NASA вложится в разработку ядерной установки, которая позволит собирать образцы с межзвездных объектов

У NASA грандиозные планы по освоению космоса на ближайшее десятилетие. Агентство планирует отправить несколько астробиологических миссий на Венеру и Марс для поиска следов внеземной жизни. Это произойдет одновременно с пилотируемыми полетами на Луну (впервые со времен «Аполлона»). Еще есть планы по отправке роботизированных миссий к спутникам Юпитера и Сатурна — на Европу и Титан, а также к другим похожим мирам, где может существовать подледный океан, а значит, и экзотические формы жизни. 

Для достижения этих и других целей NASA запустило программу NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). Агентство ежегодно выбирает революционные концепции в области аэронавтики и космонавтики, а после финансирует их разработку.

Например, в этом году выбор пал на беспилотники на солнечных батареях, биореакторы, световые паруса, астробиологические эксперименты и концепцию тонколистового изотопного ядерного двигателя (TFINER), предложенную Джеймсом Бикфордом (James Bickford) — старшим научным сотрудником американской некоммерческой научно-исследовательской организации Charles Stark Draper Laboratory. 

В документах NASA отмечается, что такая установка необходима для «реализации нескольких миссий следующего поколения, для которых требуются высокие скорости; с помощью обычной современной ракетной техники такие скорости получить невозможно». Речь идет о запуске солнечно-гравитационного телескопа, который будет использовать гравитационную линзу Солнца (как усилитель) для наблюдения объектов на поверхности далеких экзопланет, а также о миссии по исследованию межзвездных объектов (каких именно — не говорится).

В последние десятки лет более всего на слуху два типа атомных установок для космоса: ядерно-тепловые двигатели (NTP) и электроядерные установки (NEP), которые могут обеспечить нужную тягу и необходимую маневренность. Однако, по словам Бикфорда, такие установки громоздкие, тяжелые и дорогие.

«Напротив, мы предлагаем недорогую и более легкую альтернативу — тонколистовой ядерно-изотопный двигатель, использующий энергию распада радиоактивных изотопов. Эта установка будет обладать достаточными возможностями для сближения с быстродвижущимися межзвездными объектами и последующего возвращения образцов с них. С ее помощью, можно будет изучать соседние звездные системы. Кроме того, наша технология позволит перенаправлять гравитационно-солнечную обсерваторию таким образом, чтобы во время одной миссии можно было наблюдать множество важных целей», — пояснил Бикфорд. 

В основе концепции тонколистового изотопного ядерного двигателя лежит технология светового паруса, только в установке будут применять тонкие листы радиоактивного изотопа торий-228 толщиной около 10 микрометров (0,01 миллиметра). Для создания тяги будет использоваться импульс продуктов распада изотопа. Торию-228 свойственен альфа-распад, период его полураспада равен 1,9 года.  

Торий — радиоактивный металл, который присутствует в большинстве горных пород и почв. По оценкам геологов, его запасы на Земле в три-четыре раза превышают запасы урана.

По словам ученых, космическому аппарату потребуется 30 килограммов тория-228, распределенного на площади более 250 квадратных метров, что создаст тягу, необходимую для развития скорости свыше 150 километров в секунду. Для сравнения, зонд NASA Parker Solar Probe, который использует комплект двигателей, работающих на гидразине, удается развить скорость до 163 километров в секунду. Однако такая скорость по большей части обусловлена гравитационным маневром на орбите Венеры и притяжением Солнца. 

Бикфорд объяснил главное преимущество его установки: конструкция основана на известной физике и известных материалах. При этом, в отличие от технологии светового паруса, новый двигатель позволит космическому аппарату легко маневрировать в космосе и эффективно менять траекторию полета.

Таблетка диоксида плутония-238, раскаленная докрасна вследствие значительного энерговыделения в условиях термической изоляции./ © Los Alamos Laboratory

Инженер отметил, что, помимо листов тория-228, можно применять листы актиния-227 или других изотопов с более длительным периодом полураспада. Это позволит развить более высокую скорость. Еще можно использовать распад изотопа тория-233, в результате которого образуется уран-232, что приведет к увеличению производительности двигательной системы примерно на 500 процентов.

Предлагаемая технология откроет для NASA много возможностей в космосе, кроме того, с ее помощью можно будет выполнять сразу несколько космических задач, подчеркнул ученый.

Тонколистовой изотопный ядерный двигатель Джеймса Бикфорда не первая подобная установка, на которую обратило внимание NASA. В 2023 году в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts агентство выбрало двухрежимную ядерную силовую установку с роторно-волновым двигателем, предложенную профессором Райаном Госсе (Ryan Goss) из Университета Флориды (США). Эта конструкция, в теории, должна будет поднять тягу до уровня проекта NERVA, при более высоком удельном импульсе. Такие параметры много выше, чем у современных химических ракетных двигателей, однако реализуемость схемы Госсе все еще под вопросом.

По мнению Госсе, его разработка потенциально позволит долететь до Марса за 45 дней. Это сократит общее время миссий до нескольких месяцев и снизит основные риски, связанные с полетами на Красную планету, включающие невесомость, и, в меньше степени, солнечную бурю.