За чистым топливом – на Уран

 

      Итак, мы вступили в третье тысячелетие. Каким он будет, двадцать первый век, открывающий это самое тысячелетие? Понятно, что прежде всего он будет веком прогресса, научных открытий и фантастических достижений. Но как будут развиваться основные, существующие сегодня, науки? Здесь есть много неясного. Умрет ли, к примеру, в нем космонавтика вовсе, оставив звездолеты лишь в качестве антуража компьютерных игр, или все-таки продолжит существование — наравне с Интернетом и клонированными овечками Долли?

      Главные проблемы, которые сейчас уже абсолютно очевидны, – это демография, энергетика в условиях истощения природных ресурсов (прежде всего – нефти и газа) и нарастающий глобальный экологический кризис. Поэтому давайте для начала посмотрим, хороша ли наша нынешняя глобальная энергетическая система? Какая энергетика была бы нам желательна? Какое топливо предпочтительно? Где его добывать? И самое главное: есть ли в нашем распоряжении технологии, позволяющие ответить на эти вызовы времени?

      Дмитрий Иванович Менделеев некогда выразил свое отношение к использованию нефти в качестве топлива исторической фразой: “Топить можно и ассигнациями”. С той поры минуло более века, однако человечество так и не поумнело. Сегодня более 85% электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях (ТЭС) в результате сжигания угля и углеводородов, то, что при этом мы “залезаем в карман к потомкам”, разбазаривая невосполнимые ресурсы, и при этом производим загрязнение окружающей среды, давно не является секретом. На долю атомных станций (АЭС) приходится 17% вырабатываемой электроэнергии. Что же касается столь любимых просвещенной публикой ГЭС (Днепрогэсов, Братской ГЭС и т.п.), то их вклад в общий энергетический поток составляет менее 5%; попросту говоря, в мировом энергобалансе они реальной роли не играют и играть никогда не будут.

      За последние 50 лет содержание в атмосфере углекислого газа (образующегося в результате сжигания на ТЭС углеводородного топлива) возросло на 50%, что привело к росту среднеземной температуры на 0,5 градуса; через 30 лет температура возрастет на градус, а к середине века – минимум на 2. Широкая публика обычно полагает, что дело сведется к таянию полярных ледников с последующим затоплением ряда крупных прибрежных городов (вроде Петербурга или Амстердама) со всеми их судоверфями и Эрмитажами; это, однако, сущие мелочи. Куда более серьезные события произойдут на малонаселенных территориях Сибири и Канады, где граница вечной мерзлоты отступит к северу на 600–1000 км. В результате в атмосферу перейдет огромное количество замороженного в этой самой вечной мерзлоте метана. Метан – парниковый газ, и начиная с этого момента самоподдерживающийся разогрев атмосферы станет необратимым. Таким образом, вариант развития мировой энергетики преимущественно за счет ТЭС в лучшем случае тупиковый (истощение мировых запасов нефти и газа – вещь общеизвестная), а в худшем – катастрофический.

      Что касается АЭС, то все отрицательные моменты “зеленые” разъяснили с исчерпывающей полнотой (заметно сгустив при этом краски, реального вреда биосфере планеты АЭС нанесли несравненно меньше, чем угольные ТЭС). Реальных проблем тут две: возможность аварии и захоронение радиоактивных отходов. Возможность безаварийной эксплуатации продемонстрирована, к примеру, Францией (где на АЭС производится более 70% электроэнергии), хотя “чернобыльский синдром” в общественном сознании теперь уже труднопреодолим.

      

Где же выход?

      Одним из наиболее очевидных источников энергии представляются термоядерные станции (ТЯЭС). В чем разница между АЭС и ТЯЭС? Образно говоря, АЭС – это управляемый (т.е. растянутый на годы) взрыв атомной бомбы, а ТЯЭС – тем же способом управляемая водородная бомба, в тысячи раз более мощная, чем атомная. Главная разница в том, что в АЭС “сгорают” радиоактивные металлы (уран и реже – плутоний), давая в итоге радиоактивную “золу”, а в ТЯЭС “гореть” будут иные вещества (дейтерий и гелий-3), “зола” которых не радиоактивна. Таким образом, главное преимущество термоядерной энергетики перед АЭС – низкий (или даже нулевой) уровень радиоактивности конструкции, плюс отсутствие радиоактивных отходов, плюс принципиальная невозможность несанкционированного взрыва (типа чернобыльского), то есть экологическая чистота.

      Проблема управляемого термоядерного синтеза оказалась гораздо сложнее, чем управляемая ядерная реакция в уране, однако принципиальные пути ее решения известны; более того, этот синтез уже реализован в лабораторных условиях (в Англии на установке типа “токамак” – “тороидальная камера с  магнитными катушками”, первые конструкции которой созданы в 60-е годы в СССР). До промышленного производства электроэнергии дело пока не дошло, однако то, что проблема эта будет решена в течение ближайшей пары десятилетий, сомнения не вызывает. Так что самое время уже сейчас подумать об обеспечении топливом грядущих ТЯЭС – главный источник экологически чистой электроэнергии ХХI века. Что же это за топливо?

      

Существует несколько различных типов термоядерных реакций

      Наиболее перспективна из них экологически чистая (“безнейтронная”) реакция, “топливом” для которой служит смесь дейтерия и гелия-3. Дейтерий – это так называемый тяжелый водород, входящий в состав обыкновенной воды в соотношении 1:10 000 (т.е. запасы его неисчерпаемы, а технология добычи путем банального электролиза освоена с довоенных времен). Проблема не в дейтерии, а в редком природном изотопе инертного газа гелия, называемом гелий-3. Для того чтобы дать столько энергии, сколько дает вся сегодняшняя энергосистема Земли, достаточно “сжигать” всего-навсего 300 тонн гелия-3 в год. К сожалению, на Земле гелий-3 практически отсутствует и добыча его не окупаема никакими энерговложениями; самое же главное то, что суммарного его запаса в земной атмосфере все равно хватит где-то на десяток лет – овчинка не стоит выделки. Где же его брать?

      Промышленные запасы гелия-3, удовлетворяющие запросам термоядерной энергетики, имеются по меньшей мере в двух местах, оба – в космосе. Во-первых, на Луне, во-вторых, в атмосферах так называемых внешних планет, из которых по ряду причин наиболее перспективен Уран.

      На Луне в составе поверхностного слоя лунного грунта – реголита – общий запас гелия-3 достаточно велик, он способен обеспечивать потребности термоядерной энергетики по меньшей мере сотни лет. Главная трудность в том, что содержание его в грунте крайне низко (1:100 млн.). Чтобы добыть потребные 300 тонн в год, необходимо переработать 30 млрд. тонн грунта, что превышает годовой объем всех горных работ на Земле; ясно, что это нереально.

      Как ни странно, лунный источник гелия-3 отнюдь не бесперспективен, если не пытаться обеспечивать с его помощью всю земную энергетику разом. Он вполне годится для обеспечения первого этапа отработки термоядерных технологий. Здесь потребность будет измеряться не сотнями тонн, а десятками килограммов, что вполне реализуемо уже на нынешнем уровне развития космических технологий (включая доставку к Земле). Однако для настоящей полномасштабной термоядерной энергетики единственно реальным источником гелия-3 остается атмосфера Урана.

      Холодная и плотная атмосфера Урана состоит в основном из водорода и гелия (примерно 70% и 30 % соответственно), в которой собственно гелий-3 составляет 1:3000 (что очень много, в тысячу раз больше, чем в лунном грунте).

      Добыча гелия-3 и доставка его к Земле должна вестись беспилотными одноразовыми космическими аппаратами (“танкерами”), электроядерный двигатель которых с мощностью 100 000 кВт работает в течение всего двустороннего полета. За 10 лет аппарат преодолеет трудно вообразимую дистанцию в 6 млрд. км. Заметим, что двигатель, способный преодолеть такое гигантское расстояние за приемлемое время (10 лет), может работать только на ядерной энергии, используя то же топливо, что и нынешние АЭС (в принципе можно лететь и на солнечных батареях, но тогда аппарат будет весить сотни тысяч тонн); более того, означенный двигатель является экологически очень “грязным”. Фокус, однако, в том, что запускается он с высокой околоземной орбиты и вся жизнь его проходит в космосе, так что никаких экологических проблем для населения Земли он не создает.

      Система бесперебойного снабжения наземных ТЯЭС с суммарной мощностью 3 млрд. кВт будет состоять из периодически (четырежды в год) запускаемых с околоземной орбиты “танкеров”. Запаса топлива аппарату хватит лишь в один конец: до цели он долетит с пустыми баками. Долетев до Урана и выйдя на орбиту, находящуюся в пределах атмосферы планеты, “танкер” начнет работать в режиме завода по разделению окружающей его атмосферы на компоненты: из сжиженного газа выделит товарный гелий-3 и водород, который используется как топливо для обратного полета; большая часть водорода и весь обычный гелий сбросятся за борт. Таким образом, обратная заправка (без которой задача возвращения нереализуема) оказывается фактически даровой. В результате полета на околоземную орбиту будет доставлено 70 тонн жидкого гелия-3; в каждый момент времени на трассе Земля – Уран будет находиться около 40 “танкеров”.

      Возникает естественный вопрос: в какой степени существующие на сегодня технологии могут обеспечить функционирование такой системы? Ответ: большая часть этих элементов имеется, как говорят, “в железе”, остальные – на уровне далеко продвинутых проектно-конструкторских разработок, частично доведенных до опытной стадии. Главная проблема тут – бортовая энергоустановка. К нынешнему моменту накоплен огромный положительный опыт создания и эксплуатации реакторов наземных АЭС с мощностью 4 млн. кВт при ресурсе до 30 лет; мощности реакторов атомных подводных лодок достигают 100 000 кВт при ресурсе в десятки лет, есть и отечественный опыт создания и эксплуатации уникальных малоразмерных ядерных установок для космических аппаратов с мощностями до 100 кВт; высокотемпературные реакторы для космических ядерных двигателей прошли испытания и в США, и в СССР. Что касается размеров запускаемого беспилотного аппарата (450 тонн, в том числе 200 тонн топлива), то он по порядку величины соответствует массе МКС (а в окончательном проекте масса МКС планируется еще большей); суммарный же годовой грузопоток на орбиту (1900 тонн) меньше, чем планируемый для стандартных программ (космическая связь, телевещание и т.п.). Подавляющее большинство элементов такого орбитального гелиево-водородного завода существует уже сегодня и благополучно действует в криогенной промышленности.

      

Ну, техника ладно, а как насчет экономики?

      Так сказать, “презренного металла”? Здесь наиболее показательны будут две цифры. Отпускная цена электроэнергии в мире составляет от 5 до 10 центов за кВт. ч. Из простейшей арифметики видно, что доставка с Урана гелия-3 будет оставаться рентабельной даже при цене 1 тонны в 10 млрд. долларов. Цена же выведения на орбиту одного подобного завода составляет 10 млн. долларов за тонну (кстати, такова сегодняшняя цена золота), а в ближайшей перспективе многоразовые носители снизят эту цену до 1 млн. долларов за тонну выводимого груза. И второе. Согласно расчетам, проделанным специалистами в области ядерной энергетики, для реализации схемы добычи гелия-3 с Луны (с учетом затрат на дополнительные эксперименты по управляемому термоядерному синтезу) потребное финансирование в виде затрат чистого рабочего времени миллиардного населения промышленно-развитых стран составит всего-навсего 40 секунд из 8-часового рабочего дня.

      Итак, человечество может в ближайшие лет 20–30 получить доступ к практически неисчерпаемому источнику экологически чистой энергии. Препятствия, конечно же, велики, но вполне преодолимы. Проблема не в технике и, как ни парадоксально, даже не в финансировании как таковом. Просто задача должна быть осознана не как очередной космический прожект. А как такой же элемент повседневной инфраструктуры – как металлургия, медицина или связь (в том числе космическая).

      Таким образом, похоже, что космонавтика в наступающем веке не прикажет долго жить и даже не сведется к одним лишь запускам спутников связи. Да, нас, кажется, не ждут никакие “следы на пыльных тропинках далеких планет”, равно как и “звездные войны”. И, похоже, космическая экспансия человечества пойдет по вполне уже апробированной некогда схеме, ведь каравеллы Колумба и Магеллана, если говорить честно, отплывали отнюдь не за знаниями, а за золотом и пряностями...

Юрий Еськов, к.т.н.,

член-корреспондент Академии космонавтики им. К. Э. Циолковского

"Российская газета", 11 апреля 2002 года