В феврале NASA отпраздновало прибытие первого за последние 50 лет американского посадочного аппарата на Луну. Это достижение проложит путь к возвращению американских астронавтов на лунную поверхность в конце этого десятилетия. Но проработать аппарат Odysseus компании Intuitive Machines смог только до того, пока в месте посадки не наступила ночь.
День и ночь на Луне длятся две земных недели. Когда Солнце садится, аппараты на солнечных батареях, такие как Odysseus, испытывают нехватку энергии. Кроме того, температура во время лунной ночи резко падает и составляет около минус 173° по Цельсию. В течение двух недель такие низкие температуры могут повредить чувствительное оборудование космических аппаратов, даже если солнечные батареи смогут снова начать вырабатывать энергию на восходе солнца. Чтобы пережить ночь, необходимо тепло и электричество, и представители NASA говорят, что ядерная энергия — одно из самых привлекательных решений этой проблемы.
"Мы ожидаем, что нам придется развернуть ядерные системы на лунной поверхности", — сказал Джей Дженкинс, руководитель программы NASA CLPS. "Честно говоря, нет ничего нереального в том, что мы захотим иметь возможность сделать это в течение пяти лет или меньше. Мы начинаем закупать полезные нагрузки, предназначенные для исследований, которые выходят за рамки одного лунного дня", — сказал Дженкинс на конференции Комиссии по ядерному регулированию в начале этого месяца.
Коммерческий посадочный аппарат Odysseus является частью CLPS. Компания Intuitive Machines заключила с NASA контракт стоимостью 118 миллионов долларов на доставку на лунную поверхность научно-технической демонстрационной полезной нагрузки. Intuitive Machines объявила о завершении миссии Odysseus в прошлом месяце, когда наземные команды подтвердили, что посадочный аппарат не дожил до ночи. На всякий случай инженеры попытались прослушать сигнал с космического аппарата, но не получили ответа.
"Это подтверждает, что Odie окончательно исчез, закрепив свое наследие в истории как первый коммерческий луноход, высадившийся на Луну", — написала компания Intuitive Machines в соцсети X.
Индийский посадочный аппарат Chandrayaan-3 также не пережил первый лунный день после прибытия на Луну в августе прошлого года. Однако есть и исключения. Японский аппарат SLIM приземлился на Луну в январе и до сих пор жив, хотя японские инженеры ожидали, что в течение первой лунной ночи он пострадает от низких температур. Японское космическое агентство сообщило, что некоторые температурные датчики и неиспользуемые элементы батареи на SLIM начинают давать сбои, но "большинство функций" пока сохраняются.
Первый этап возвращения США на Луну, состоящий сначала из коммерческих роботов, а затем более крупных посадочных аппаратов, рассчитанных на людей, будет иметь те же ограничения, что и Odysseus. Следующая серия коммерческих посадочных аппаратов, которые будут запущены на Луну по контракту с NASA, рассчитана на работу в течение одного лунного дня. Первая высадка человека на Луну в рамках программы NASA Artemis, в миссии Artemis III, проведет на лунной поверхности до шести дней. Астронавты не будут оставаться на ночь.
Долгосрочная цель NASA — создать устойчивое присутствие на лунной поверхности. Время жизни миссии в одну или две недели не подходит для создания лунной базы.
"Сейчас все поставки CLPS в основном приземляются в лунное утро и заканчиваются в лунный вечер", — говорит Дженкинс. "Это очень ограничивает возможности, особенно для экспериментов, которые мы хотели бы проводить в течение очень долгого времени, месяцев или лет, для мониторинга геофизических свойств или других аспектов Луны".
NASA также хочет проникнуть в постоянно затененные кратеры на южном полюсе Луны. Дно этих кратеров не видело солнечного света миллиарды лет, и наблюдения с орбиты позволяют предположить, что в этих холодных ловушках находится водяной лед — ценный ресурс для будущих лунных исследователей. "Поэтому возможность выживания в ночных условиях, или STN, очень желательна", — говорит Дженкинс.
Круглосуточная деятельность
До сих пор почти все средства, выделенные NASA на программу Artemis, шли на разработку ракет, космических аппаратов и посадочных модулей. На этой неделе космическое агентство объявило о привлечении подрядчиков для проведения технико-экономического обоснования лунохода, который будет перемещать астронавтов на лунной поверхности.
Как только все эти ключевые элементы архитектуры будут созданы, им понадобится новый вид источника энергии, и вариант с использованием ядерной энергии является привлекательным. Реакторы могут обеспечить непрерывную работу лунной базы или научного форпоста и сделать постоянно затененные кратеры доступными для астронавтов или роботов, чтобы добраться до водяного льда, который можно превратить в ракетное топливо или воздух.
"Я думаю, что единственный способ обеспечить устойчивое присутствие на поверхности Луны — это использование ядерной энергии", — сказал Макграт, руководитель компании Intuitive Machines, которая инвестирует в несколько типов ядерных энергетических систем.
NASA и американские военные выделяют средства на эти цели, начиная с испытания ядерной тепловой тяги на орбите в 2027 году. В демонстрации будет задействован небольшой ядерный реактор, подобный тому, который можно использовать для выработки энергии на Луне. Реактор будет быстро нагревать жидкое водородное топливо; газ расширяется и выходит через сопло, создавая тягу гораздо эффективнее, чем обычная ракета.
В рамках отдельной программы NASA в 2022 году заключило относительно недорогие контракты на предварительное проектирование с тремя промышленными группами для разработки концепций 40-киловаттных шестиметровых реакторов класса ядерного деления для работы на лунной поверхности. Некоторые из тех же компаний, которые работают над ракетно-ядерной программой, например Lockheed Martin и BWXT, сотрудничают с NASA, чтобы применить технологию реакторов на Луне.
"Мы инвестируем в модульный реактор для демонстрации на лунной поверхности", — сказал Прасун Десаи, заместитель помощника администратора NASA по управлению космическими технологиями.
Хьюстонская компания Intuitive Machines, окрыленная успешной высадкой на Луну, также участвует в этих контрактах NASA на разработку ядерных реакторов. Она сотрудничает с компанией X-energy, начинающим разработчиком ядерной энергии, в совместном предприятии под названием IX. Компании X-energy и Intuitive Machines были основаны Камом Гаффарианом, предпринимателем-миллиардером, который также основал компанию Axiom Space.
"Мы начинали как компания по производству посадочных аппаратов, но сейчас мы много занимаемся тем, как продлить срок действия миссий и сохранить жизнь", — сказал Макграт на недавней дискуссии, организованной Институтом Beyond Earth. "Ядерная (энергия) на космических аппаратах очень полезна, потому что вы можете перемещаться, не беспокоясь о потреблении энергии от Солнца, и выполнять миссии, а также перемещаться по космосу. Таким образом, это дает вам гораздо больше оперативных возможностей".
Компания Westinghouse возглавляет третью команду. Эти три промышленных консорциума завершают работу в рамках фазы 1 реакторной программы NASA. В следующем году агентство планирует открыть конкурс на второй этап, в рамках которого планируется доставить ядерный реактор на Луну в начале 2030-х годов. Бюджетные ограничения откладывают эту дату на несколько лет по сравнению с предыдущим планом NASA.
"На Луне реактор пройдет годичную демонстрацию, а затем девять лет эксплуатации", — говорится в заявлении NASA. "Если все пойдет хорошо, конструкция реактора может быть обновлена для возможного использования на Марсе".
Пока что представители NASA довольны концепциями лунного дизайна, предложенными атомной промышленностью. "Они предложили несколько инновационных подходов к решению проблемы", — сказал Энтони Каломино, руководитель портфеля космических ядерных технологий NASA.
По данным NASA, 40-киловаттный реактор может производить электроэнергию для 33 средних американских домохозяйств. Этого достаточно для работы лунных обиталищ, роверов, резервных электросетей или научных экспериментов на Луне.
Пережить ночь
Ядерные реакторы уже летали в космос. Советский Союз запустил около 40 военных спутников, работающих на ядерных реакторах деления, и некоторые из них до сих пор находятся на околоземной орбите. Соединенные Штаты отправили один экспериментальный ядерный реактор на орбиту в 1965 году.
Многочисленные межпланетные зонды NASA использовали другой тип ядерного источника энергии, называемый радиоизотопным тепловым генератором (RTG), который преобразует тепло распадающегося плутония в электричество. К таким аппаратам относятся космические аппараты Voyager, космический аппарат Cassini к Сатурну, а также марсоходы NASA Curiosity и Perseverance.
Он не вырабатывает электричество, но есть другое, более простое решение, которое может позволить роботам-землеходам и роверам безопасно впадать в спячку во время холодной лунной ночи. Эти устройства, называемые радиоизотопными нагревателями (Radioisotope Heater Units, RHU), похожи на крошечные RTG, с гранулой плутония размером с карандашный ластик, выделяющей около 1 ватта тепла, что достаточно для защиты чувствительных компонентов космических аппаратов от теплового повреждения.
Китайские роботизированные лунные посадочные аппараты Chang'e-3 и Chang'e-4 использовали RHU, чтобы пережить долгую лунную ночь. По словам Макграта, Intuitive Machines изучает возможность использования этих устройств в своих будущих посадочных аппаратах. Но эти обогреватели не позволят работать круглосуточно.
"Если говорить о ближайших оперативных потребностях, то нам нужно увидеть систему деления энергии и на поверхности Луны", — говорит Скотт Пейс, эксперт по космической политике, занимавший пост исполнительного секретаря Национального космического совета в администрации Трампа.
RTG и RHU производятся Министерством энергетики, в то время как технологии, которые NASA рассматривает для Луны, поставляются коммерческими поставщиками. В 2018 году NASA успешно испытало 10-киловаттный реактор деления в вакуумной камере, имитирующей космическую среду. Но коммерческая космическая ядерная энергетика все еще находится в стадии становления.
"Мы отстаем от графика", — сказал Майк Бивин, бывший советник NASA по космической политике, а ныне консультант по промышленности, на панельной дискуссии Института Beyond Earth в прошлом месяце. "По моему личному мнению, мы отстали от того уровня, на котором должны быть в развитии космических ядерных систем, примерно на десятилетие. Там, где мы были с коммерческим космосом 20 лет назад, мы примерно так же, как сейчас с космическим ядерным оружием".
Завоевание сердец и умов
Исторически запуск ядерного материала в космос не обходится без споров. Перед запусками космических аппаратов NASA Galileo и Cassini в 1989 и 1997 годах на мысе Канаверал (штат Флорида) проходили акции протеста антиядерных активистов. Эти роботизированные космические аппараты благополучно стартовали и облетели Юпитер и Сатурн, полагаясь на плутониевые генераторы энергии. Запуски марсоходов NASA, работающих на плутонии, в 2011 и 2020 годах не вызвали такого же протеста.
Я думаю, что протесты по поводу запуска Cassini в 1997 году были настоящим пиком противостояния", — говорит Алекс Гилберт, директор отдела космического и планетарного регулирования компании Zeno Power, которая в прошлом году получила от NASA финансирование в размере 15 миллионов долларов на разработку радиоизотопной энергетической системы, использующей америций вместо плутония. Zeno также сотрудничает с компанией Intuitive Machines.
Джеффри Кинг, профессор ядерной инженерии в Колорадской школе горного дела, не уверен, что новая эра космической ядерной энергетики обойдется без разногласий.
"Я считаю, что нам нужно быть готовыми к тому, что наши сообщения будут направлены в нужное русло", — сказал он на недавнем симпозиуме, организованном Ассоциацией космических исследований университетов и Институтом космической политики. "Вы можете увидеть это, если обратите внимание, и это противодействие будет".
Коммерческий запуск ядерных материалов в космос также откроет новые проблемы в сфере федерального регулирования. Комиссия по ядерному регулированию (NRC) и Федеральное управление гражданской авиации (FAA) будут нести совместную ответственность за обеспечение общественной безопасности.
"Кто бы ни был владельцем миссии, которая захочет это сделать, им придется пройти через множество этапов лицензирования и проверки безопасности", — сказала Тина Гош, старший инженер по реакторным системам в NRC.
Дженкинс, представляющий программу NASA CLPS, добивается ясности в нормативных требованиях к коммерческим ядерным энергетическим системам. Последние миссии NASA с ядерной энергетической установкой запускались на ракетах Atlas V компании United Launch Alliance, которые скоро выйдут из эксплуатации, поэтому агентство начинает процесс сертификации других ракет-носителей, таких как Falcon 9 и Falcon Heavy компании SpaceX и Vulcan компании ULA, для ядерных полезных нагрузок.
"У нас есть коммерческие организации, которые хотят соответствовать требованиям, но не знают, каким именно", — сказал Дженкинс. "Мы все знаем, что хотим иметь возможность безопасно обращаться с такими вещами. Мы хотим быть уверены, что у нас нет кучи живых ядерных источников, вокруг которых астронавтам придется ходить на цыпочках".
Есть и другие варианты питания для круглосуточной работы на Луне. Компания Astrobotic, еще один подрядчик NASA по созданию лунного аппарата, работает над концепцией роботизированного сматывания кабеля длиной до километра на поверхности Луны. Этот кабель может направить электричество от солнечных батарей в затененные области и может быть особенно полезен вблизи лунных полюсов, где горы на краях некоторых кратеров достаточно высоки, чтобы получать почти постоянный солнечный свет.
У Astrobotic есть другая концепция под названием Nighttime Integrated Thermal and Electricity (NITE) system, которая может производить энергию как побочный продукт экзотермических химических реакций. Такая конструкция неядерного генератора не требует радиоактивных материалов и не нуждается в потенциально длительном и дорогостоящем процессе одобрения запуска ядерных ракет, утверждают в Astrobotic.
В конечном итоге коммерческим компаниям, таким как Intuitive Machines и Astrobotic, предстоит решить, как удовлетворить желание NASA создать посадочные аппараты, способные пережить лунную ночь, "будь то солнечная батарея или коммерческие радиоизотопы, или даже деление", — сказал Дженкинс.
"Мы ожидаем, что коммерческие радиоизотопы будут играть значительную роль вместе с поставщиками CLPS, чтобы обеспечить возможность выживания в ночное время", — сказал Дженкинс. "Можно обойтись солнечными батареями и аккумуляторами, но их масса становится просто огромной, когда вы начинаете пытаться работать в течение двух ночных недель подряд".
Последний раз NASA так серьезно относилось к ядерной энергетике в космосе поколение назад. NASA потратило около 400 миллионов долларов на проект "Прометей", в рамках которого предполагалось создать ядерные реакторы для обеспечения электричеством ионных двигателей, но в 2005 году отменило его, чтобы освободить деньги для лунной программы "Созвездие". Программа "Созвездие" была отменена в 2010 году.
Есть и геополитические аспекты
Глава российского космического агентства Роскосмос заявил в этом месяце, что Россия и Китай "серьезно рассматривают проект" по размещению ядерного энергоблока на Луне в 2030-х годах. Российская космическая программа находится в не самом лучшем состоянии, но страна является крупным игроком в мировой атомной энергетике. В отличие от России, космическая программа Китая хорошо финансируется, а китайский атомный сектор быстро развивается.
По словам Макграта, Китай "опередил" Соединенные Штаты в нескольких областях космической ядерной энергетики. Недавно Китай продемонстрировал на космической станции "Тяньгун" преобразователь энергии Стирлинга, который может быть использован в будущем космическом ядерном реакторе деления.
"Мы недостаточно сильно и недостаточно быстро работаем", — сказал Бивин в прошлом месяце. "Я думаю, что мы впереди, но они сокращают разрыв, это точно".
