Įsivaizduokite nuolatinę, nuo Saulės nepriklausomą bazę Mėnulyje. Tai jau nebėra vien tik mokslinė fantastika, o vis aiškiau apibrėžtas vienos galingiausių pasaulio kosmoso agentūrų tikslas. Amerikos „NASA“ turi konkretų planą iki šio dešimtmečio pabaigos Sidabriniame Globulyje įrengti veikiantį energijos šaltinį, galintį iš esmės pakeisti kosminės energetikos taisykles. Tai – branduolinis reaktorius.
Toks projektas yra kur kas daugiau nei technologinė įdomybė. Jis yra pagrindinis strategijos elementas, siekiant sudaryti sąlygas ilgalaikei, o gal net nuolatinei žmonių buveinei už Žemės ribų. Be stabilaus ir didelio galingumo energijos šaltinio svajonės apie mėnulio kolonijas ar pilotuojamas misijas į Marsą liks gražiomis, bet sunkiai įgyvendinamomis vizijomis.
Energetika mėnulio bazėms: 500 kilovatų reaktorius
Dabartinės kosminės misijos, tokios kaip „Voyager“ zondai ar marsaeigiai, energiją gauna iš radioizotopinių termoelektrinių generatorių (RTG). Jie gamina elektrą iš skilimo proceso plutonyje-238, tačiau jų galia labai ribota – paprastai tai vos keli ar kelios dešimtys vatų.
Planuojamas „NASA“ reaktorius turėtų generuoti apie 500 kilovatų elektros energijos, t. y. užtikrinti tūkstančius kartų didesnį efektyvumą. Tokia galia leistų nuolat maitinti energija gyvenamuosius modulius, sudėtingą mokslinę įrangą, gyvybės palaikymo ir ryšių sistemas, o taip pat pirmines gavybos bei perdirbimo operacijas, kurios laikomos būsimos kosminės ekonomikos pagrindu.
Palyginimui, Tarptautinė kosminė stotis, naudodama didžiulius saulės baterijų masyvus Žemės orbitoje, generuoja apie 120 kilovatų energijos. Mėnulyje planuojamo branduolinio reaktoriaus galia būtų kelis kartus didesnė.
Sebastianas Corbisiero iš „Idaho National Laboratory“ pabrėžia, kad branduolinė energetika yra iš esmės vienintelė reali galimybė ten, kur nėra patikimo saulės šviesos šaltinio – pavyzdžiui, amžinai užtemdytuose Mėnulio polių krateriuose arba misijose į išorines Saulės sistemos sritis, kur Saulės spinduliai per silpni. Branduolio skaldymo reaktoriai suteikia šansą į kokybinį šuolį, kai kosmose pasiekiamas energijos kiekis būtų nepalyginamai didesnis. Be tokio šuolio ambicingesni projektai tiesiog neįmanomi.
Trys keliai į kosminę energetinę lyderystę
„Idaho National Laboratory“ ekspertai parengė ataskaitą, kurioje nagrinėjami trys galimi šios technologijos plėtros scenarijai.
Drąsiausias variantas, pavadintas „Go Big or Go Home“, siūlo iš karto siekti galingos sistemos, galinčios tiekti 100–500 kilovatų energijos. Tokiai programai vadovautų „NASA“ arba Gynybos departamentas, o mokslinę ir technologinę paramą teiktų Energetikos departamentas.
Antrasis scenarijus – „Chessmaster’s Gambit“ – sudėtingesnis ir remiasi viešojo bei privataus sektoriaus partneryste. Jis numato dviejų lygiagrečių, mažesnių nei 100 kilovatų galios sistemų kūrimą. Vieną jų, „NASA“ globojamą, būtų galima naudoti Mėnulio orbitoje ar paviršiuje įrengtiems objektams aprūpinti energija. Antrasis, Gynybos departamento valdomas, būtų skirtas kosminėms – galbūt ir karinio pobūdžio – reikmėms.
Trečiasis, atsargiausias kelias „Light the Path“ orientuotas į mažą, demonstracinę sistemą, kuri generuotų mažiau nei 1 kilovatą galios. Nors praktiškai tokios sistemos nauda būtų ribota, ji leistų sukurti teisinę ir saugumo reglamentavimo bazę, taip pat ištobulinti pagrindinius technologinius sprendimus didesniems projektams. Vis dėlto ataskaitos autoriai pabrėžia, kad tik peržengus šimtų kilovatų ribą Jungtinės Valstijos galėtų iš tikrųjų užimti lyderio pozicijas šioje strategiškai svarbioje srityje.
Ekstremalūs iššūkiai: kaip sukurti reaktorių kosmosui
Perkelti branduolinę technologiją į kosmosą – tai ne paprastas žemėje veikiančios elektrinės „supakavimas“ į raketą. Tokio reaktoriaus projektavimas yra nauja, itin sudėtinga inžinerinių uždavinių klasė.
Pirmiausia, kiekvienas gramas turi milžinišką kainą, nes viską reikia iškelti iš Žemės gravitacinio lauko. Todėl konstrukcija turi būti maksimaliai lengva, tačiau tuo pačiu pakankamai tvirta, kad atlaikytų palydovinės raketos vibracijas ir apkrovas starto metu.
Įprasti žemiški sprendimai netinka. Vandens kaip aušinimo skysčio atsisakoma – jam reikėtų sunkių, storasienių slėginių talpyklų. Dėl to kuriamos aukštatemperatūrės sistemos, naudojančios, pavyzdžiui, skystuosius metalus ar dujas. Tokie sprendimai leidžia pasiekti didelę galią, išlaikant palyginti mažą masę.
Visa sistema turi veikti visiškai autonomiškai ir be priežiūros bent 10 metų. Tuo metu žemės elektros energijos reaktoriams būtini reguliarūs remontai ir kuro papildymas maždaug kas 18–24 mėnesius. Tokios priežiūros kosmose užtikrinti nepavyks, todėl tikimasi beveik „užmiršk ir naudok“ tipo sprendimo.
Reaktoriaus konstrukcija taip pat privalo atlaikyti itin atšiaurias sąlygas: didžiulius temperatūros svyravimus Mėnulyje (nuo daugiau kaip +100 °C dieną iki maždaug –150 °C naktį), nuolatinį kosminės spinduliuotės ir mikrometeoritų bombardavimą. Svarbiausia – absoliutus saugumas. Būtina suprojektuoti sistemą taip, kad avarijos raketos starto metu atveju reaktorius negalėtų netikėtai suveikti. Baigus tarnybą, jis negali sugrįžti į Žemės atmosferą ir tapti itin radioaktyviomis kosminėmis nuolaužomis.
„Idaho National Laboratory“ – kosminės branduolinės energetikos centras
Pagrindinį vaidmenį šiame projekte atlieka „Idaho National Laboratory“ (INL), veikianti kaip centrinė techninė bazė. Čia koordinuojamas daugelio JAV nacionalinių laboratorijų darbas, bandomos reaktorių koncepcijos ir tikrinamas branduolinis kuras.
INL turi unikalią infrastruktūrą, pavyzdžiui, bandymų kompleksą „Transient Reactor Test Facility“, kuriame tiriamas branduolinio kuro elgesys ekstremaliomis sąlygomis. Tai leidžia įvertinti, kaip būsimi kosminiai reaktoriai reaguotų į avarines situacijas, apkrovas ir temperatūrų šuolius.
Sebastianas Corbisiero iš INL pabrėžia, kad dabar esame ant potencialiai lūžinio momento slenksčio kosminės branduolinės energetikos istorijoje. Tai – projektas, galintis iš esmės pakeisti tai, kaip žmonija supranta ir planuoja kosmoso tyrinėjimą, pereinant nuo trumpų išvykų prie ilgalaikio buvimo už Žemės ribų.
Ar tikslas iki 2030-ųjų realus?
„NASA“ išsikeltas tikslas iki 2030 m. Mėnulyje įrengti veikiantį branduolinį reaktorių yra itin ambicingas. Tam reikalinga precedento neturinti skirtingų valstybinių agentūrų, mokslinių laboratorijų ir privačių bendrovių partnerystė.
Kosmoso užkariavimo istorija rodo, kad tokie grafikai dažnai nusikelia, ypač kai kalbama apie visiškai naujas, sudėtingas technologijas. Todėl, nepaisant didelio mokslo bendruomenės entuziazmo, vertėtų išlaikyti blaivų požiūrį.
Techniniai, logistiniai ir finansiniai iššūkiai yra milžiniški. Šio projekto sėkmė arba nesėkmė gali nulemti ne tik „Artemis“ mėnulio programos tempą, bet ir būsimą kosminės ekonomikos struktūrą. Jei reaktorių pavyks įgyvendinti, branduolinė energetika gali tapti pamatu, ant kurio statysime savo užžemines bazes ir kolonijas. Jei ne – dar ilgai liksime priklausomi nuo dabartinių, kur kas labiau apribotų technologijų.
Statymai šiame žaidime – itin dideli. Kosminės energetikos ateitis ir ilgalaikis žmonijos buvimas kosmose didele dalimi priklauso nuo to, ar pavyks įžiebti pirmąjį branduolinį „saulėlydžio“ šviesos šaltinį Mėnulio paviršiuje.
