Смогут ли космические корабли бороздить просторы Вселенной без двигателей, работающих на основе ядерной реакции? Как определить, из чего состоят объекты далёких миров, если их не «пощупать» нейтронами?
Мы привыкли с гордостью называть свою страну первой космической державой. И не намерены уступать позиции. Поэтому нынешний День космонавтики отрасль встречает в состоянии реформирования - идёт процесс слияния «Роскосмоса» с Объединённой ракетно-космической корпорацией в единую структуру, аналогичную «Росатому». Это решение правительства, одобренное президентом, понятно, поскольку задачи аналогичны: с одной стороны, отвечать за развитие целой отрасли, выполняя функции государственного агентства, а с другой - не забывать о коммерческих интересах.
Система управления, выстроенная атомщиками, доказала свою эффективность, признали премьер правительства и президент страны. В «Роскосмосе» с ними согласны и знают, что коллеги готовы поделиться своим опытом, - об этом заявил Сергей Кириенко, глава «Росатома».
А атомщики им действительно коллеги, поскольку их участие в космических программах весьма ощутимо. Один из институтов госкорпорации, Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ), уже завершил испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки. Она станет сердцем будущего транспортно-энергетического модуля, без которого до Марса не долететь. Об этом проекте мы подробно рассказали в «АиФ» № 15 от 9.04.2014 г. А сегодня - о других достижениях в космосе, которые были бы невозможны без российских атомщиков.
«Компактные» МегаВатты
Помимо самой конструкции будущему транспортно-энергетическому модулю с компакт-ным реактором - «ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса» - необходимо особое топливо. И оно уже есть.
Сейчас в двух центрах - Институте реакторных материалов в городе Заречном Свердловской области и Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Димитровграде - проходят испытания принципиально новых тепловыделяющих элементов (твэлов). Они разработаны в государственном научном центре - Физико-энергетическом институте им. А. И. Лейпунского, а изготовлены в прошлом году на Машиностроительном заводе в Электростали.
Вот сколько участников - разве возможна такая кооперация без координатора в лице госкорпорации?
Юрий Черепнин, главный конструктор тепловыделяющих сборок НИКИЭТ, рассказывает, что разработчики опирались на результаты работ по высокотемпературной ядерной энергетике, которые велись ещё в советские времена.
«Этому топливу придётся работать при очень высоких температурах, - поясняет он. - В обычной же ядерной топливной энергетике температуры на тысячу градусов ниже. Поэтому необходимо было выбрать такие материалы, которые смогут сдерживать негативные факторы, связанные с температурой, и в то же время позволят топливу выполнять его основную функцию - нагревать газовый теплоноситель, с помощью которого будет производиться электроэнергия».
В качестве топлива используется диоксид урана, но, поскольку конструкция должна быть очень компактной, уран более высокого обогащения, чем в твэлах на атомных станциях. А оболочка их вообще уникальна. Основным конструкционным материалом для неё стал монокристаллический сплав тугоплавких металлов на основе молибдена.
«Пришлось провести большую работу, чтобы освоить его производство в необходимых объёмах»,
- говорит Черепнин. И с гордостью добавляет:
«Мы первыми в мире делаем компактный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах».
Эта космическая мини-АЭС будет работать по принципу замкнутого контура: реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ крутит турбину, турбина - генератор, и плазменный двигатель получает энергию с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических аналогов. А выбрасываемая в пространство струя не будет радиоактивной.
Кто «пощупал» воду?
Когда нам сообщали, к примеру, что марсоход Curiosity обнаружил на Марсе воду, органические молекулы и метан, - как вы думаете, как он это сделал? Каким образом их можно «пощупать»?
На марсоходах трёх экспедиций NASA к Красной планете стояли генераторы нейтронов. Они выпускали на нужный объект альфа-частицы. Те, ударяясь о поверхность, порождали так называемое вторичное излучение, которое регистрировали детекторы. И по потере энергии определялось, из каких химических элементов состоит исследуемый объект. Так вот, эти самые генераторы нейтронов изготавливали во Всероссийском научно-исследовательском институте автоматики им. Н. Л. Духова.
А на модуле «Фил», который сейчас замер в ожидании солнечных лучей на комете Чурюмова - Герасименко, установлены альфа-протон-рентгеновские спектрометры с альфа-излучателем из Димитровграда Ульяновской области - его сделали в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР). Некоторые данные «Фил» успел передать в Европейское космическое агентство до того, как перестали работать его солнечные батареи.
«Исследования проводились и, надеюсь, ещё будут проводиться с помощью источников на основе кюрия-244, который мы производим, - поясняет Михаил Рябинин, заведующий радиохимической лабораторией института. - И, возможно, мы сможем понять, из чего состоит ядро кометы Чурюмова - Герасименко».
Оптика под плёнкой
Но даже если отбросить мечты человечества о полётах к далёким мирам и подняться всего лишь до околоземной орбиты, атомщикам всё равно находится работа. Недавно Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И. И. Африкантова успешно завершило первый этап межведомственных испытаний образца нового герметичного электронасоса для заправочного комплекса ракеты-носителя «Протон-М». А Сибирский химический комбинат выпускает по собственной технологии тетрафторборат лития - он необходим в космосе в качестве компонента электролитов для химических источников тока. Зарубежные компании не смогли произвести аналогичный по качеству продукт.
Сотрудничество с «Роскосмосом» происходит и в области увеличения ресурса работы спутников. От того, как на неземные воздействия реагируют материалы, из которых они изготовлены, зависит атмосфера внутри самого космического аппарата.
«Из-за конденсации легколетучих соединений на приборах появляются плёнки, - объясняет Владимир Береговский, зам генерального директора НПО «ЦНИИТМАШ». - Подобрать или синтезировать материалы, которые бы в условиях космоса давали минимальный «выход» элементов и летучих соединений, очень важно».
Сделать это поможет исследовательский комплекс для изучения свойств конструкционных материалов и покрытий, изготовленный в институте. В нём имитируются разные условия - как тепловые режимы, так и воздействие жёсткого ультрафиолета. Когда результаты исследований станут звеньями в технологической цепочке производства, ресурс космического оборудования увеличится в несколько раз.
«Матрёшка» на МКС
Десять лет назад на международной космической станции (МКС) появилась «Матрёшка-Р» - так назывался эксперимент, в ходе которого проводились исследования влияния радиации на человека в условиях длительных полётов. Космонавты довольно быстро привыкли к новому соседу - шарику. «Матрёшкой» его назвали потому, что внутри на разных уровнях находятся пеналы с детекторами. Как в человеческом организме: кожа - кости - внутренние органы.
Изготовлена конструкция из тканеэквивалентного материала, а содержание в ней углерода, кислорода, азота, водорода практически совпадает с химическим составом тела человека. При этом она очень прочная - выдерживает процесс запуска и неземные условия эксплуатации. Два года понадобилось специалистам Специализированного научно-исследовательского института приборостроения (ОАО «СНИИП»), чтобы создать её.
Через определённое время пеналы из «Матрёшки» извлекают и отправляют на Землю. А на их место ставят новые. На основании полученных данных уже появились рекомендации космонавтам: в каких отсеках лучше находиться в периоды солнечной активности, каким боком поворачиваться, чтобы избежать критической нагрузки.
Был на МКС, правда, ещё и антропоморфный фантом - зарубежный, но он достаточно быстро вернулся на Землю, в том числе потому что это ещё один «член» экипажа в стеснённом жизненном пространстве станции. А наш шарик остаётся и после официального завершения эксперимента.