• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

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.

 

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.




«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.







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.