Прошло более 40 лет после запуска первого искусственного спутника Земли, и теперь даже у закоренелого скептика не возникает вопрос - что дает человеку космос? Это телевизионная и компьютерная связь, геологоразведка и картография. Без материалов, выращиваемых на орбитах, сейчас трудно представить самые совершенные электронные приборы и многое другое. Но сегодня стоит вопрос, как справиться с грозящим планете энергетическим голодом? Уверены, космос может помочь и в этом.

Ресурсы наиболее эффективного на Земле топлива - нефти и газа - весьма ограничены и способны обеспечить потребность человечества в течение всего нескольких десятков лет. Расширение же использования запасов угля чревато существенным ухудшением экологической ситуации. Гидроэлектростанции также всех проблем не решают.

Казалось бы, с открытием и обузданием цепной ядерной реакции и созданием на ее основе атомных электростанций проблема была решена, ибо в принципе они могут обеспечить человека любым количеством тепла и электроэнергии. Однако при реализации задуманного оказалось, что это далеко не безопасно. Во-первых, вокруг АЭС возникает радиоактивный фон, превышающий обычный от космического излучения. Во-вторых, велика вероятность аварий с серьезными последствиями (вспомните Чернобыль). И наконец, до сих пор не решена проблема хранения и утилизации радиоактивных отходов(*).

По мнению многих специалистов, решить вопрос позволит термоядерная энергия. Правда, поиск в данном направлении только начинается. Сейчас вплотную рассматривается возможность создания соответствующего реактора, использующего реакцию синтеза дейтерий-тритий [Д-Т] с выделением значительной энергии (17,6 МэВ). Однако и в этом варианте не избавиться от наведенной радиоактивности, возникающей из-за применения трития, и более того - одним из продуктов реакции являются нейтроны. Впрочем, избежать этой ситуации можно, если прибегнуть к термоядерной реакции с участием дейтерия и изотопа

--------------------------------------------------------------------------------
* См.: В. И. Субботин. Атомная энергетика: взгляд в будущее через прошлое. - Наука в России N 6, 1996; N 1, 1997 (прим. ред.).
--------------------------------------------------------------------------------

Добывающий/транспортирующий космический комплекс для добычи 3He на астероидах: 1 - термоэмиссионный реактор; 2 - радиационная защита; 3 - холодильник-излучатель; 4 - преобразователь напряжения; 5 - электрореактивная двигательная установка; 6 - первый стыковочный узел; 7 - технологический модуль; 8 - холодильная машина; 9 - хранилище жидкого гелия-3; 10 - третий стыковочный узел; 11 - система разделения изотопов гелия; 12 - модуль извлечения гелия-3; 13 - модуль переработки грунта; 14 - второй стыковочный узел; 15 - модуль причаливания.

гелия с атомным весом, равным 3 (3Не). В результате образуются альфа- частица и протон с суммарным выделением энергии в 18,3 МэВ. А поскольку тогда количество нейтронов и радиоактивного трития - они рождаются при реакции, которой никак избежать нельзя [Д-Д] - значительно ниже, чем в предыдущем варианте, то, очевидно, целесообразно будущие термоядерные реакторы строить именно по такому принципу

Однако есть одно "но". Оказывается, для реализации задуманного необходимого изотопа гелия на Земле крайне мало. По предварительным оценкам, его общая масса колеблется около 50 т, и притом она рассеяна. И взоры ученых обратились к космосу.

Впервые идею добычи этого термоядерного топлива на Луне высказали отечественные и американские специалисты в 1987 г. Ее авторы, исследуя лунный грунт, оценили запасы гелия на нашем спутнике в пределах 1 млн. т. А учитывая, что теплотворная способность 1 т 3Не эквивалентна 10 млн. т угля, целесообразность использования топлива космического происхождения сомнений не вызывала. Прогноз его годовой потребности показал: для замещения, скажем, всей ядерной электроэнергетики гелия потребуется не более 25 т.

Однако разработанная концепция добычи гелия на Луне была ориентирована на земную технологию, разумеется, с поправкой на разницу в гравитации и безвоздушное пространство. Значит, для реализации идеи следует создать добывающий комплекс, выполняющий вместе с тем транспортировку и загрузку фунта к технологической установке; извлечение из него газовой смеси; выделение из последней 3Не и его сжижение. Кроме того, потребуется несколько других транспортных систем для доставки к месту добычи и развертывания самого комплекса, подвоза контейнеров со сжиженным гелием к космическому кораблю. Для функционирования всех перечисленных агрегатов необходима мощная ядерная установка, обеспечивающая бесперебойное энергоснабжение в течение длительных лунных суток. Выходит, должна быть разработана обитаемая лунная база со всеми системами жизнеобеспечения и т.д. (словом - Донбасс на Луне), что, конечно, в обозримом будущем просто невозможно.

Итак, Луна, как кандидат в "поставщики" гелия, отпала и, казалось бы, ученые зашли в тупик. Но в 1994г. один из авторов данной статьи высказал совсем фантастическую идею: а нельзя ли добывать гелий на астероидах? К этому предложению уже созревала "транспортная основа" - ядерный электрореактивный двигатель, разрабатываемый в Ракетно-космической корпорации "Энергия".

Это направление изысканий было поддержано Министерством науки и технологий РФ и Государственной научно-технической программой на 1994- 1997 гг. "Фундаментальные космические исследования". Была предусмотрена тема - "Исследование технического облика (и его развитие) ядерного электрореактивного двигателя для добычи и доставки к Земле экологически чистого термоядерного топлива 3Не".

Работу поручили нашей организации, обладающей значительным научным потенциалом и опытом в данном направлении. Для начала нужно было решить ряд принципиальных вопросов. Во-первых, определить, каково содержание гелия на астероидах. Здесь очень выручили привлеченные к работе ученые Института геохимии им. В. И. Вернадского РАН. Исследуя метеоритное вещество и применяя ряд других технических методов, они определили: содержание 3Не в породах предполагаемых "шахт" возможно в пределах 25 кг/км2.

Второй важный вопрос: как доставить добывающий комплекс к месту назначения? Его решали сотрудники Московского авиационного института, рассмотревшие механику полета к телам Солнечной системы с двигателями малой тяги (ее величина составляет 1/10000 земного веса космического корабля) на примере полета к астероиду Фортуна. Последний, кстати, был выбран не случайно, ибо предварительные расчеты показали: среди объектов для добычи гелия наиболее подходят те, поперечники которых лежат в пределах от 50 до 200 км.

Малая гравитация астероидов не требует большой энергии при причаливании, да и добывающий комплекс в этом случае значительно проще лунного. Поэтому полностью собрать таковой можно на околоземной орбите. Затем его доставляют к цели с использованием ядерной электрореактивной двигательной установки, получающей питание от единой для всего добывающего комплекса энергетической системы.

Далее мы стали рассматривать технологическую сторону вопроса: структуру транспортирующего/добывающего комплекса; описание основных технологических процессов и оборудования для их выполнения.

Сначала его по частям, с помощью традиционных ракет-носителей, доставляют на монтажно-стартовую радиационно-безопасную орбиту высотой примерно 800 км над поверхностью нашей планеты. Затем комплекс монтируют и он начинает выполнять заданную программу в автоматическом режиме или по командам с Земли. Что же представляет собой это новое детище отечественной космонавтики, с помощью которого должен осуществляться полет Земля - Фортуна?

Агрегат состоит из двух частей: ядерной энергетической установки (ЯЭУ) (впоследствии она же обеспечивает энергией весь процесс добычи гелия) и электрореактивного двигателя с запасом горючего. В качестве первой составляющей мы предлагаем использовать разрабатываемые в нашей стране термоэмиссионные ядерные установки (космические атомные электростанции), прообразом которых были ЯЭУ "Топаз" (они прошли испытания в 1987 г. на спутниках "Космос-1818" и "Космос-1867"), только существенно более высокой мощности.

Сердце агрегата - термоэмиссионный реактор-преобразователь на быстрых нейтронах. В нем за счет деления ядер урана-235 выделяется тепловая энергия, преобразующаяся в электрическую. Здесь нет привычных турбин и генератора, а все действие происходит в термоэмиссионных преобразователях. Изготовленные из тугоплавких металлов (вольфрам, ниобий), они позволяют реализовать высокотемпературный термоядерный цикл (рабочие температуры устройства находятся в диапазоне 1700-1900 С), что обеспечивает их высокую эффективность в условиях космического пространства.

Установка имеет максимальные параметры: диаметр 6,92 м, длину 26 м при массе 15,5 т и вырабатываемой мощности 2,5 МВт. Мы предполагаем, что исправно служить она будет от 3 до 5 лет.

А как же работает двигатель с достаточно необычным названием - межорбитальный электрореактивный? Принцип его действия заключается в том, что поступающее в него топливо (в нашем случае, по-видимому, следует рассматривать инертный газ - аргон или щелочной металл - литий) ионизируется подаваемым от ЯЭУ электрическим током (здесь используется постоянный ток с напряжением от 220 до 1540 В), а образующаяся плазма ускоряется в электромагнитном поле, создаваемом специальными устройствами двигателя. Реактивный импульс от одного килограмма рабочего тела (топлива) в данном случае в десятки раз превышает аналогичную величину, присущую обычному ракетному двигателю, поэтому масса топлива в ядерной электрореактивной установке составляет всего 30-40% от общей, остальное - ее собственный вес и полезная нагрузка (в нашем случае - добывающий комплекс). Подобные двигатели уже применяют на космических аппаратах для корректировки полета, но в них источником энергии служат не ядерные установки, а солнечные батареи гораздо меньшей мощности.

После того, как добывающий/ транспортирующий комплекс (так мы назвали его) достигнет Фортуны, необходимо выбрать подходящую рабочую площадку Оптимальным представляется плоский рельеф либо слабоутопленная котловина площадью 6-7 км2 с локальными перепадами высот не более 3-4 м, обеспечивающая прямую видимость из центральной ее части. Поскольку для причаливания к астероиду нельзя использовать приемы, аналогичные при посадке на планеты земной группы, здесь требуется достигнуть уравнивания скоростей астероида и космического корабля, а затем с помощью якоря- пенетратора (это устройство входит на глубину от 1 до 2 м) закрепиться на поверхности.

Но вот цель полета достигнута, и с помощью обслуживающего модуля производится выгрузка добывающего оборудования, приведение его в рабочее состояние. Выбирая наиболее приемлемый способ добычи гелия, мы ориентировались на имеющиеся данные о структуре астероида и содержании на нем необходимого продукта. Оказалось, относительно богатая гелием порода находится в его приповерхностном слое на глубине до 2 м. Основная же часть вещества вообще углубилась всего на 1 мкм или адсорбирована на поверхности, состоящей из микрозерен или более крупных частиц. По своим свойствам поверхностный слой астероида представляет собой материал, сходный с лунным реголитом, средний размер частиц которого 1 мм, плотность породы приблизительно 3000 кг/м3. Исходя из этого, мы выбрали следующую концепцию добыта: породу, содержащую гелий, нагревают до температуры 700- 800 С, что позволяет газовой смеси (3Не + 4Не) легко десорбироваться, после чего ее направляют на изотопное разделение.

Реализовать такую технологию можно по-разному, но мы были связаны ограниченной мощностью энергоустановки. Учитывая все изложенное, бьио решено: производительность установки равняется 400-450 кг/с переработанной породы. Полная обработанная площадь поверхности астероида за год составит примерно 6 км2 при глубине в 1 м. Поскольку масса ежесекундно перерабатываемой породы достаточно большая, добывающий агрегат необходимо разделить на автономные модули, скажем на 12, производительностью до 40 кг/с каждый. А последующие этапы процесса (нагрев породы, сбор газовой смеси и разделение изотопов) станут производить в одном агрегате, расположенном на ЯЭУ.

В результате вырисовывается следующая конструкция добывающего модуля. В качестве грунтозаборного устройства предложена замкнутая цепь или металлическая лента, несущая на себе открывающиеся ковши; последние доставляют грунт к приемнику. Сама лента расположена на подвижной штанге, способной поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволит обработать всю поверхность вокруг причаленного комплекса.

Добывающий модуль представляет собой подвижную платформу, несущую блок нагрева попадающей в него породы. Отвод выделяющейся при этом газовой смеси производится по сильфонному(*) трубопроводу в модуль изотопного разделения.

По гибкому кабелю к добывающему модулю подается энергия, а его перемещение осуществляется шагающим механизмом, который, кроме прочего, фиксирует всю конструкцию относительно грунта в процессе работы.

Итак, газовая смесь со всех одновременно работающих добывающих агрегатов поступает в модуль, где она разделяется на нужный 3Не и побочный 4Не (кстати, последний можно использовать в качестве топлива при обратном перелете Фортуна - Земля). Рассматривая все известные способы такого процесса, мы остановились на схеме газодиффузного разделения. Прежде всего, он не зависит от давления и температуры газа, а эффективность его пропорциональна отношению атомных масс разделяемых компонентов. Далее. Используемые в нем так называемые "ядерные фильтры", изготовленные из полимерных материалов, обладают высокой проницаемостью и стойкостью в атмосфере гелия, что позволит снизить массу устройства и потери на прокачку газовой смеси. И наконец, процесс газовой диффузии обеспечивает высокую степень обогащения 3Не при малом числе ступеней обогатителя и обеднителя.

На последнем этапе всего процесса выделенный гелий сжижают, закачивают в капсулы и отправляют на Землю. Предполагается, что за год (а именно на такой срок рассчитана работа станции) будет добыто примерно 130 кт продукта, а этого достаточно для работы электростанции мощностью 1 ГВт в течение года.

Почти все компоненты рассматриваемой системы существуют в виде практически используемых прототипов, реализация же идеи в целом будет в значительной степени зависеть от прогресса в освоении управляемой термоядерной реакции и темпов развития космической техники.
--------------------------------------------------------------------------------
* Сильфон - тонкостенная (обычно металлическая) цилиндрическая оболочка с поперечной гофрированной боковой поверхностью (прим. ред.).