Когда свершится ядерная революция в космонавтике

Без использования ядерных технологий создание поселений на Марсе так и останется красивой фантастической картинкой. Иллюстрация создана с помощью нейросети Kandinskiy 3.1

В выпуске «НГ-науки» (см. номер от 12.12.23) рассматривался суперэффективный способ производства топлива из ресурсов Луны и Марса. Способ этот – составная часть проекта индустриализации Луны. Разработчик проекта – Крафт Эрике (1917–1984), ученый-ракетчик с мировой известностью. Эрике предложил технологию создания искусственных месторождений газообразного кислорода в недрах Луны при помощи промышленных ядерных зарядов. На каждые 8 Мт генерируется до 1 млн т кислорода. Мирные промышленные взрывы разрешены действующими международными соглашениями.

Способ Крафта Эрике

Мирные промышленные взрывы разрешены действующими международными соглашениями. Газ из месторождений можно откачивать и заправлять космические корабли. Благодаря применению ядерной энергии в самой дешевой форме – взрывной – стоимость заправки кораблей составит всего несколько десятков центов за 1 кг. Доставка танкеров с кислородом на околоземную орбиту увеличит стоимость заправки до 1–3 долл/кг.

Такие низкие цены – революция в космонавтике. Сегодня Илон Маск пренебрегает перспективой заправки своей будущей марсианской армады топливом, произведенным на Луне. На данный момент ему будет выгоднее доставлять топливо ракетами-танкерами с Земли. Это обойдется в 100–200 долл/кг. А на Луне производство топлива традиционными невзрывными способами и с доставкой на заправочные станции на низкой околоземной орбите будет значительно дороже.

Однако если околоземные орбитальные станции будут заправлять межпланетные ракеты по цене 1–3 долл/кг, то компания Илона Маска SpaceX перейдет к использованию лунного топлива. А его потребуется немало. Для трансфера 1 млн колонистов в Марсополис потребуется не менее 12 млн т топлива. И для возвращения кораблей на Землю в их топливные баки на Марсе необходимо будет залить порядка 10 млн т. Кислород необходим и миллионам колонистов. Это значит, что и на Марсе придется создавать искусственные месторождения живительного газа.

Только способ Крафта Эрике гарантирует производство кислорода на Марсе в промышленных масштабах быстро и недорого. Соответственно стоимость билетов на межпланетный перелет многократно снизится в сравнении с уже достаточно низкими рассчитанными ценами.

Помимо колонизации Марса лунное топливо от Эрике Крафта даст космонавтике инструменты для решения климатических и энергетических проблем Земли. Факты говорят: парниковый эффект уже вышел из-под контроля. Начались выбросы метана из природных источников, и теперь одно только удаление менее опасного углекислого газа из атмосферы уже не решит проблему остановки потепления.

Поэтому и в России, и в США разработаны проекты экранирования части солнечного излучения космическими средствами. Речь идет о размещении защитного экрана между Землей и Солнцем в точке Лагранжа. Для создания экрана, способного понизить среднегодовую температуру планеты на 1,5 °С, в точку Лагранжа надо вывести конструкцию и балласт из лунного реголита общей массой 66 млн т, что потребует до 200 млн т ракетного топлива.

Разумеется, традиционными невзрывными средствами на Луне не произвести в короткие сроки такое количество топлива. Причем по предельно низкой цене. Поэтому вопрос применения на Луне мирных ядерных промышленных взрывов – это вопрос выживания человечества. Развертывание производства энергии спутниковыми солнечными электростанциями для нужд планеты, в целях сокращения потребления углеводородов, также требует миллионов тонн лунного ракетного топлива. Полномасштабная зеленая энергетика на Земле невозможна без производства дешевого лунного топлива ядерными зарядами.

Рис. 1. 1 – термоядерный взрыв накачки рентгеновского лазера; 2 – рентгеновский лазер; 3 – лазерный луч; 4 – ретранслятор; 5 – взрыв чистого термоядерного заряда, оснащенного рентгеновским лазером; 6 – лазерный луч, сгенерированный подземным лазером, в подземном канале, инициирующий взрыв другого заряда-лазера; 7 – прорыв плазмы (O2, Si, Fe, Al) и холодного раздробленного базальта из верхней каверны в нижнюю; 8 – каверна от предыдущего взрыва.

Благодаря технологии Крафта Эрике масштабная колонизация и индустриализация Солнечной системы может начаться уже в этом веке. Разумеется, первым шагом будут опыты по созданию газовых месторождений из кислорода при помощи ядерных зарядов здесь, на Земле. Однако имеют ли нынешние политики волю для запуска такого важного для всех нас процесса?

Статус мирных ядерных взрывов был закреплен в международных документах. Например, они упоминались в тексте Договора о нераспространении ядерного оружия 1968 года. А в 1976 году США подписали с СССР специальный Договор о подземных ядерных взрывах в мирных целях. Он был ратифицирован в конце 1990 года.

После отзыва Россией ратификации ДВЗЯИ нет юридических препятствий для возобновления ядерных испытаний. Закончилась эпоха запретов ядерных испытаний – маятник пошел в обратном направлении. По крайней мере можно ожидать возобновления испытаний и применения мирных промышленных зарядов, поскольку они разрешены действующими международными соглашениями.

В этом контексте проект Крафта Эрике может быть реализован и на Луне, и на Марсе, и на Церере, и на крупных астероидах. Согласно договору, мирными промышленными взрывами считаются взрывы за пределами военных полигонов. Небесные тела, вне всякого сомнения, находятся вне военных полигонов и попадают под действие разрешающего договора. Вывод в космос промышленных зарядов по частям и их сборка в «подземных» скважинах на небесных телах не противоречит запрету выведения в космос военных зарядов. Недра небесных тел не являются космическим пространством – мирные промышленные взрывы в недрах планет и естественных спутников не имеют запретов в рамках договоров, запрещающих военные испытания.

В России и в США накоплен большой опыт проведения мирных промышленных ядерных взрывов. При этом чем больше мощность заряда, тем более чистым он является в расчете на единицу продукции. В 60-х и 70-х годах в СССР были разработаны сверхчистые термоядерные заряды для промышленного применения. Запал из плутония мощностью 0,2–0,3 кт поджигал заряд дейтерия в 50–150 кт. Более того, разработан самый чистый заряд, предназначенный для мирных применений, в котором 99,85% энергии получается за счет синтеза ядер легких элементов, то есть на долю реакций деления приходится лишь 1/700 общего количества энергии. Предложен проект и совершенно уникального заряда, практически без радиоактивных отходов, а те, что остаются, направляются в специальную улавливающую камеру.

Тем не менее радиация от мирных зарядов никуда так просто не исчезнет. Ведь даже термоядерные заряды, которые в основном использовались для «Программы № 7», не могут быть полностью чистыми – в них используется инициатор термоядерной реакции в виде заряда с ураном или плутонием, продукты деления которых вызывают долговременное радиоактивное загрязнение. Излучение от термоядерной реакции не вызывает долговременного радиоактивного заражения, однако пока не достигнут прогресс в создании полностью чистого термоядерного заряда, способного срабатывать без поддержки от зарядов на основе урана и плутония.

По этой причине относительно небольшие площадки (в среднем около 1 кв. км и 1,5 км в глубину) мирных ядерных взрывов, по сути, отчуждаются навечно. Как решить эту проблему?

Рис. 2. 1 – мобильный аппарат наружного нагрева реголита; 2 – мобильный аппарат аккумуляции и бортового нагрева реголита; 3 – компактный высокотемпературный реактор с металлическим теплоносителем; 4 – устройство сбора реголита; 5 – шнековый механизм продвижения реголита через нагреватель и извлечения воды и кислорода; 6 – шнековый механизм продвижения реголита с примесью металлического железа через нагреватель, впрыска воды и извлечения водорода; 7 – холодильник-радиатор; 8 – шнек с теплоносителем, подаваемым из ядерного реактора, погруженный в слой реголита; 9 – устройство герметизации зоны нагретого реголита; 10 – зона нагретого реголита.

Решение проблемы имеется. То, что невозможно на Земле, реально за ее пределами. Решение состоит в использовании лазерного поджига термоядерного заряда дистанционно – с помощью луча удаленного в космос лазера. Лазерное инициирование термоядерной реакции реализуется в наземных лабораториях. Из-за относительно малой мощности лазеров используют микрозаряды из дейтерия и трития. Прогресс есть, но очень медленный.

Однако при тех же подземных испытаниях апробирован лазер с ядерной накачкой: лазерное устройство, возбуждение активной среды которого происходит за счет излучения от ядерных реакций. Длина волны излучения такого устройства может быть от дальнего ИК-диапазона до рентгеновского. Одним из таких лазеров с ядерной накачкой является рентгеновский лазер. Самые мощные существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие ядерным или термоядерным взрывами. Мощность таких лазеров позволит инициировать реакцию синтеза в зарядах массой в несколько килограммов и больше.

Причем это устройства однократного применения – после срабатывания они исчезают вместе с разлетающимися продуктами взрыва. Однако на Земле есть атмосфера. Она достаточно плотная, чтобы препятствовать дистанционному подрыву чистого термоядерного заряда. И околоземный космос не самое лучшее место для применения лазеров с ядерной накачкой.

На Луне атмосферы нет. На Марсе очень разряженная атмосфера. Таким образом, имеются благоприятные условия для реализации абсолютно чистого термоядерного взрыва (без урана и плутония) для переработки грунта в кислород.

На рис. 1 показана принципиальная схема производства чистых «подземных» термоядерных взрывов при помощи космического рентгеновского лазера с накачкой от термоядерного заряда с запальным устройством на основе урана или плутония. При соответствующей конструкции космического заряда радиоактивные продукты распада выбрасываются плазмой термоядерного взрыва в сторону, противоположную небесному телу в межпланетное и далее в межзвездное пространство, где рассеваются и остаются на миллионы лет без вреда для колонистов Луны и Марса и соответственно для обитателей Земли.

Лазерный луч из космоса проникает к подземному заряду через скважину (в момент срабатывания подземного заряда скважина герметизируется взрывным способом). Подземный заряд оснащен аналогичным лазером. При подрыве таким образом генерируется еще один луч (или множество лучей) рентгеновского излучения. Через горизонтальные скважины луч (лучи) подается к соседним чистым термоядерным зарядам. Подрыв этих зарядов, в свою очередь, может использоваться для генерации новых лазерных лучей и подрыва очередных близлежащих зарядов.

Рис. 3. 1 – цистерна для газа (ксенон, криптон, неон, аргон), подаваемого в высокотемпературный ядерный реактор в качестве рабочего тела; 2 – высокотемпературный ядерный реактор; 3 – бункер с реголитом для подачи в нагретый газовый поток из реактора; 4 – участок смешения реголита с нагретым газом и диссоциации оксидов; 5 – резервуар с охлаждающим газом; 6 – участок смешения горячей газопылевой смеси с холодным газом; 7 – линия быстрого понижения температуры продуктов термолиза; 8 – линия сепарации газопылевой смеси; 9 – блок выделения, сжатия и ожижения кислорода и газов – рабочего тела реактора; 10 – резервуары хранения кислорода и рабочего тела; 11 – жидкий натрий; 12 – термоядерный взрыв (10 кт); 13 – котел взрывного сгорания (электроэнергия – 10 ГВт, тепло – 20 ГВт). Иллюстрации подготовлены автором

Возможны ли с правовой точки зрения ядерные взрывы в дальнем космосе? Главная цель Московского договора, который запрещает ядерные взрывы в околоземном космическом пространстве, – обезопасить человечество от вреда радиоактивных веществ. Взрыв над обратной стороной Луны, выбрасывающий продукты деления ядер урана и плутония со скоростью до 100 км/с в межзвездное пространство, очевидно, безопасен для человечества. В этом аспекте Московский договор может уточняться и корректироваться. Такая возможность всегда есть.

До решения о применимости безопасных космических взрывов накачки лазеров, необходимых для применения абсолютно чистых термоядерных зарядов, на Луне и Марсе придется временно использовать имеющиеся чистые заряды, с незначительным использованием урана и плутония. Однако и в этом случае возможно многократное сокращение радиоактивного заражения зоны подземного взрыва. При осуществлении групповых взрывов только один из зарядов должен иметь запал из материалов деления, а прочие заряды приводятся в действие лучами рентгеновского лазера, которым оснащен первый заряд. Тогда при 10 зарядах объем заражения сократится в 10 раз, при 100 зарядах – в 100 раз.

К сожалению, Крафт Эрике не рассмотрел вопрос о производстве других компонентов ракетного топлива, кроме кислорода, при ядерном термолизе лунных недр. На Луне обнаружены запасы воды в виде льда и горючее для ракетных двигателей – водород планируют получать путем электролиза воды. Это чрезвычайно затратно и долго. Имеется ли возможность получать водород за счет энергии ядерных взрывов? Да, есть такая возможность – это реакции воды и раскаленного железа и других продуктов термолиза базальта.

В кавернах ядерных взрывов, создаваемых по схеме Эрике, оксиды, образующие базальт, разлагаются на кислород и кремний, железо, алюминий, титан и пр. Первыми двумя взрывами, приводящими к разложению оксидов горной породы после откачки кислорода, в недрах Луны создается зона, в которой концентрируются кремний и металлы. В эту зону, когда температура понизится и станет меньше 1000 ˚С, по скважинам подают воду. Это приводит к реакции между водяным паром – с одной стороны и железом, алюминием, кремнием – с другой стороны с образованием водорода.

На 1 тыс. т водорода в зону необходимо закачать 9 тыс. т воды. После откачки водорода в зоне снова появляются окислы кремния и металлов. Они образуются за счет 8 тыс. т кислорода, выделившегося из воды. Таким образом, среда зоны возвращается в первоначальное состояние – можно снова производить взрыв для термолиза породы и генерации кислорода. Следующим взрывом будет произведено 8 тыс. т кислорода, а после закачки воды – снова 1 тыс. т водорода.

Процесс генерации кислорода и водорода в одном месте может осуществляться практически неограниченно. Соответственно устраняется необходимость отведения территорий под новые площадки и расширения отчуждаемой территории. Лунные экологи должны быть довольны.

На Марсе применима такая же технология. Марс создает лучшие условия для ее реализации. Там много воды и есть углекислый газ в атмосфере – изобилие сырья. Можно использовать большие объемы воды. При закачивании 100 тыс. т воды во взрывную каверну с раздробленной раскаленной раскисленной породой создается 12,5 тыс. т водорода. При соединении водорода с атмосферным углекислым газом колонисты получат 50 тыс. т метана. Вероятно, практично будет закачивать тот же углекислый газ в каверну с водородом и хранить в ней синтезированный метан.

Можно и без взрывов

Сегодня трудно прогнозировать политические решения России и США по поводу производства ракетного топлива при помощи ядерной взрывной технологии. Не исключено, что для перестройки политического мышления потребуются какие-то промежуточные успехи ядерной технологии невзрывного типа.

На рис. 2 показана возможная схема применения мобильных высокотемпературных малогабаритных реакторов в составе луноходов и марсоходов для извлечения из реголита кислорода и водорода. Это реакторы с металлическим теплоносителем, например свинцовым. Имеющиеся разработки обеспечивают необходимые температуры и длительный ресурс работы. При полезной тепловой мощности 200 МВт самоходные аппараты за год проведут тепловую обработку до 6 млн т реголита. В лунном и марсианском реголите высокое содержание закиси железа (FeO) – до 17%. Из каждой тонны реголита можно извлечь до 37,5 кг кислорода, а при подаче водяного пара дополнительно извлечь 4,7 кг водорода. Годовой объем производства – 224 тыс. т кислорода и 28 тыс. т водорода.

Имеются и более радикальные средства для выделения кислорода из реголита. На рис. 3 показана ядерная станция термолиза оксидов реголита и других продуктов. Для сравнения показана термоядерная взрывная теплоэлектростанция, которая разработана группой ученых атомщиков России.

Работа станции термолиза может осуществляться за счет использования различного типа ядерных реакторов. Могут использоваться как типовые твердофазные, так и более экзотические реакторы – жидкофазные и газофазные. Принцип работы – подача реголита в горячий газовый поток (ксенон, криптон, неон, аргон), исходящий из ядерного реактора, для термолиза части оксидов. Рекомбинация предотвращается закалкой газовой смеси – впрыском холодного нейтрального газа.

Газ из жидкофазного (и газофазного) реактора может использоваться для непрямого извлечения кислорода. Первая стадия процесса – извлечение кислорода путем фторирования (или хлорирования) нагретого реголита. Это делается в отдельном устройстве. Фтор вступает в реакцию с оксидами и вытесняет кислород. Кислород накапливается, а фториды поступают на обработку – извлечение фтора. Например, это делается посредством растворения фторидов в калии. На выходе образуются фторид калия и чистые кремний, железо, алюминий, титан и т.д. А вот уже фторид калия поступает на переработку в станцию ядерного термолиза. В этом варианте возможно включение в конструкцию МГД-генератора – наличие в плазме щелочного металла калия позволяет это сделать. Тогда смесь из благородных газов, фтора и паров калия будет эффективно сепарироваться в МГД-генераторе. Потоки калия и фтора разделяются и направляются в разные трубопроводы для последующей утилизации.

Термоядерная взрывная теплоэлектростанция – это полуконвенциальное средство производства энергии на Луне. У этого проекта большое будущее на Луне и в глубоком космосе, особенно за пределами орбиты Марса. Здесь солнечные батареи непрактичны – малая концентрация света. Нужны ядерные реакторы, но разведанных запасов урана здесь нет. А взрывные реакторы – это супербридеры, реакторы-размножители ядерного топлива. Однако из-за высокой стоимости массивной конструкции первые ее варианты должны быть миниатюризированы. Вместо зарядов в несколько килотонн придется первоначально использовать маломощные заряды, например мощностью 0,01 кт (10 т).

Мировая космонавтика находится на распутье. Ее ядерное направление пока в плену у политиков. Страхи из прошлого века без учета новых реалий сдерживают прогресс юридическими путами. Россия сделала шаг в правильном направлении – отозвала ратификацию ДВЗЯИ. Но продолжает по инерции следовать старым курсом. Не видно явного прогресса в наверстывании отставания в разработке и использовании супертяжелых многоразовых ракет.

Взрывные ядерные технологии – это шанс совершить рывок в новой космической гонке и обогнать нынешних лидеров даже при отсутствии супертяжелых ракет. А в новом мире практически неисчерпаемых внеземных ресурсов сегодняшние конкуренты станут партнерами. 

Продолжение темы в следующем выпуске «НГ-науки»