 в США. Этого количества может хватить на 4 генератора, один из которых уже зарезервирован для марсохода в рамках миссии «Марс-2020».   на 30–40 % возрастет стоимость РИТЭГ при использовании в качестве источника энергии изотопа америция-241 вместо плутония-238.

Драйверы и барьеры  Исчерпание наработанных запасов и высокая стоимость производства плутония-238 (несколько миллионов долларов за килограмм).  Растущий спрос на эффективные и доступные решения по энергообеспечению космических миссий.  Сложность и продолжительность производства.  Снижение практических свойств устройства из-за большей гамма-радиоактивности америция-241 (увеличивает вес защитных конструкций).

Уровень развития технологии в России «Паритет» — уровень российских исследований не уступает мировому.

Ядерный космический источник энергии мегаваттного класса

Для отправки экспедиций на Марс, промышленного производства в космосе, очистки орбит от техногенного мусора, защиты от попадания астероидов и комет на Землю — в общем, для любых сложных задач космонавтики нужны большие пилотируемые системы. Сейчас их выводят в околоземное пространство при помощи жидкостных или твердотопливных реактивных двигателей. Однако из-за низкой энергетической плотности традиционного топлива его использование при совершении длительных космических пилотируемых полетов не эффективно — потребуются запретительно большие его запасы. Подобное ограничение снимается в случае применения в космических полетах ядерных энергетических установок (ЯЭУ) нового поколения. 

В России разрабатывается экспериментальная ЯЭУ мегаваттного класса для эксплуатации в космосе. Ее принципиальное отличие от устройств предыдущего поколения — применение капельного метода охлаждения. При помощи холодильника-излучателя установка распыляет жидкость в виде капель в открытый космос и после их охлаждения улавливает обратно для повторного использования. На этой основе планируют создавать более мощные (на десятки и сотни мегаватт) установки, способные обеспечивать как движение, так и другие энергетические нужды перспективных космических систем.

Эффекты  Увеличение уровня энергообеспечения космических аппаратов в десятки раз.  Возможность выведения на околоземную и другие орбиты специальных кораблей-заправщиков с ядерным топливом на борту с помощью традиционных химических ракетных двигателей.   Возможность осуществления систематических пилотируемых полетов в пределах, как минимум, ближней Солнечной системы, с многократными посадками и взлетами с различных космических тел.  Возможность запуска масштабных проектов по очистке орбит от «космического мусора».  Радикальное снижение стоимости космической геологодобычи.

Оценки рынка 17 млрд рублей выделено из федерального бюджета РФ на период до 2018 г. на создание космического транспортно-энергетический модуля на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса. до  25 % может увеличиться доля России на мировом рынке космических услуг в среднесрочной перспективе при условии внедрения ядерных космических технологий.

Драйверы и барьеры  Международное сотрудничество в сфере космических технологий: объединение интеллектуальных, технических и финансовых ресурсов ведущих технологически развитых стран с целью осуществления пилотируемой экспедиции на Марс.  Международное сотрудничество по предотвращению «астероидной опасности» для Земли.  Потребность в привлечении большого числа квалифицированных кадров на всех стадиях производства.  Необходимость в более детальной регламентации экологических требований.

Уровень развития технологии в России «Лидерство» — российские исследователи являются лидерами на мировом уровне.

«Ядерная батарейка» на никеле-63

Космические спутники получают энергию главным образом от солнечных батарей. Они довольно тяжелые, и для их доставки на орбиту необходимо специальное оборудование, что сказывается на стоимости пусковых услуг. Компактным и надежным источником питания для космических спутников может стать «ядерная батарейка» на никеле-63. По сравнению с литий-ионными источниками питания эти энергообес- печивающие устройства в 30 раз менее габаритны, функционируют в широком диапазоне температур (от -100оС до 200оС), имеют сверхдлительный срок службы (не менее 50 лет).

Разработка «ядерной батарейки» на никеле-63 основывается на технологии преобразования энергии ядерного распада (бета-излучения никеля-63) в электрическую с помощью пьезокристалла. Батарейка вырабатывает электричество в течение длительного времени вне зависимости от местонахождения

спутника в тени или на солнечной стороне. Ее применение позволит создать новое поколение не только космической радиоэлектроники, но и «земной» медицинской техники.

Эффекты  Энергообеспечение космических спутников сроком до 50 лет.  Радикальная трансформация рынка энергетических решений для космоса, снижение доли рынка у производителей солнечных батарей.  Возможность применения «ядерной батарейки» в кардиостимуляторах.

Оценки рынка 4,5 млн рублей может составить в 2017 г. себестоимость одного энергогенерирующего устройства на никеле-63.

Драйверы и барьеры  Растущая потребность в надежных источниках питания с долгим сроком эксплуатации.  Высокая экологическая безопасность в связи с простотой экранирования излучения.  Высокая стоимость и сложная технология производства изотопа никеля-63 (не существует в природе).  Невысокий КПД преобразования бета-распада в электроэнергию.

Уровень развития технологии в России «Паритет» — уровень российских исследований не уступает мировому.

Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), научно-технического журнала «Полет», данные Web of Science, Orbit, marketsandmarkets.com, world-nuclear-news.org, 3dnews.ru, powerinfo.ru, ixbt.com, news-nn.com, strf.ru, ecoruspace.me, solarsystem.nasa.gov, expert.ru, dept.aoe.vt.edu, chemicool.com, lpi.usra.edu, journal.iate.obninsk.ru, geektimes.ru, lenta.ru, rusila.su, mipt.ru. Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ: issek@hse.ru, +7 (495) 621-82-74.

© Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2016

Над выпуском работали: Илья Кузьминов, Алина Лавриненко, Лилия Киселева, Анна Гребенюк, Елена Гутарук, Олег Васильев.

Редакция выражает благодарность Александру Путилову за содержательные комментарии к этому выпуску.