Почему США спешат построить ядерный реактор на Луне

НАСА ускоренными темпами реализует план по строительству ядерного реактора на Луне к 2030 году в соответствии с новой директивой временного администратора агентства Шона Даффи.

План возрождает многолетнюю мечту о масштабировании ядерной энергетики в космосе, сдвиг, который откроет футуристические возможности и подвергнет испытанию правовые и нормативные положения об использовании внеземных ресурсов и сред.

Даффи, который также занимает пост министра транспорта в администрации президента Дональда Трампа, назвал задачу первым разместить реактор на поверхности Луны обязательным условием в новой лунной гонке. «С марта 2024 года Китай и Россия как минимум трижды объявляли о совместных усилиях по размещению реактора на Луне к середине 2030-х годов», — говорится в директиве Даффи, датированной 31 июля.

«Первая страна, которая сделает это, потенциально может объявить зону запрета, которая существенно помешает Соединенным Штатам организовать запланированное присутствие Artemis, если они не сделают это первыми», — добавил он, имея в виду программу NASA Artemis , целью которой является высадка людей на Луну в ближайшие годы.

В директиве изложен план разработки, запуска и развертывания в течение пяти лет действующего реактора мощностью 100 киловатт на Южном полюсе Луны. Этот реактор должен быть построен совместно с коммерческими партнёрами (для сравнения, 100 киловатт хватит на обеспечение электроэнергией примерно 80 американских домохозяйств). Хотя на данный момент эти характеристики, конечно, спекулятивны, 100 киловатт представляют собой значительное увеличение мощности по сравнению с базовыми ядерными генераторами , используемыми для питания марсоходов и космических зондов, которые обычно потребляют всего несколько сотен ватт, что эквивалентно тостеру или лампочке.

«Последствия будут иметь преобразующий эффект не только для Луны, но и для всей Солнечной системы», — говорит Бхавья Лал, ранее занимавшая должность заместителя администратора НАСА по технологиям, политике и стратегии, а также исполняющая обязанности главного технолога. Размещение ядерного реактора на Луне позволит космической отрасли «начать проектировать космические системы, ориентируясь на то, что мы хотим делать, а не на то, что позволяют нам небольшие мощности. Это тот же скачок, который произошел, когда земные общества перешли от света свечей к электросети».

Создание атомной электростанции на Луне к 2030 году будет непростой задачей, но многие эксперты считают, что она достижима.

«Четыре с небольшим года — это очень сжатые сроки», но «технология уже существует», — говорит Саймон Миддлбург, профессор ядерных материалов и содиректор Института ядерного будущего при Бангорском университете в Великобритании.

До сих пор проблема заключалась не столько в технологической готовности, сколько в отсутствии спроса на внеземные реакторы для реализации проектов или политических стимулов для их завершения. Теперь же расклад меняется.

«Мы инвестируем более 60 лет и потратили десятки миллиардов долларов, а последний раз мы что-либо запускали в 1965 году», — говорит Лал, имея в виду миссию NASA SNAP-10A , которая стала первым ядерным реактором, запущенным в космос. «Я думаю, что переломный момент произошёл в прошлом году, когда NASA впервые в своей истории выбрало ядерную энергию в качестве основной технологии наземной генерации для пилотируемых миссий на Марс».

«Теперь появилась политическая определённость, которой раньше не было», — добавляет она. «И наконец, что не менее важно, частный сектор заинтересован не только в использовании космической ядерной энергии, но и в её поставках». Как стартапы , так и известные аэрокосмические компании, такие как Boeing и Lockheed Martin, изучают возможность использования ядерной энергии в космосе. «Многие фрагменты пазла сложились в единое целое, и мы можем двигаться дальше».

Программа НАСА «Артемида» призвана заложить основу для создания постоянной базы на Южном полюсе Луны и освоить передовые технологии для перехода на Марс, хотя её будущее неопределённо . Тем не менее, энергетические потребности любых пилотируемых миссий в экзотических условиях, таких как Луна, где ночи длятся две недели, а температура резко колеблется, требуют стабильного и достаточного электроснабжения.

«Лунная гравитация и перепады температур просто убийственны», — говорит Лал. «Дневная температура около 100 градусов Цельсия. Ночью температура близка к абсолютному нулю. Вся электроника должна быть радиационно устойчива. Хотя, честно говоря, самые большие риски не технические. Самый большой риск — это сохранение набранного темпа и достижение цели миссии».

На помощь приходит Китай, который также планирует создать лунную базу на Южном полюсе. Этот регион богат ресурсами и водяным льдом, что делает его привлекательным местом для исследований и потенциального постоянного присутствия. Китай ведёт переговоры с Россией о совместном строительстве там реактора к 2035 году. Эти события побудили представителей НАСА, Министерства обороны и Министерства энергетики включиться в эту гонку.

«Это возможно, потому что мы здесь, в США, прекрасно справляемся с сильным противником, а у нас не было ни одного уже 40 лет», — говорит Мохамед Эль-Генк, профессор ядерной инженерии и директор-основатель Института космических исследований и ядерной энергетики при Университете Нью-Мексико. «Но для этого нужно многое проработать».

Директива Даффи содержала мало подробностей о конструкции или масштабе планируемого реактора, и можно только гадать, какие концепции могут появиться в ближайшие месяцы.

«Для дальнейшего укрепления конкуренции США и лидерства в освоении лунной поверхности в рамках программы «Артемида» NASA быстро продвигает разработку технологий получения энергии на основе ядерного деления», — заявила Бетани Стивенс, пресс-секретарь штаб-квартиры NASA, в электронном письме изданию WIRED. «Эта критически важная технология будет способствовать исследованию Луны, обеспечит высокопроизводительную генерацию энергии на Марсе и укрепит нашу национальную безопасность в космосе. В рамках дальнейших усилий по развитию программы NASA назначит нового руководителя программы для управления этой работой, а также в течение 60 дней направит запрос предложений в промышленность. NASA опубликует дополнительную информацию об этом предложении в будущем».

Директива перекликается с выводами недавнего доклада о космической ядерной энергетике, соавторами которого являются Лал и аэрокосмический инженер Роджер Майерс, в котором предусмотрен вариант «Иди большим или иди домой» по строительству реактора мощностью 100 кВт на Луне к 2030 году.

Такая конструкция мощностью 100 кВт будет «примерно эквивалентна отправке пары взрослых африканских слонов на Луну с раскладывающимся зонтиком размером с баскетбольную площадку, за исключением того, что слоны вырабатывают тепло, а этот зонтик не для тени, а для сброса тепла в космос», — сказал Лал в последующем электронном письме изданию WIRED.

NASA также может черпать вдохновение из своих последних усилий по разработке лунного реактора, известного как концепция Fission Surface Power , которая была начата в 2020 году . План состоял в том, чтобы построить реактор мощностью 40 кВт, который будет автономно развернут на поверхности Луны. Хотя пока неясно, какие компании выиграют контракты на строительство нового реактора мощностью 100 кВт, предшественник 40-киловаттного реактора включал в себя вклад ряда организаций, включая Aerojet Rocketdyne, Boeing и Lockheed Martin из аэрокосмического сектора; ядерные компании BWXT, Westinghouse и X-Energy; инжиниринговую фирму Creare; и компании в области космических технологий Intuitive Machines и Maxar.

Компании, заключившие контракт на этот проект, не смогли обеспечить максимальную массу в 6 тонн на начальном этапе разработки концепции. Однако директива Даффи предполагает, что реактор будет доставлен тяжёлым посадочным модулем, способным доставлять полезную нагрузку массой до 15 тонн.

Реактор мощностью 100 кВт, урановое топливо, радиаторы и другие компоненты могут быть доставлены несколькими запусками и посадками. Местом расположения станции может быть лунный кратер или даже подземный участок, чтобы предотвратить загрязнение в случае аварии.

«Луна представляет собой серьёзные инженерные проблемы», — написал Карло Джованни Ферро, аэрокосмический инженер и исследователь из Туринского политехнического университета в Италии, в электронном письме изданию WIRED. «Без атмосферы невозможно конвекционное охлаждение — нельзя полагаться на обтекание компонентов воздухом, как это делают наземные системы, для отвода избыточного тепла».

Ферро добавляет, что лунная гравитация, составляющая одну шестую земной, повлияет на гидродинамику и теплопередачу, а лунный реголит — слой пыли и мелких камней, покрывающий лунную поверхность, — липкий и электростатичный, поэтому может создавать помехи для радиаторов и других компонентов. «Это, вероятно, осуществимо с технической точки зрения, но остаётся крайне амбициозным», — говорит он о предлагаемых планах НАСА.

Все ядерные технологии требуют строгих ограничений безопасности, особенно те, которые связаны с запусками на взрывных ракетах и посадками в чуждых им условиях.

«Очень важно, чтобы группа экспертов собралась и сформулировала требования, учитывающие все опасения», — говорит Эль-Генк. «Лучший способ — не предлагать решения потенциальных проблем, а спросить: можем ли мы избежать потенциальных проблем, если будем действовать намеренно?»

В связи с этим, развёртывание лунного реактора — будь то НАСА, Китай или какая-либо другая организация — будет подчиняться строгим нормативным стандартам на каждом этапе. Например, урановое топливо, вероятно, будет помещено в прочные защитные слои на случай аварии ракеты.

«Мы устанавливаем правила ради безопасности, — говорит Миддлбург. — Мы не хотим, чтобы у астронавтов закончился источник питания. Мы не хотим, чтобы у них там случилась авария, которую мы не сможем устранить. Это было бы настоящей катастрофой».

«Это будет строго регламентировано, — продолжает он. — Кто будет регулировать — вопрос другой, но в любом случае, они не начнут просто так выставлять напоказ то, что не было продумано и не доказало свою безопасность. Это будет означать конец программы».

Помимо разработки надёжной стратегии безопасности, гонка за внедрение ядерной энергетики на Луну проложит новые пути в космическом праве и политике. Любое государство или организация, которое первым достигнет Луны, вероятно, создаст так называемую «запретную зону» для обеспечения безопасности. Эти зоны, площадь которых может составлять несколько квадратных миль, не позволят конкурентам выйти на тот же участок.

Такая деятельность должна соответствовать принципам, установленным Договором о космосе, в котором говорится, что небесные тела могут использоваться только в мирных целях, а исследование и использование космического пространства должны осуществляться на благо «всего человечества».

«Я не думаю, что здесь есть какое-либо нарушение каких-либо договоров», — говорит Лал. «Это скорее функциональное исключение, которое может быть вызвано радиационными рисками, терморегулированием или протоколами аварий. На самом деле, это было бы оправдано девятой статьей Договора о космосе, поскольку необходимо для предотвращения вредоносных помех».

«Они не будут претендовать на суверенитет», — добавляет она. «Мы не говорим, что это какой-то захват земли».

Космическая ядерная энергетика, казалось бы, маячит на горизонте уже несколько поколений, но многие эксперты считают, что её время наконец настало, и что нужно ковать железо (точнее, уран), пока горячо. Если ядерные реакторы приживутся в космосе, это значительно расширит возможности исследований и промышленности.

«Когда у нас появится такая мощность, мы будем говорить о постоянных поверхностных инфраструктурах на Луне и Марсе, лунных и марсианских системах добычи полезных ископаемых для добычи кислорода, воды и топлива в реальных условиях обитания человека — не только для выживания, но и для обеспечения условий жизни», — говорит Лал. «Мы сможем заниматься наукой в больших масштабах. Нам не придётся уменьшать размеры наших приборов, будь то радары или сейсмометры, чтобы они не потребляли слишком много энергии».

«Это основа для открытия Солнечной системы», — добавляет она. «Именно это меня и воодушевляет».

Первые страны, которым удастся построить реактор на Луне, будут играть огромную роль в формировании этого будущего, и потенциальные игроки наращивают обороты.

«Новая космическая гонка — это не вопрос того, кто первым доберётся до Луны, — говорит Ферро. — А вопрос того, кто там останется».