У лютому NASA відсвяткувало прибуття першого за останні 50 років американського посадкового апарату на Місяць. Це досягнення прокладе шлях до повернення американських астронавтів на місячну поверхню наприкінці цього десятиліття. Але пропрацювати апарат Odysseus компанії Intuitive Machines зміг тільки до того, поки в місці посадки не настала ніч.
День і ніч на Місяці тривають два земні тижні. Коли Сонце сідає, апарати на сонячних батареях, такі як Odysseus, відчувають брак енергії. Крім того, температура під час місячної ночі різко падає і становить близько мінус 173° за Цельсієм. Протягом двох тижнів такі низькі температури можуть пошкодити чутливе обладнання космічних апаратів, навіть якщо сонячні батареї зможуть знову почати виробляти енергію на сході сонця. Щоб пережити ніч, необхідне тепло і електрика, і представники NASA кажуть, що ядерна енергія — одне з найпривабливіших рішень цієї проблеми.
"Ми очікуємо, що нам доведеться розгорнути ядерні системи на місячній поверхні", — сказав Джей Дженкінс, керівник програми NASA CLPS. "Чесно кажучи, немає нічого нереального в тому, що ми захочемо мати можливість зробити це протягом п'яти років або менше. Ми починаємо закуповувати корисні навантаження, призначені для досліджень, які виходять за рамки одного місячного дня", — сказав Дженкінс на конференції Комісії з ядерного регулювання на початку цього місяця.
Комерційний посадковий апарат Odysseus був частиною CLPS. Компанія Intuitive Machines уклала з NASA контракт вартістю 118 мільйонів доларів на доставку на місячну поверхню науково-технічного демонстраційного корисного навантаження. Intuitive Machines оголосила про завершення місії Odysseus минулого місяця, коли наземні команди підтвердили, що посадковий апарат не дожив до ночі. Про всяк випадок інженери спробували прослухати сигнал із космічного апарата, але не отримали відповіді.
"Це підтверджує, що Odie остаточно зник, закріпивши свою спадщину в історії як перший комерційний місяцехід, що висадився на Місяць", — написала компанія Intuitive Machines у соцмережі X.
Індійський посадковий апарат Chandrayaan-3 також не пережив перший місячний день після прибуття на Місяць у серпні минулого року. Однак є й винятки. Японський апарат SLIM приземлився на Місяць у січні й досі живий, хоча японські інженери очікували, що протягом першої місячної ночі він постраждає від низьких температур. Японське космічне агентство повідомило, що деякі температурні датчики і невикористовувані елементи батареї на SLIM починають давати збої, але "більшість функцій" поки зберігаються.
Перший етап повернення США на Місяць, що складається спочатку з комерційних роботів, а потім більших посадкових апаратів, розрахованих на людей, матиме ті самі обмеження, що й Odysseus. Наступна серія комерційних посадкових апаратів, які будуть запущені на Місяць за контрактом з NASA, розрахована на роботу протягом одного місячного дня. Перша висадка людини на Місяць у рамках програми NASA Artemis, Artemis III, проведе на місячній поверхні до шести днів. Астронавти не залишатимуться на ніч.
Довгострокова мета NASA — створити стійку присутність на місячній поверхні. Час життя місії в один або два тижні не підходить для створення місячної бази.
"Наразі всі поставки CLPS здебільшого приземляються в місячний ранок і закінчуються в місячний вечір", — каже Дженкінс. "Це дуже обмежує можливості, особливо для експериментів, які ми хотіли б проводити протягом дуже тривалого часу, місяців або років, для моніторингу геофізичних властивостей або інших аспектів Місяця".
NASA також хоче проникнути в постійно затінені кратери на південному полюсі Місяця. Дно цих кратерів не бачило сонячного світла мільярди років, і спостереження з орбіти дають змогу припустити, що в цих холодних пастках міститься водяний лід — цінний ресурс для майбутніх місячних дослідників. "Тому можливість виживання в нічних умовах, або STN, дуже бажана", — каже Дженкінс.
Цілодобова діяльність
Досі майже всі кошти, виділені NASA на програму Artemis, йшли на розробку ракет, космічних апаратів і посадкових модулів. Цього тижня космічне агентство оголосило про залучення підрядників для проведення техніко-економічного обґрунтування місяцеходу, який переміщуватиме астронавтів на місячній поверхні.
Щойно всі ці ключові елементи архітектури буде створено, їм знадобиться новий вид джерела енергії, і варіант із використанням ядерної енергії є привабливим. Реактори можуть забезпечити безперервну роботу місячної бази або наукового форпосту і зробити постійно затінені кратери доступними для астронавтів або роботів, щоб дістатися до водяного льоду, який можна перетворити на ракетне паливо або повітря.
"Я думаю, що єдиний спосіб забезпечити стійку присутність на поверхні Місяця — це використання ядерної енергії", — сказав Макграт, керівник компанії Intuitive Machines, яка інвестує в кілька типів ядерних енергетичних систем.
NASA та американські військові виділяють кошти на ці цілі, починаючи з випробування ядерної теплової тяги на орбіті у 2027 році. У демонстрації буде задіяний невеликий ядерний реактор, подібний до того, який можна використовувати для вироблення енергії на Місяці. Реактор буде швидко нагрівати рідке водневе паливо; газ розширюється і виходить через сопло, створюючи тягу набагато ефективніше, ніж звичайна ракета.
У рамках окремої програми NASA у 2022 році уклало відносно недорогі контракти на попереднє проєктування з трьома промисловими групами для розроблення концепцій 40-кіловатних шестиметрових реакторів класу ядерного поділу для роботи на місячній поверхні. Деякі з тих самих компаній, які працюють над ракетно-ядерною програмою, як-от Lockheed Martin і BWXT, співпрацюють із NASA, щоб застосувати технологію реакторів на Місяці.
"Ми інвестуємо в модульний реактор для демонстрації на місячній поверхні", — сказав Прасун Десаї, заступник помічника адміністратора NASA з управління космічними технологіями.
Х'юстонська компанія Intuitive Machines, окрилена успішною висадкою на Місяць, також бере участь у цих контрактах NASA на розробку ядерних реакторів. Вона співпрацює з компанією X-energy, розробником-початківцем ядерної енергії, у спільному підприємстві під назвою IX. Компанії X-energy і Intuitive Machines були засновані Камом Гаффаріаном, підприємцем-мільярдером, який також заснував компанію Axiom Space.
"Ми починали як компанія з виробництва посадкових апаратів, але зараз ми багато займаємося тим, як продовжити термін дії місій і зберегти життя", — сказав Макграт на нещодавній дискусії, організованій Інститутом Beyond Earth. "Ядерна (енергія) на космічних апаратах дуже корисна, тому що ви можете переміщатися, не турбуючись про споживання енергії від Сонця, і виконувати місії, а також переміщатися космосом. Таким чином, це дає вам набагато більше оперативних можливостей".
Компанія Westinghouse очолює третю команду. Ці три промислові консорціуми завершують роботу в рамках фази 1 реакторної програми NASA. Наступного року агентство планує відкрити конкурс на другий етап, у рамках якого планується доставити ядерний реактор на Місяць на початку 2030-х років. Бюджетні обмеження відкладають цю дату на кілька років порівняно з попереднім планом NASA.
"На Місяці реактор пройде річну демонстрацію, а потім дев'ять років експлуатації", — йдеться в заяві NASA. "Якщо все піде добре, конструкція реактора може бути оновлена для можливого використання на Марсі".
Поки що представники NASA задоволені концепціями місячного дизайну, запропонованими атомною промисловістю. "Вони запропонували кілька інноваційних підходів до вирішення проблеми", — сказав Ентоні Каломіно, керівник портфеля космічних ядерних технологій NASA.
За даними NASA, 40-кіловатний реактор може виробляти електроенергію для 33 середніх американських домогосподарств. Цього достатньо для роботи місячних жител, роверів, резервних електромереж або наукових експериментів на Місяці.
Пережити ніч
Ядерні реактори вже літали в космос. Радянський Союз запустив близько 40 військових супутників, що працюють на ядерних реакторах поділу, і деякі з них досі перебувають на навколоземній орбіті. Сполучені Штати відправили один експериментальний ядерний реактор на орбіту в 1965 році.
Численні міжпланетні зонди NASA використовували інший тип ядерного джерела енергії, званий радіоізотопним тепловим генератором (RTG), який перетворює тепло плутонію, що розпадається, на електрику. До таких апаратів належать космічні апарати Voyager, космічний апарат Cassini до Сатурна, а також марсоходи NASA Curiosity і Perseverance.
Він не виробляє електрику, але є інше, більш просте рішення, яке може дозволити роботам-землеходам і роверам безпечно впадати в сплячку під час холодної місячної ночі. Ці пристрої, звані радіоізотопними нагрівачами (Radioisotope Heater Units, RHU), схожі на крихітні RTG, з гранулою плутонію розміром з олівцеву гумку, що виділяє близько 1 вата тепла, чого достатньо для захисту чутливих компонентів космічних апаратів від теплового пошкодження.
Китайські роботизовані місячні посадкові апарати Chang'e-3 і Chang'e-4 використовували RHU, щоб пережити довгу місячну ніч. За словами Макграта, Intuitive Machines вивчає можливість використання цих пристроїв у своїх майбутніх посадкових апаратах. Але ці обігрівачі не дозволять працювати цілодобово.
"Якщо говорити про найближчі оперативні потреби, то нам потрібно побачити систему розподілу енергії і на поверхні Місяця", — каже Скотт Пейс, експерт з космічної політики, який обіймав посаду виконавчого секретаря Національної космічної ради в адміністрації Трампа.
RTG і RHU виробляються Міністерством енергетики, тоді як технології, які NASA розглядає для Місяця, поставляються комерційними постачальниками. У 2018 році NASA успішно випробувало 10-кіловатний реактор поділу у вакуумній камері, що імітує космічне середовище. Але комерційна космічна ядерна енергетика все ще перебуває на стадії становлення.
"Ми відстаємо від графіка", — сказав Майк Бівін, колишній радник NASA з космічної політики, а нині консультант із промисловості, на панельній дискусії Інституту Beyond Earth минулого місяця. "На мою особисту думку, ми відстали від того рівня, на якому повинні бути в розвитку космічних ядерних систем, приблизно на десятиліття. Там, де ми були з комерційним космосом 20 років тому, ми приблизно так само, як зараз із космічною ядерною зброєю".
Завоювання сердець і умів
Історично запуск ядерного матеріалу в космос не обходиться без суперечок. Перед запусками космічних апаратів NASA Galileo і Cassini в 1989 і 1997 роках на мисі Канаверал (штат Флорида) проходили акції протесту антиядерних активістів. Ці роботизовані космічні апарати благополучно стартували й облетіли Юпітер і Сатурн, покладаючись на плутонієві генератори енергії. Запуски марсоходів NASA, що працюють на плутонії, у 2011 і 2020 роках не викликали такого ж протесту.
Я думаю, що протести з приводу запуску Cassini 1997 року були справжнім піком протистояння", — каже Алекс Гілберт, директор відділу космічного і планетарного регулювання компанії Zeno Power, яка торік отримала від NASA фінансування в розмірі 15 мільйонів доларів на розробку радіоізотопної енергетичної системи, що використовує америцій замість плутонію. Zeno також співпрацює з компанією Intuitive Machines.
Джеффрі Кінг, професор ядерної інженерії в Колорадській школі гірничої справи, не впевнений, що нова ера космічної ядерної енергетики обійдеться без розбіжностей.
"Я вважаю, що нам потрібно бути готовими до того, що наші повідомлення будуть спрямовані в потрібне русло", — сказав він на нещодавньому симпозіумі, організованому Асоціацією космічних досліджень університетів та Інститутом космічної політики. "Ви можете побачити це, якщо звернете увагу, і ця протидія буде".
Комерційний запуск ядерних матеріалів у космос також відкриє нові проблеми у сфері федерального регулювання. Комісія з ядерного регулювання (NRC) і Федеральне управління цивільної авіації (FAA) нестимуть спільну відповідальність за забезпечення громадської безпеки.
"Хто б не був власником місії, яка захоче це зробити, їм доведеться пройти через безліч етапів ліцензування та перевірки безпеки", — сказала Тіна Гош, старший інженер з реакторних систем у NRC.
Дженкінс, який представляє програму NASA CLPS, домагається ясності в нормативних вимогах до комерційних ядерних енергетичних систем. Останні місії NASA з ядерною енергетичною установкою запускалися на ракетах Atlas V компанії United Launch Alliance, які незабаром вийдуть з експлуатації, тож агентство розпочинає процес сертифікації інших ракет-носіїв, як-от Falcon 9 і Falcon Heavy компанії SpaceX і Vulcan компанії ULA, для ядерних корисних навантажень.
"У нас є комерційні організації, які хочуть відповідати вимогам, але не знають, яким саме", — сказав Дженкінс. "Ми всі знаємо, що хочемо мати можливість безпечно поводитися з такими речами. Ми хочемо бути впевнені, що в нас немає купи живих ядерних джерел, навколо яких астронавтам доведеться ходити навшпиньки".
Є й інші варіанти харчування для цілодобової роботи на Місяці. Компанія Astrobotic, ще один підрядник NASA зі створення місячного апарату, працює над концепцією роботизованого змотування кабелю довжиною до кілометра на поверхні Місяця. Цей кабель може спрямувати електрику від сонячних батарей у затінені області і може бути особливо корисним поблизу місячних полюсів, де гори на краях деяких кратерів досить високі, щоб отримувати майже постійне сонячне світло.
У Astrobotic є інша концепція під назвою Nighttime Integrated Thermal and Electricity (NITE) system, яка може виробляти енергію як побічний продукт екзотермічних хімічних реакцій. Така конструкція неядерного генератора не потребує радіоактивних матеріалів і не потребує потенційно тривалого і дорогого процесу схвалення запуску ядерних ракет, стверджують в Astrobotic.
Зрештою комерційним компаніям, таким як Intuitive Machines і Astrobotic, доведеться вирішити, як задовольнити бажання NASA створити посадкові апарати, здатні пережити місячну ніч, "чи то сонячна батарея, чи то комерційні радіоізотопи, чи то навіть поділ", — сказав Дженкінс.
"Ми очікуємо, що комерційні радіоізотопи відіграватимуть значну роль разом із постачальниками CLPS, щоб забезпечити можливість виживання в нічний час", — сказав Дженкінс. "Можна обійтися сонячними батареями та акумуляторами, але їхня маса стає просто величезною, коли ви починаєте намагатися працювати протягом двох нічних тижнів поспіль".
Востаннє NASA так серйозно ставилося до ядерної енергетики в космосі покоління тому. NASA витратило близько 400 мільйонів доларів на проєкт "Прометей", у рамках якого передбачалося створити ядерні реактори для забезпечення електрикою іонних двигунів, але 2005 року скасувало його, щоб звільнити гроші для місячної програми "Сузір'я". Програму "Сузір'я" було скасовано 2010 року.
Є й геополітичні аспекти
Глава російського космічного агентства "Роскосмос" заявив цього місяця, що Росія і Китай "серйозно розглядають проєкт" з розміщення ядерного енергоблоку на Місяці в 2030-х роках. Російська космічна програма перебуває не в найкращому стані, але країна є великим гравцем у світовій атомній енергетиці. На відміну від Росії, космічна програма Китаю добре фінансується, а китайський атомний сектор швидко розвивається.
За словами Макграта, Китай "випередив" Сполучені Штати в кількох галузях космічної ядерної енергетики. Нещодавно Китай продемонстрував на космічній станції "Тяньгун" перетворювач енергії Стірлінга, який може бути використаний у майбутньому космічному ядерному реакторі поділу.
"Ми недостатньо сильно і недостатньо швидко працюємо", — сказав Бівін минулого місяця. "Я думаю, що ми попереду, але вони скорочують розрив, це точно".
