Анатолий Зродников: «Одно из простейших применений лазерного пучка, которое сейчас рассматривается – подсветка с Земли солнечных батарей многочисленных спутников, работающих на околоземных орбитах».
В этом году весь мир отмечает полвека со дня первого полета человека в космос, с которого началась эпоха освоения космоса.
Для Обнинска и всей Калужской области это – особая дата, если учесть, что Калуга – родина космонавтики, а в Обнинске были заложены научные основы создания ядерных энергетических установок для космоса БУК и ТОПАЗ, осуществленного под научным руководством Физико-энергетического института.
Запуск первого космического спутника, первый пилотируемый полет в космос, первый выход человека в открытый космос, впервые осуществленная стыковка космических кораблей… Впрочем, космические достижения нашей страны можно начать перечислять с самих истоков – с работ нашего ученого-земляка Циолковского. Целая эпоха для целого поколения связана с успехами нашей страны в освоении космоса. Вся страна с замиранием следила за полетом первого спутника, в едином радостном порыве чествовала первого космонавта планеты. Каждый мальчишка того поколения мечтал стать космонавтом, новорожденных называли Юриями в честь Гагарина, и даже елочные игрушки в те годы делали в виде космических ракет и спутников. Одним словом, космос был, как сейчас бы сказали, брендом нашей страны. Но за этой парадной стороной велась работа не столь громкая, но не менее значимая для последующих шагов человечества в освоении космоса – поиск источников энергии для космических аппаратов.
Одновременно с достижениями в области космоса в те годы страна делала успехи в освоении энергии ядра атома. Применение атома в мирных целях, Первая в мире атомная электростанция тоже стали своего рода брендом нашей страны. И вот в сочетании двух наших прорывных направлений – космического и атомного — родилась идея создания ядерных энергетических установок для космоса. Для Физико-энергетического института космические ЯЭУ — тоже целая эпоха, открытая в свое время талантливыми учеными А.И.Лейпунским, И.И.Бондаренко, В.Я.Пупко.
Первые шаги космической ядерной энергетики
Бурное развитие ракетно-космической техники в 50-60-е годы потребовало увеличения мощности бортовых источников энергии. Ни батареи, ни топливные элементы требуемую мощность обеспечить не могли. И лишь ядерный реактор дает в перспективе возможность получить любую мощность. Идея мини-электростанции на борту космического аппарата поначалу была ориентирована на принцип машинного преобразования: теплоноситель, которым является разогретый газ или пар щелочных металлов, приводит в движение турбину. Она в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию. Но обнинских ученых увлек безмашинный способ – прямое преобразование.
Уже более десяти лет нет в живых Виктора Яковлевича Пупко. Осталась пленка с записью нашей беседы, которая состоялась у него дома на старом проспекте Ленина в 1998 году, незадолго до его кончины. Конечно же, разговор шел о космических ядерных энергетических установках, которым Виктор Яковлевич посвятил всю свою жизнь. О принципе, заложенном в основу ЯЭУ, — термоэлектричестве, затем — термоэмиссии – он начал рассказывать с примера своего рода «керосиновой лампы», которую во время войны партизаны использовали как источник энергии для питания радиостанций. Ее изготовлял ленинградский институт полупроводниковых материалов под руководством А.Ф.Иоффе. В этой лампе горячие спаи полупроводниковых батарей омывались через стенку дымохода горячими газами от горелки, а холодные спаи батареи, расположенные снаружи на этом дымоходе, охлаждались за счет конвекции окружающим воздухом. «Мы даже видели с Игорем Бондаренко такую «лампу» в продаже в магазине городка Жуково (тогда – Угодский завод), — вспоминал В.Я.Пупко. — К сожалению, мы не купили эту «лампу» из-за отсутствия денег. Ядерный прообраз этой «лампы» сразу же возник в нашем воображении, только охлаждение холодных спаев термобатареи могло бы производиться путем лучеиспускания тепла в космос, а нагрев горячих спаев мог бы производиться от жидкого металла, нагретого в реакторе. Точно так же охлаждение холодных спаев может производиться циркулирующим жидким металлом (например, сплавом натрий-калий), который переносит тепло в холодильник-излучатель».
Вот этот принцип прямого преобразования тепловой энергии в электрическую поначалу и был положен в основу идеи создания бортового источника питания — ядерной энергетической установки. Забегая вперед, скажем, что более 30 реакторных термоэлектрических энергоустановок БУК, созданных под научным руководством ФЭИ, эксплуатировались на космических аппаратах серии «Космос» с 1970 по 1988 гг.
Следующей ступенью было использование принципа термоэмиссии.
Вот что рассказывал о тех временах В.Я.Пупко: «Мы сделали следующий шаг в разработке систем прямого преобразования энергии – создали термоэмиссионные преобразователи. И в этом наш мировой приоритет неоспорим.
Вышло специальное правительственное постановление о развитии этого направления, были подключены мощные организации. В ФЭИ специально для этих целей в 1960 году начали строить здание 224 на промплощадке. В 1970 году, выполняя соцобязательства к 100-летию со дня рождения Ленина, провели наземное испытание первого «ТОПАЗа» — Термоэмиссионного, Опытного, с Преобразованием в Активной Зоне».
В ТОПАЗе удалось объединить термоэмиссионную технологию и ядерную. Термоэмиссия, как и термоэлектричество, была известна давно. Диод, где с нагретого катода испускаются электроны, образуя из¬быток отрицательных заря¬дов на более холодном ано¬де, и есть термоэмиссионный преобразователь. А если источником нагрева служит ядерный реактор, то это уже термоэмиссионная ядерная технология.
Из интервью с В.Я.Пупко: «Мы впервые применили гирлянды термоэмиссионных преобразователей, то есть скоммутировали внутри электрогенерирующего канала отдельные элементы: катод предыдущий с анодом следующим, катод следующий с анодом последующим и т.д. по типу батареек в карманном фонарике. За счет такой гирлянды элементов удалось «набрать» большое напряжение. А наши конкуренты пошли по пути одноэлементных электрогенерирующих устройств. Это, конечно, проще, но одноэлементный реактор дает от силы один вольт, да и тот легко «потерять». Для мощных реакторных систем, конечно, такой способ не годится».
Под руководством В.Я.Пупко проходила научная деятельность А.В.Зродникова. После окончания ВУЗа он прибыл в Физико-энергетический институт и с первых дней подключился к космической тематике. Его учитель В.Я.Пупко и другие ученые старшего поколения, создававшие это направление, уже ушли из жизни. И получилось, что Анатолий Васильевич сегодня в Обнинске – единственный, кто участвовал во всех этапах создания и экспериментальной отработки ЯЭУ и БУК и ТОПАЗ. Конечно, при испытаниях было немало трудностей и неудач (о них не раз писали). Впрочем, ошибок и временных неудач не избежать, когда речь идет о внедрении принципиально новых технологий. И они не могут служить препятствием прогрессу. Но есть ряд причин, ограничивающих сегодня широкое применение ядерной энергетики в космосе.
Искоренит ли человечество ядерный терроризм?
Представим, что при запуске ракета с ядерной энергетической установкой сошла с орбиты и упала на Землю. В плане ядерной безопасности человечеству это ничем не грозит: реактор полностью блокирован. Запускается он только ПОСЛЕ выхода на орбиту. Но где гарантия, что ракета не упадет прямо в руки какому-нибудь Бен-Ладену? Десятки, а то и сотни килограмм высокообогащенного урана – настоящий подарок террористам. Ведь сегодня в космосе находится свыше тонны ядерных материалов, если учесть, что в свое время на орбиту были выведены более 30 объектов с ядерной «начинкой».
Правда, так называемая «орбита паркования», на которую сейчас уведены эти ЯЭУ, находится на удалении от 700 до 1000 км от Земли. Там их пассивное существование продлится примерно 500 лет, после чего объекты, опускаясь на Землю, сгорят в верхних слоях атмосферы. К тому времени активность вся «высветится» и, опять же, с точки зрения радиационной опасности нашим пра-пра-правнукам ничто не будет угрожать. Но ядерное топливо – уран – в этих объектах останется. Уже сегодня американцы своим «Шаттлом» могут «снимать» космические объекты прямо с орбиты. Подобную технологию как способ «добычи» урана со временем могут применить и какие-нибудь флибустьеры XXV века. Ведь кто бы мог подумать, говорит Анатолий Васильевич, что в XXI веке пираты будут бесчинствовать так же, как три века назад. Так что не исключено, что и в каком-нибудь 2310 году найдутся желающие «инвестировать» в «добычу» урана из космических спутников. Остается лишь надеяться, что за 300 лет человечество справится с этой проблемой другим способом.
Полеты на Марс: превратится ли фантазия в реальность?
Издавна взоры человечества обращались к следующей после Земли планете Солнечной системы – Марсу. Каковы реальные шансы полета на Марс при нынешнем технологическом уровне? Прежде всего, такие полеты требуют больших энергетических затрат, и здесь никак не обойтись без ядерных энергетических установок. Плотность солнечной энергии на орбите этой холодной планеты намного меньше, чем на орбите Земли, а значит солнечные батареи в качестве источника питания будут неэффективны. Однако пилотируемый полет на Марс с ядерным реактором на борту – перспектива малопривлекательная: как бы ни был надежно защищен пилотный отсек, а все же радиация от внутреннего источника – реактора более ощутима, чем от космического излучения. Так что речь может идти только о беспилотном полете. Или о космическом буксире с ядерной энергетической установкой, который размещает по пути на Марс заправочные станции с обычным топливом. В этом случае самый обычный космический корабль с экипажем на борту, периодически дозаправляясь обычным топливом, сможет преодолеть расстояние до Марса.
Космическая индустриализация
Очевидно, что освоение Космоса продолжится. Человечество будет стремиться вынести свою хозяйственную деятельность за пределы Земли, особенно, что касается вредных производств, или производств, требующих особых условий. Есть уже первые опыты по выращиванию кристаллов в космосе: в условиях микрогравитации кристаллы растут без дефектов. Чтобы поставить их производство на поток, потребуется сооружение фабрики в космосе. Значит, неизбежно станет вопрос об электроэнергетике. А она может быть только ядерной: лишь такая энергетика способна обеспечить требуемые мощности. Правда, нужную энергию можно передать с Земли. Конечно, не по проводам, а с помощью мощного энергетического луча. И это еще одно направление развития космической энергетики.
Луч, преодолевающий межгалактические расстояния
Осваивая новые виды энергии, человечество поэтапно проходило по уровням ее организации, начиная с низшего – тепловой энергии, к следующим — механической, электрической, лазерной, ядерной.… Известно, что высокоорганизованная энергия всегда может быть превращена в энергию более низкого уровня организации без потерь, а наоборот – с большими потерями. Одновременно люди пытались найти все более совершенные способы ее передачи на как можно дальние расстояния. Тепловую энергию люди научились передавать лишь на относительно небольшие расстояния – в пределах города. Электрическая, хоть и с потерями, уже способна «пройти» по проводам сотни и тысячи километров. А вот лазерную энергию можно передавать на межпланетные и даже на межгалактические расстояния, настолько это высокоорганизованная энергия. Ученые называют это направление энергетики power beaming – передача энергии с помощью луча – лазерного или СВЧ-луча, и рассматривают его как перспективное с точки зрения использования, в первую очередь, на Земле. Кстати, в Лос-Аламосской национальной лаборатории проводились опыты по перемещению груза с помощью энергии светового пучка. Так что принципиальная возможность передачи энергии с помощью луча экспериментально доказана. А дальше – дело за развитием этой технологии.
«Представим, — рассказывает А.В.Зродников, — что на горе поставили один излучатель, а с другой стороны Земли – другой. В космосе «повесили» несколько зеркал. Это дает возможность передавать энергию из одной точки Земного шара в другую». Допустим, остался Южно-Сахалинск без тепла – лучом его доставили столько, сколько требуется. Правда, на Земле передавать энергию таким способом мешает атмосфера. Часть энергии теряется при взаимодействии пучка с атмосферой, а в самой атмосфере образуются «пробои». А вот в вакууме луч проходит беспрепятственно, так что в условиях космоса он незаменим для передачи энергии на большие расстояния.
От космического паровоза — к электричке
Паровоз – классический образец машины с низким кпд – всего 5%. Примерно такой кпд сегодня у космических носителей, например, у той же «Энергии» — самом мощном ракетоносителе в мире. При стартовой массе 2 тысячи тонн она выводит на космическую орбиту 100 тонн. Вот и получаются те же 5% кпд. Так что «Энергия» — самый что ни на есть космический паровоз. Так же, как обычный паровоз, он вынужден «тащить» с собой запас топлива. А ведь подъем такого груза, соответственно, требует огромных затрат энергии, причем, очень неэффективных. В свое время на смену паровозов с углем пришли электрички, которым не нужно возить с собой запас топлива: энергию они получают по проводам. Роль проводов в космосе для передачи энергии могут сыграть лазерные пучки, способные проходить огромные расстояния практически без потери энергии. Тогда не придется кораблю-носителю «тащить» с собой в космос топливо. Мощный лазер с Земли с помощью пучка передавал бы энергию на борт корабля, выводил его в космическое пространство и подпитывал по мере надобности энергией. Будущее освоение дальнего космоса — именно за такими космическими «электричками», считает А.В.Зродников. Более того, отпадет необходимость в космодроме для запуска кораблей. Достаточно будет большому транспортному самолету с космическим кораблем на борту подняться на стандартную высоту 11-12 км и выгрузить корабль, дальнейший полет которого будет обеспечиваться энергией, подаваемой с Земли с помощью лазерного пучка.
Лазерный источник на Земле сможет снабжать энергией космические корабли и при запуске, и при их движении в космосе. Правда, при этом теряется примерно половина энергии луча, доставляемого с Земли на борт корабля – мешает атмосфера. Но это не принципиальное препятствие для дальнейшего развития этого направления. Энергия, используемая сегодня в космосе всеми бортовыми системами вместе взятыми, существенно меньше энергии, вырабатываемой одним стандартным блоком атомной станции. Так что потерями из-за атмосферы при запуске космического корабля с помощью лазерного луча в необходимых случаях можно и пренебречь.
«Одно из простейших применений лазерного пучка, которое сейчас рассматривается – подсветка с Земли солнечных батарей многочисленных спутников, работающих на околоземных орбитах», — говорит А.В.Зродников. Когда спутник заходит в тень Земли, солнечные батареи бездействуют, и ему приходится переходить на аккумуляторные батареи. Количество циклов заряда батареи ограничено, поэтому через определенное время требуется их замена. Подпитка энергией с Земли, даже несмотря на потери, существенно продляет жизнь спутнику. А ведь вынос 1 кг веса на геостационарную орбиту стоит 25 тыс. долларов. Так что продление жизни спутника даже на 1 год – немалая экономическая выгода.
Все сводится к тому, что будущее за лазерными «проводами» — передачей энергии с помощью лазерного пучка. Остается вопрос генерации тех самых пучков. И вот здесь-то мы опять возвращаемся к возможностям ядерных энергоисточников.
Лазерные энергостанции
В отличие от обычных лазерных устройств, где требуется двойное, а то и тройное преобразование энергии, лазеры с ядерной накачкой практически не имеют альтернативы в качестве энергоисточника, поскольку в этом случае, как говорит А.В.Зродников, «нет промежуточной розетки», то есть, происходит прямое преобразование ядерной энергии в лазерную.
Уникальный реактор-лазер создан в Физико-энергетическом институте. Эта лазерная установка с накачкой от ядерного реактора обеспечивает мощность, равную всем АЭС мира вместе взятым, правда, пока только в течение 100 микросекунд. Лазеры с ядерной накачкой в будущем и станут основой для создания мощных ядерно-лазерных комплексов – источников сверхмощных лазерных пучков. «Такие ядерно-лазерные энергостанции будут производить энергию и посылать ее в любую точку, будь то космический корабль, спутник на околоземной орбите или космический буксир, который доставлял бы груз на высокие орбиты», — говорит Анатолий Васильевич. Кстати, сама лазерная энергостанция совсем необязательно должна находиться на Земле. Ее можно будет размещать на околоземных орбитах, на Луне – там, где нет атмосферы. Но и эта далекая, хотя и вполне технологически обоснованная перспектива имеет свою оборотную сторону.
Оборотная сторона лазерной энергетики
Если плотность энергии, передаваемой мощным лазером, будет как минимум в 10 раз больше, чем плотность энергии Солнца, то это уже оружие, с помощью которого можно ослепить не только человека, но и датчики, вывести из строя аппаратуру. А пучок в 100 Солнц сжигает и плавит все на своем пути. Теперь представим себе, что самолет попадает в зону действия лазерной системы, передающей энергию… Тем не менее, проблема решаема: можно объявить этот район закрытым, как это делается при испытаниях оружия.
В итоге все зависит от того, в чьих руках окажется новая технология. С ее помощью можно «снимать» с орбиты спутники, а можно передать энергию, например, в тот же Южно-Сахалинск, оставшийся без тепла. Здесь многое будет зависеть от международных договоренностей, поскольку речь идет о технологии двойного применения.
Кстати, недавно США провели испытания лазера воздушного базирования, при помощи которого военным впервые удалось уничтожить баллистическую ракету. «Сверхмощный луч лазера разогрел ракету до критической температуры и вызвал необратимые нарушения ее конструкции», — говорится в сообщении Управления противоракетной обороны США.
Поиск новых путей
Работы Физико-энергетического института по прямому преобразованию ядерной энергии в лазерную стали логическим продолжением тематики, связанной с ядерными энергетическими установками для космоса, можно сказать, «выросли» из нее. Сегодня, по словам А.В.Зродникова, ФЭИ работает над созданием преобразователей энергии нового класса, над тем, что ученые называют next generation – следующее поколение.
Это поколение преобразователей должно обладать совершенно иными параметрами. Во-первых, необходимо существенно продлить их ресурс. Экономически невыгодно запускать в космос энергоустановки с ресурсом менее 15 лет. Те установки, что были запущены в космос, обладали ресурсом в 3 месяца, затем его удалось продлить до полугода. Во-вторых, сегодня совсем другие требования к энергообеспеченности борта в космосе. Станции «Мир» хватало и 15 киловатт, современным космическим станциям требуется около 50, и их обеспечивает огромное количество батарей. Наконец, главная задача космической ядерной энергетики, как и любой энергетики – повышение кпд. Коэффициент полезного действия ТОПАЗа составляет всего 10% , причем существенная часть уходит на нужды самого преобразователя — на прокачку теплоносителя, питание аппаратуры управления реактором. «Необходимы принципиально новые решения, чтобы повысить эффективность преобразователей, существенно продлить срок их службы, — говорит А.В.Зродников. — В этом направлении и ведутся работы в Физико-энергетическом институте. Идет поиск новых физических принципов прямого преобразования энергии, которые позволят получить кпд существенно выше, чем сейчас». Одно из перспективных направлений – использование в преобразователях так называемой материи Ридберга в качестве рабочего тела. Это особое состояние вещества – ионизированный газ, представляющий собой конденсат возбужденных состояний и обладающий высокой, как у металла, электропроводностью. Существование материи Ридберга косвенно подтверждено, в том числе, учеными Физико-энергетического института. Благодаря ее особым свойствам можно выйти на принципиально новый уровень – создание низкотемпературных преобразователей с совершенно иными характеристиками. Коэффициент полезного действия низкотемпературного преобразователя существенно выше, чем традиционного, а материалы служат значительно дольше, что ощутимо увеличивает ресурс.
Исследования в ФЭИ конденсата возбужденных состояний цезия привели, по оценке А.В.Зродникова, к «очень обнадеживающим результатам, полученным пока на лабораторном уровне». До практического применения еще далековато. Но без подобных исследований фундаментального характера технологический прогресс был бы невозможен. Более того, в отличие от чисто фундаментальных исследований, цель которых – получение новых знаний, изучение материи Ридберга относятся, по словам А.В.Зродникова, к «проблемно-ориентированным, поисковым исследованиям фундаментального характера». В отличие, скажем, от адронного коллайдера, где основная цель – познание Вселенной, здесь была обозначена конкретная проблема – создание преобразователя с определенными характеристиками. «Пока мы получаем, углубляем свои знания, потом будем создавать технологию, то есть, преобразовывать полученные знания в технологии», — говорит А.В.Зродников. Впрочем, вполне возможно, что итогом станет создание принципиально новых технологий не только в космической ядерной энергетике, но и в других, пока неочевидных, но не менее важных сферах.