W Rosji rozpoczął się rozwój megawatowej elektrowni jądrowej dla technologii kosmicznej nowej generacji. Zadanie powierzono Centrum Badawcze Keldysh. Anatolij KOROTEEV, dyrektor Centrum, prezes Rosyjskiej Akademii Kosmonautyki im. Ciołkowskiego, opowiada Interfax-AVN o znaczeniu tego projektu dla rosyjskiej kosmonautyki i jego znaczeniu, pisze Rewer.net.
- Anatolij Sazonovich, rozwój elektrowni jądrowej stał się celem priorytetowym, na osiągnięcie którego zostaną skoncentrowane znaczne środki. Czy to naprawdę projekt, od którego zależy przyszłość astronautyki?
- Dokładnie tak. Zobaczmy, co dzisiaj robi astronautyka. Zobaczymy takie obszary, jak komunikacja satelitarna, nawigacja kosmiczna o wysokiej precyzji, teledetekcja Ziemi – czyli wszystko, co wiąże się ze wsparciem informacji. Drugi kierunek to rozwiązywanie problemów związanych z poszerzaniem naszej wiedzy o kosmosie poza granice przestrzeni przyziemnej. Wreszcie kosmonautyka, zarówno w naszym kraju, jak iw innych krajach, pracuje nad rozwiązaniem pewnego zakresu zadań obronnych. Są to konwencjonalnie trzy zestawy zadań w dzisiejszych działaniach kosmicznych. Do ich rozwiązywania wykorzystywane są sprawdzone w czasie, sprawdzone systemy transportowe.
Jeśli spojrzymy na to, czego oczekujemy od astronautyki jutro, to wraz z poprawą zakresu zadań już rozwiązywanych, podnoszone są kwestie rozwoju technologii produkcji w kosmosie. Mówimy też o wyprawach na Księżyc i Marsa. I nie o wyprawach wizytowych, jaką była wyprawa amerykańska na Księżyc, ale o długim pobycie na innych planetach, aby można było poświęcić im wystarczająco dużo czasu.
Ponadto pojawiają się pytania o możliwe zasilanie Ziemi z kosmosu, o walkę z zagrożeniem asteroid-komety. Wszystkie te zadania mają zupełnie inny porządek niż dzisiejsze. Jeśli więc zastanowimy się, w jaki sposób ten kompleks zadań zapewnia struktura transportowo-energetyczna, zobaczymy, że istnieje poważna potrzeba zwiększenia dostaw energii do naszych statków kosmicznych i wydajności silników.
Mamy dziś nieekonomiczne pojazdy. Wyobraź sobie, że na każde 100 ton wylatujących z Ziemi w najlepszym przypadku 3% zamienia się w ładunek. To dotyczy wszystkich nowoczesnych rakiet. Wszystko inne jest wyrzucane jako spalone paliwo.
W przypadku zadań długofalowych niezwykle ważne jest, abyśmy poruszali się w przestrzeni wystarczająco ekonomicznie. Tutaj pojawia się pojęcie określonego ciągu, który charakteryzuje wydajność silnika. Jest to stosunek wytwarzanego ciągu do masowego zużycia paliwa. Jeśli weźmiemy pierwszą niemiecką rakietę FAU-2, jej ciąg właściwy w starych jednostkach miar wynosił 220 sekund. Obecnie najlepszy układ napędowy-energetyczny, wykorzystujący wodór z tlenem, daje określony ciąg do 450 sekund. Oznacza to, że 60-70 lat pracy najlepszych umysłów na świecie tylko dwukrotnie podniosło specyficzny ciąg tradycyjnych silników rakietowych.
Czy możliwe jest kilkukrotne zwiększenie tego wskaźnika lub o rzędy wielkości? Okazuje się, że jest. Na przykład, używając silników jądrowych, moglibyśmy zwiększyć ciąg właściwy do około 900 sekund, czyli jeszcze dwa razy. A używając zjonizowanego płynu roboczego do przyspieszania, mogłyby osiągnąć wartości 9000-10000 sekund, czyli 20-krotnie podnosić określony ciąg. I to zostało już częściowo osiągnięte dzisiaj: na satelitach przy niskim ciągu stosowane są silniki plazmowe, które dają określony ciąg rzędu 1600 sekund. Jednak takie urządzenia nadal potrzebują wystarczającej mocy elektrycznej. Jeśli nie weźmiesz pod uwagę całkowicie unikalnej konstrukcji - Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie poziom energii elektrycznej wynosi około 100 kW, to dziś najpotężniejsze satelity mają poziom zasilania elektrycznego tylko 20-30 kW. Bardzo trudno jest rozwiązać szereg zadań, jeśli pozostaniemy na tym poziomie.
- To znaczy, potrzebujesz skoku jakościowego?
- Tak. Dzisiejsza astronautyka przeżywa stan zbliżony do tego, w jakim znalazło się lotnictwo po II wojnie światowej, kiedy stało się jasne, że nie można już zwiększać prędkości za pomocą silników tłokowych, nie można poważnie zwiększyć zasięgu, a w ogóle mieć opłacalne ekonomicznie lotnictwo. Potem, jak pamiętacie, nastąpił skok w lotnictwie i przerzucono się z silników tłokowych na silniki odrzutowe. Mniej więcej taka sama sytuacja ma się obecnie w technologii kosmicznej. Brakuje nam doskonałości energetycznej, by stawić czoła poważnym wyzwaniom.
Nawiasem mówiąc, stało się jasne nie dzisiaj. Już w latach 60. i 70. zarówno w naszym kraju, jak iw Stanach Zjednoczonych rozpoczęto prace nad wykorzystaniem energii jądrowej w kosmosie. Początkowo postawiono zadanie stworzenia silników rakietowych, które zamiast energii chemicznej spalania paliwa i utleniacza, wykorzystywałyby podgrzanie wodoru do temperatury około 3000 stopni. Okazało się jednak, że taka bezpośrednia droga jest nadal nieskuteczna. Wysoki ciąg otrzymujemy przez krótki czas, ale jednocześnie wyrzucamy odrzutowiec, który w przypadku nieprawidłowej pracy reaktora może okazać się skażony radioaktywnie.
Mimo ogromnego nakładu pracy, jaki wykonano w latach 60. i 70. w ZSRR i USA, ani my, ani Amerykanie nie byliśmy w stanie stworzyć wtedy niezawodnych, pracujących silników. Udało się, ale niewiele, bo podgrzanie wodoru do 3000 tys. stopni w reaktorze jądrowym to poważne zadanie.
Podczas testów naziemnych silników pojawiły się również problemy środowiskowe, ponieważ radioaktywne odrzutowce zostały wyrzucone do atmosfery. W ZSRR prace te prowadzono na specjalnie przygotowanym do prób jądrowych poligonie Semipalatinsk, który pozostał w Kazachstanie.
A jednak, jeśli chodzi o wykorzystanie energii jądrowej do zasilania statków kosmicznych, ZSRR zrobił w tamtych latach bardzo poważny krok. Wyprodukowano 32 satelity. Dzięki wykorzystaniu energii jądrowej na urządzeniach udało się uzyskać moc elektryczną o rząd wielkości wyższą niż z energii słonecznej.
Następnie ZSRR i USA z różnych powodów wstrzymały tę pracę na jakiś czas. Dziś jest jasne, że trzeba je odnowić. Wydawało nam się jednak, że nierozsądne jest podejmowanie tak odważnych wznowień w celu stworzenia silnika jądrowego, który ma wspomniane wady, i zaproponowaliśmy zupełnie inne podejście.
- A jaka jest zasadnicza różnica między nowym podejściem?
„To podejście różniło się od starego w taki sam sposób, w jaki samochód hybrydowy różni się od samochodu konwencjonalnego. W konwencjonalnym samochodzie silnik obraca kołami, podczas gdy w samochodach hybrydowych z silnika wytwarzana jest energia elektryczna, która obraca kołami. Oznacza to, że powstaje rodzaj elektrowni pośredniej.
W ten sam sposób zaproponowaliśmy schemat, w którym reaktor kosmiczny nie ogrzewa wyrzucanego z niego strumienia, ale generuje energię elektryczną. Gorący gaz z reaktora napędza turbinę, turbina napędza generator elektryczny i sprężarkę, która w obiegu zamkniętym krąży płyn roboczy. Generator wytwarza energię elektryczną dla silnika plazmowego o ciągu 20 razy większym niż silniki chemiczne.
Jakie są główne zalety tego podejścia. Po pierwsze, nie ma potrzeby przeprowadzania testów w Semipalatinsk. Wszystkie testy możemy przeprowadzić na terenie Rosji bez angażowania się w długie, trudne negocjacje międzynarodowe dotyczące wykorzystania energii jądrowej poza granicami państwa. Po drugie, strumień opuszczający silnik nie będzie radioaktywny, ponieważ przez reaktor przepływa zupełnie inny płyn roboczy, który znajduje się w zamkniętej pętli. Ponadto w tym schemacie nie musimy podgrzewać wodoru, tutaj w reaktorze krąży obojętny płyn roboczy, który nagrzewa się do 1500 stopni. Poważnie upraszczamy nasze zadanie. Wreszcie, w końcu podniesiemy ciąg właściwy nie dwa razy, ale 20 razy w porównaniu z silnikami chemicznymi.
- Czy możesz podać czas realizacji projektu?
- Projekt obejmuje następujące etapy: w 2010 r. - rozpoczęcie prac; w 2012 r. - ukończenie projektu wstępnego i szczegółowego komputerowego modelowania przepływu pracy; w 2015 r. – stworzenie systemu napędowego energetyki jądrowej; w 2018 r. - stworzenie modułu transportowego wykorzystującego ten układ napędowy w celu przygotowania układu do lotu w tym samym roku.
Nawiasem mówiąc, faza modelowania komputerowego nie była wcześniej typowa dla tworzonych produktów technologii kosmicznych, ale dziś jest absolutnie niezbędna. Na przykładzie najnowszych silników, które zostały opracowane w Rosji, Francji i USA, stało się jasne, że klasyczna stara metoda, kiedy do testów wykonano dużą liczbę prototypów, jest przestarzała.
Dziś, gdy możliwości technologii komputerowej są bardzo wysokie, zwłaszcza w obliczu superkomputerów, możemy zapewnić fizyczne i matematyczne modelowanie procesów, stworzyć wirtualny silnik, zagrać w możliwe sytuacje, zobaczyć, gdzie są pułapki, a dopiero potem przejść do stworzyć silnik, jak mówią „w sprzęcie”.
Oto dobry przykład. Zapewne słyszeliście o silniku RD - 180 do rakiety Atlas stworzonej dla Amerykanów w Biurze Projektowym Energomash. Zamiast 25-30 egzemplarzy, które zwykle wydawano na testowanie silnika, zajęło to tylko 8, a RD-180 od razu wszedł do życia. Ponieważ programiści zadali sobie trud „odtworzenia” tego wszystkiego na komputerach.
- Jaka jest cena emisji?
- Dziś na cały projekt do 2018 roku zadeklarowano 17 miliardów rubli. Bezpośrednio na rok 2010 przydzielono 500 milionów rubli, w tym 430 milionów rubli - na Rosatom i 70 milionów rubli - na Roskosmos.
Oczywiście chcielibyśmy wierzyć, że jeśli kierownictwo kraju powie, że jest to obszar priorytetowy, a pieniądze zostały przyznane, to zostaną przekazane.
Deklarowana kwota jest mniejsza niż byśmy chcieli, ale myślę, że to wystarczy na najbliższe lata i za te pieniądze można wykonać duży zakres prac.
Nasz instytut został szefem elektrowni jądrowej, moduł transportowy najprawdopodobniej wykona Energia Rocket and Space Corporation.
Ogólnie rzecz biorąc, projekt opiera się na współpracy, składającej się głównie z przedsiębiorstw Rosatom, które powinny wyprodukować reaktor, oraz Roskosmos, które będą produkować turbosprężarki, generatory i same silniki.
Oczywiście praca będzie korzystać z podstaw naukowych powstałych w poprzednich latach. Na przykład rozwój reaktora opiera się na dużej liczbie decyzji, które wcześniej podjęto w odniesieniu do silnika jądrowego. Współpraca jest taka sama. To jest Podolski Instytut Badań Naukowych, Centrum Kurczatowa, Obniński Instytut Fizyki i Energetyki. Centrum Keldysha, Biuro Projektowe Inżynierii Chemicznej i Biuro Projektowe Woroneża Automatyki Chemicznej zrobiły wiele w zamkniętej pętli. W pełni wykorzystamy to doświadczenie przy tworzeniu turbosprężarki. Do generatora podłączamy Instytut Elektromechaniki, który ma doświadczenie w tworzeniu latających generatorów.
Jednym słowem jest spora podstawa, praca nie zaczyna się od zera.
- Czy Rosja może w tej pracy wyprzedzić inne kraje?
- Nie wykluczam tego. Miałem spotkanie z wiceszefem NASA, rozmawialiśmy o sprawach związanych z powrotem do prac nad energetyką jądrową w kosmosie, a on powiedział, że Amerykanie wykazują duże zainteresowanie tą kwestią. Jego zdaniem nie można wykluczyć możliwości przyspieszenia prac w tym kierunku na Zachodzie.
Nie wykluczam, że Chiny mogą odpowiedzieć aktywnymi działaniami z ich strony, więc musimy działać szybko. I to nie tylko po to, by wyprzedzić kogoś o pół kroku. Przede wszystkim musimy działać szybko, abyśmy w rodzącej się współpracy międzynarodowej, a de facto kształtującej się dzisiaj, wyglądali godni. Żeby nas tam zabrali, a nie wcielali się w ludzi, którzy powinni robić metalowe farmy, ale żeby stosunek do nas był taki, jak był np. w latach 90-tych. Następnie odtajniono duży zbiór prac dotyczących źródeł jądrowych w kosmosie. Kiedy prace te stały się znane Amerykanom, wystawili im bardzo wysokie oceny. Aż do momentu, w którym sporządzono z nami wspólne programy.
W zasadzie możliwe jest, że powstanie międzynarodowy program dla elektrowni jądrowej, podobny do trwającego programu współpracy w zakresie kontrolowanej syntezy termojądrowej.
- Anatolij Sazonovich, w 2011 roku świat będzie obchodził rocznicę pierwszego załogowego lotu w kosmos. To dobry powód, by przypomnieć o osiągnięciach naszego kraju w kosmosie.
- Myślę, że tak. W końcu nie był to tylko pierwszy załogowy lot w kosmos. Lot stał się możliwy dzięki rozwiązaniu bardzo szerokiego zakresu zagadnień naukowych, technicznych i medycznych. Po raz pierwszy człowiek poleciał w kosmos i wrócił na Ziemię, po raz pierwszy udowodniono, że system ochrony termicznej działa normalnie. Lot miał ogromny międzynarodowy wpływ. Nie zapominajmy, że od zakończenia najtrudniejszej dla kraju wojny minęło zaledwie 16 lat. A teraz okazało się, że kraj, który stracił ponad 20 milionów ludzi i doznał kolosalnych zniszczeń, jest w stanie nie tylko zrobić coś na najwyższym światowym poziomie, ale nawet na pewien czas prześcignąć cały świat. Była to niezwykle ważna demonstracja, która podniosła autorytet kraju i dumę ludzi.
W moim życiu były dwa wydarzenia o podobnej wadze. To Dzień Zwycięstwa i spotkanie Jurija Gagarina, które widziałem osobiście. 9 maja 1945 r. cała Moskwa, od Placu Czerwonego po przedmieścia, wyszła świętować na ulice. To był naprawdę spontaniczny impuls, a ten sam imponujący impuls miał miejsce w kwietniu 1961 roku, kiedy poleciał Gagarin.
Należy wzmocnić międzynarodowe znaczenie półwiecznej rocznicy pierwszego lotu. Należy podkreślić i przypomnieć społeczeństwu o roli naszego kraju w eksploracji kosmosu. Niestety w ciągu ostatnich 20 lat nie robimy tego zbyt często. Jeśli otworzysz internet, zobaczysz ogromną ilość materiałów związanych np. z amerykańską wyprawą na Księżyc, ale nie ma zbyt wiele materiałów związanych z lotem Gagarina. Jeśli rozmawiasz z obecnymi uczniami, nie wiem, czyje nazwisko znają lepiej, Armstrong czy Gagarin. Dlatego uważam za absolutnie słuszne podjęcie decyzji o uczczeniu 50. rocznicy pierwszego załogowego lotu kosmicznego na szczeblu państwowym i nadanie mu międzynarodowego brzmienia.
Rosyjska Akademia Kosmonautyki im. Ciołkowskiego wystawi na to wydarzenie medal, który zostanie przyznany osobom, które brały udział w pierwszym locie lub wniosły wystarczający wkład w rozwój astronautyki. Ponadto przygotowujemy się do zorganizowania dużej międzynarodowej konferencji, na której planowane jest omówienie z partnerami zagranicznymi i rosyjskimi tych cech załogowej eksploracji kosmosu, które są charakterystyczne dla obecnego etapu. Jest tu wiele trudnych pytań.
Jeśli dziś zatrzymamy setkę ludzi na ulicy i zapytamy, który z kosmonautów leci teraz w kosmos, nie daj Boże, jeśli odpowiedzą nam trzy lub cztery osoby, a ja nie jestem o tym przekonany. A jeśli zadamy pytanie, co robią astronauci na stacji, to jeszcze mniej. Myślę, że promocja prawdziwego życia w kosmosie, lotów załogowych jest niezwykle ważna i nie robi się tego wystarczająco dużo. W telewizji jest dużo głupich materiałów, kiedy ktoś spotkał się z kosmitami lub jak kosmici kogoś zabrali.
Powtarzam, pięćdziesiąta rocznica pierwszego załogowego lotu w kosmos to wydarzenie prawdziwie epokowe, musi być obchodzone w jak najbardziej godny sposób, zarówno w naszym kraju, jak i na arenie międzynarodowej. I oczywiście nasz instytut weźmie w tym bezpośredni udział, ten, kto był związany z tym lotem i brał w nim udział. Szereg naszych pracowników z tego okresu otrzymało nagrody państwowe w szczególności za rozwiązywanie problemów lotniczych. Na przykład zastępca dyrektora ówczesnego instytutu, akademik Georgy Pietrow, otrzymał tytuł Bohatera Pracy Socjalistycznej za opracowanie metod ochrony termicznej statku podczas schodzenia z orbity. Oczywiście postaramy się godnie uczcić to wydarzenie.
