Из всех творений человека наши космические аппараты могут оказаться самыми долговечными. Некоторые из них останутся на орбите на миллионы лет, но их электрическое оборудование не проживет так долго.

Пройдут столетия, и наши марсоходы будут погребены глубоко в пыли. К тому времени многие спутники рухнут обратно на землю, сойдя с орбиты. Спутники GPS на дальних орбитах протянут дольше, но со временем даже самые стабильные орбиты будут искажены под влиянием Луны и Солнца.

Многие космические аппараты работают за счет солнечных панелей, другие за счет энергии радиоактивного распада.

Марсоход Curiosity, к примеру, использует энергию тепла, выделяемого кусочком плутония: этот радиоактивный материал находится в контейнере, закреплённом на вертикальном штоке.

На изображении у автора ошибочно указано неверное расположение куска плутония. Указатель направлен на UHF антенну

Curiosity мог бы получать электроэнергию в течение более чем ста лет. В конце концов напряжение станет слишком слабым для его работы, но скорее всего, другие детали машины износятся еще раньше. Итак, Curiosity выглядит многообещающе.

Выше представлен фрагмент из научпопа “А что, если?.. [Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы]”  Рэндалла Манро. После его прочтения меня заинтересовала тема питания марсоходов за счет энергии радиоактивного распада. Хочу предоставить возможность читателю погрузиться в этот вопрос вместе со мной.

"Любознательность"

Марсоход — планетоход, передвигающийся по поверхности Марса. Марсоходом, в отличие от лунохода, невозможно управлять дистанционно командами оператора, находящегося на Земле, в режиме реального времени из-за значительного запаздывания командных сигналов и сигналов от планетохода. Время запаздывания в зависимости от взаимного положения Земли и Марса составляет от 3 минут 6 секунд до 22 минут 17 секунд. Задержка возникает, поскольку радиосигналу вследствие конечности своей скорости распространения требуется время, чтобы дойти до Марса и от него - до Земли. Поэтому марсоходы способны некоторое время функционировать, в том числе передвигаться и выполнять исследования, автономно по заложенным в них программам, получая команды лишь время от времени.

Всего на Марсе работали шесть марсоходов для научных исследований. Три из них: "Curiosity", «Perseverance» и «Zhùrong» работают и в настоящее время. Нас интересует первый из списка.

Из статьи мне стало известно, что более 10 лет назад, а именно 6 августа 2012 года на Марсе совершил посадку марсоход, носящий название "Curiosity" — "Любознательность". С момента посадки он поднялся на высоту более 612 метров, достигая все более молодых скал, которые служат свидетельством того, как Марс превратился из влажной обитаемой планеты в холодную среду пустыни.

Некоторые другие достижения Curiosity:

  • Получено более 500000 изображений.

  • Вернул на Землю более 3102 гигабайт данных

  • Пробурено 35 проб и извлечено 6 образцов

  • Его результаты привели к более чем 883 научным статьям.

Главная миссия Curiosity– определить, были ли на Марсе условия для поддержания миниатюрных форм жизни, микробов.

Марсоход изучает горные породы, почву и пробы воздуха.Это устройство размером с автомобиль и высотой с баскетбольного игрока. Оно весит 899 килограмм. У Curiosity в разы больше, чем у его предшественников, научная нагрузка. Поэтому на нём гораздо более продвинутые приборы. Например, на борту имеется двухметровая "рука" для исследования поверхности Марса и использования разных инструментов, среди которых: камеры, спектрометры, детекторы радиации, экологические и атмосферные датчики и многое другое. 

С помощью детектора радиации было выяснено, что уровень радиации на планете превышает пределы, установленные NASA для своих астронавтов. С помощью данных Curiosity агентство сможет разработать миссии, безопасные для космонавтов.

В смежной статье разобран кейс использования специального прибора для подготовки образцов грунта. Также рекомендую просмотреть видео от NASA, в котором демонстрируется процесс посадки и изучения поверхности Марса. Mars Science Laboratory Curiosity Rover Animation

Кстати, самостоятельно подробно изучить устройство Curiosity и даже поуправлять им вы можете с помощью интерактивной платформы от NASA. Также с помощью своего мобильного устройства можно “поиграться” с 3D-моделью марсохода в дополненной реальности от Google.

Энергия

Вернёмся к изначальному вопросу. Для работы марсоходу требуется питание. Без энергии он не может двигаться, использовать свои научные инструменты или общаться с Землей. Curiosity несет на борту радиоизотопную энергетическую систему.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)

РИТЭГ — устройство, преобразующее тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество. 

РИТЭГ состоит из двух основных элементов: источника тепла, который содержит радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, которые преобразуют тепловую энергию распада плутония в электричество.

Термопары в РИТЭГе используют тепло от распада радиоактивного изотопа для нагрева горячей стороны термопары и холода пространства или планетарной атмосферы для получения низкой температуры на холодной стороне.

Устройство РИТЭГ

По сравнению с ядерными реакторами РИТЭГи значительно компактнее и проще конструктивно, что также обеспечивает значительно большую мобильность и оперативную гибкость, повышенную научную полезную нагрузку и исследование гораздо большего диапазона широты и высоты, чем это было возможно без использования данного источника энергии. Выходная мощность РИТЭГ весьма невелика и КПД небольшой. Зато в них нет движущихся частей и они не требуют обслуживания на протяжении всего срока службы, который может исчисляться десятилетиями.

Требования к характеристикам радиоизотопов, использующихся в РИТЭГах, к сожалению часто противоречивы. Для того чтобы достаточно долго поддерживать мощность для выполнения задачи период полураспада радиоизотопа должен быть достаточно велик. С другой стороны, у него должна быть достаточно высокая объёмная активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки. А это означает, что период полураспада у него не должен быть слишком мал, ибо удельная активность обратно пропорциональна периоду распада.Предпочтительным для радиоизотопной генерации энергии является альфа-излучение.Не последнюю роль в выборе радиоизотопа является его относительная дешевизна и простота его получения.

Плутоний-238

У 238Pu период полураспада 87.7 года (потеря мощности 0.78 % в год), удельная мощность для чистого изотопа 0.568 Вт/г и исключительно низкие уровни гамма- и нейтронного излучения. 238Pu имеет самые низкие требования к экранированию. Требуется менее 25 мм свинцового экранирования для блокирования излучения 238Pu. 238Pu стал наиболее широко используемым топливом для РИТЭГов, в форме оксида плутония (PuO2).

Впервые на марсоходе использовали не солнечные панели, а ядерный источник тепла. В Curiosity используется именно плутоний-238. Это наиболее подходящее топливо для работы, из-за вышеуказанных свойств. Однако плутоний-238 трудно получить. Далее информация из статьи The Age. Плутоний-238 использовался для получения изотопа 239, который применяется в ядерных зарядах. В 1960-х годах США и СССР охотились за плутонием-239. Они строили секретные реакторы для обогащения урана. Использовать плутоний-238 для космических кораблей догадались позже, отмечает автор.

США прекратили производить плутоний в конце 1980-х годов, когда стало ясно, что обе стороны накопили достаточное количество боеголовок, чтобы уничтожить цивилизацию. Сначала NASA использовало остатки запасов, однако вскоре они иссякли. Тогда агентство обратилось к России. В 1992 году Соединенные Штаты подписали с Россией договор о закупке плутония-238 для своих космических программ. Первая партия с российской установки пришла после соглашения, и с тех пор NASA получило от 30 до 40 кг плутония. И как результат – 4.8 кг лучшего сталинского(бедные съеденные дети…) плутония-238 отправились на Марс на спине Curiosity. Радиоактивный элемент постепенно теряет мощность, но период полураспада у него 88 лет, так что, если все пойдёт по плану (как Летов завещал), несколько десятков лет марсоход сможет проработать.

С устройством РИТЭГа рекомендую ознакомиться подробнее в видео. 

Плутониевый РИТЭГ, специально созданный для NASA национальными лабораториями Министерства энергетики США
Расположение РИТЭГ на борту Curiosity

Что еще российского производства помогло NASA в миссии? 

В 2012 Curiosity успешно протестировал детектор ДАН ("Динамическое альбедо нейтронов"). Прибор разработан в Институте космических исследований РАН. Принцип работы ДАН основан на методах ядерной физики. Прибор генерирует короткие (длительностью порядка 1 мкс), но мощные импульсы нейтронов. За один импульс испускается до 10 миллионов частиц с энергией 14 МэВ. Испущенные нейтроны проникают в грунт Марса, где взаимодействуют с ядрами основных породообразующих элементов. С помощью этого прибора можно определять содержание воды в минералах на поверхности Марса.

Также на ракете Atlas, которая отправила ровер к Марсу, стоят в том числе российские двигатели. Запуск был произведен с мыса Канаверал во Флориде с помощью ракеты-носителя "Atlas V".

К декабрю 2015 года Окриджская национальная лаборатория наработала первый за последние 30 лет плутоний-238 в США. 

Уже в марте 2018 США наладили производство плутония-238 в достаточных для межпланетных миссий объемах, заявил директор Отдела по изучению планет NASA Джим Грин на 49-й Лунной и планетарной научной конференции.

Что в итоге?

В результате целенаправленного уничтожения передовых разработок в космической отрасли(да и не только тут…) Россия находится вне первенства по освоению космоса и разработках связанных с этим. Мало того, участие в миссии с марсоходом Curiosity было одним из последних вкладов в развитие международных космических проектов. Почему же так случилось? Да, всё довольно закономерно. Пока правящие круги вместо стимуляции развития научных проектов, высокотехнологичных производств продавали на Запад остатки ресурсов, доставшихся от ранее успешного в этой сфере советского государства, иные государства пользовались возможностью приобрести данные товары с дисконтом и применяли их во благо развития своих отраслей. 

И напоследок, перед тем как мы рассмотрим один показательный пример, хочу выразить благодарность всем кто прочитал данный пост, буду крайне признателен каждому, кто оставит рекомендации или поделится своим мнением в комментариях.

Ключевые события в истории советской космической программы: