Более того, чтобы радиатор отводил тепло от реактора, придётся держать нагретыми внешние стенки последнего, что, по сути, сделает весь реактор радиатором охлаждения. При этом лазерные установки тоже нуждаются в системе охлаждения, а их радиаторы будут находиться рядом с компактными и докрасна раскалёнными радиаторами питающих их реакторов. Мягко говоря, нестабильная система. Тут можно поступить, как с изотопными источниками энергии космических аппаратов, – разместить реактор, скажем, на километровой штанге, прокинуть по ней кабель (который, к слову, тоже потребуется охлаждать), но так мы только усложним систему и сделаем её дороже.
Солнечная же электростанция представляет собой модульную конструкцию, которая в сумме даёт те самые 10 МВт. Не развернулась или вышла из строя одна – просто отправляем новую на замену. Радиаторы охлаждения уже интегрированы в каждую солнечную батарею, так как обратная сторона каждого фотоэлемента активно излучает в ИК-диапазоне, охлаждая устройство.
Подводя промежуточный итог, можно сказать, что для орбитальных солнечных электростанций вполне вырисовывается неплохое будущее. Дело за развитием соответствующих технологий. Есть смысл кратко пройтись ещё по паре интересных технологий ближайшего будущего, которые определённо смогут найти своё место в деле освоения человеком космического пространства.
Энергия из дождя и воздуха
Не так давно был обнаружен микроорганизм, принадлежащий к семейству Geobacter. Он обладает способностью создавать проводящие электричество белковые нанопровода толщиной всего 7 микрометров (Yang Tan, 2016). Устройство, получившее название Air-gen, состоит из тонких плёнок, сотканных из этих нанопроводов и расположенных между двумя электродами, подвешенными в воздухе. Плёнка адсорбирует пары воды, которая присутствует в атмосфере. Благодаря градиенту влажности, создаваемому диффузией протонов в нанопроводах, между электродами генерируется ток. Буквально из воздуха и 24 часа в сутки!
Та самая анаэробная бактерия – Geobacter
Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с плотностью тока около 17 мА на 1 см2. Конечно, это совсем немного, но речь идёт об очень маленьком устройстве, способном вырабатывать ток даже в пустыне.
Одно из направлений, которое хотят развивать учёные, – создание систем для электропитания домов с помощью такой нанопроволоки. Для этого предполагается встраивать её в краску для стен.
У биопроволоки есть целый ряд особенностей. Её проводимость в 2 000 раз превышает естественную. При этом она вдвое тоньше – 1,2–2,5 нм (то есть в 60 000 раз тоньше человеческого волоса). Это позволяет плотнее упаковать в оборудовании наибольшее число данных биопроводов. Помимо прочего, бионити не содержат токсичных веществ и обладают высокой прочностью. Так, на разработку способа их разрушения у учёных ушло несколько месяцев.
А вот специалисты из Гонконга смогли усовершенствовать капельный электрогенератор, повысив и его КПД, и удельную мощность в тысячу раз. Они применили политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон) в качестве плёнки на электроде из оксида индия и олова, отвечающем за генерацию, хранение и индукцию заряда, что позволило обойти проблему низкой плотности получаемого заряда.
Четыре ряда по 100 светодиодных лампочек, зажигаемых падением всего одной капли воды с высоты 15 см
Это изобретение позволяет получать из падающей всего с 15-сантиметровой высоты одной капли воды напряжение свыше 140 В. А энергии этого падения, по заявлению учёных, хватает для питания 100 небольших светодиодных ламп (Kong, 2020).
В итоге мгновенная удельная мощность генератора достигает 50,1 В/м2, что в тысячи раз больше, чем у аналогов. Она повышается за счёт преобразования кинетической энергии самой воды, которая в данном случае и бесплатная, и возобновляемая.
Природа, как обычно, сама подсказывает нам наилучшие решения по использованию её ресурсов – нужно лишь внимательнее смотреть. Если только что описанные технологии сегодня находятся в откровенно зачаточном состоянии и непонятно, что с ними будет дальше, то наиболее очевидный источник энергии при освоении космоса – это ядерная реакция.
Уже сертифицирован проект первого малого ядерного реактора
Опять же многие наверняка подумали про токамаки. Да, это направление более или менее развивается. Однако слишком непонятно, когда ждать в нём прорыва и ждать ли вообще. А вот небольшие модульные реакторы с момента их появления преподносят как средство избежать многих проблем, из-за которых строительство крупных атомных станций было чрезвычайно дорогостоящим.
Одно из основных преимуществ мини-реакторов – их размеры. Такие реакторы можно будет собирать на центральном заводе и отправлять в место эксплуатации, вместо того чтобы создавать их на месте.
Кроме того, мини-реакторы структурированы таким образом, чтобы обеспечить пассивную безопасность, когда от оператора не потребуется никаких действий для остановки реактора в случае возникновения проблем.
Процесс сертификации реактора компании NuScale начался ещё в 2016 году. Спустя четыре года Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) одобрила его конструкцию в ходе оценки безопасности. В конце того же 2020 года компания NuScale опубликовала результаты исследования по оценке экономической эффективности одного модуля их ядерного мини-реактора. Согласно этим результатам, модуль способен генерировать 250 МВт тепла или 77 МВт электричества и почти 50 т водородного топлива в день.
© NuScale
В итоге NRC опубликовала на своем сайте документ, предписывающий выдать компании NuScale окончательное разрешение на производство модульных реакторов нового типа на территории США. Это уже седьмой тип реакторов, получивших такое одобрение.
Большинство малых модульных реакторов, в отличие от стандартных, используют в качестве топлива расплавы солей урана. У NuScale более консервативный подход: топливные стержни, кипящая вода, вращающая турбину генератора, и конвекционное охлаждение от внешнего источника воды. В случае неполадок стержни останавливают цепную реакцию деления с помощью резервного двигателя. А клапаны безопасно выводят воду через внешнюю оболочку, направляя жидкость в охлаждающий бассейн.
В NuScale разработали две версии модульного мини-реактора: на 50 и 60 МВт энергии соответственно. При этом каждый из реакторов располагается в стальном корпусе 23 м длиной/высотой и 4,5 м шириной.
Первые шаги по созданию портативного ядерного генератора для Земли и космоса
Сегодня, когда смотришь на очередной интересный стартап, перестаёт удивлять тот факт, что его основал один из бывших сотрудников SpaceX. Ведь компания собрала лучших специалистов для решения своих максимально амбициозных задач.
Так и в этот раз. Даг Бернауэр (Doug Bernauer), бывший инженер SpaceX, который в компании работал над проектом, основной задачей которого была разработка источника энергии, способного обеспечить ей наземные объекты, корабли для перелётов между Землёй и Марсом и, собственно, марсианскую колонию, решил создать собственную компанию по разработке генератора на основе ядерного реактора, размером со стандартный контейнер.
Прямо сейчас компания Radiant Nuclear, получив первое финансирование в размере 10 млн долларов, разрабатывает первый в мире портативный ядерный источник энергии с нулевым уровнем выбросов.
Согласно видеопрезентации реактор Kaleidos мощностью 1 МВт может покрыть потребности в электричестве тысячи домов на срок до 8 лет. Такой реактор позволит осваивать труднодоступные регионы, а также обеспечивать энергией те, которые сейчас в ней остро нуждаются. Опять же, как сказано в презентации, эта установка значительно безопаснее существующих атомных реакторов с водяным охлаждением.
В качестве одного из ноу-хау для охлаждения установки будут использовать гелий. В компании планируют создать в этом году первый гелиевый компрессор, задача которого – обеспечить постоянный приток гелия в реактор и отток из него (а также в другое оборудование) для охлаждения.
Гелий был выбран потому, что, будучи инертным газом, он индифферентен к радиоактивности. Поэтому идеально подходит для охлаждения такого реактора. В компании рассчитывают выйти на испытания полностью собранной установки уже через пять лет.
Всё хорошо, но, как всегда, есть пара вопросов
Во-первых, идея с гелием в качестве теплоносителя действительно интересная. Но он очень летучий и далеко не дешёвый. В обычных реакторах используют цикл от перегретого пара до воды, что тоже довольно эффективно. Так неужели в реакторе Kaleidos собираются сжижать гелий на другом конце цикла? Или же будут использовать гелий под высоким давлением?
В презентации ничего не сказано об экранировании, системах безопасности и топливе. А ведь ещё нужно электричество получать. То есть потребуются гелиевая турбина и генератор.
Заключение
Надо быть откровенными: мы не приспособлены ни для космоса, ни для других планет. Несмотря на это, дорога в космос очень маленькими шагами прокладывалась учёными, энтузиастами и, конечно же, писателями-фантастами уже не одну сотню лет.
Сегодня программы по освоению космоса требуют всё больше ресурсов, что стало не под силу отдельным странам, именно поэтому космосу суждено объединить человечество.
На сегодня мы уж смогли добиться того, о чём наши предки даже не мечтали: мы побывали на Луне, прикоснулись к различным космическим объектам, включая само светило, отправили автоматы на Марс, Венеру, к дальним планетам и даже за пределы Солнечной системы.
Вряд ли кто-то сможет объяснить, почему нас так тянет в космос, но мы поставили чёткую задачу сделать космос частью своего дома. Мы целенаправленно идём к тому, чтобы ближний космос уже в ближайшие десятилетия стал для нас обыденностью, а человечество в итоге стало мультипланетарным видом. Мы стремимся разгадать тайны Вселенной и покорить себе пространство-время.