Изотоп космической экспансии

Уже за орбитой Юпитера солнечные батареи малоэффективны. На Марсе около четырех земных месяцев длится зима, температура может опускаться до -125 °C на экваторе и до -153 °C ночью на полюсах; поднятая бурями длительностью до 100 дней пыль оседает на солнечных панелях. На Луне каждые 14,5 земных суток наступает ночь с морозами до -170 °C, а глубокие кратеры вообще никогда не видят Солнца.

При этом Луна и Марс фигурируют в планах космических держав как объекты освоения, в рамках которого будут возводиться обитаемые базы. Строить и эксплуатировать их планируется, широко привлекая роботизированные системы. И все эти начинания потребуют надежного и автономного энергоснабжения.

Американский дальний космос
Идея космических источников энергии, не зависящих от Солнца, родилась в США, где в 1954 году развернулась программа SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power).

В рамках программы разрабатывался широкий спектр радиоизотопных источников тепла (РИТов) и радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов). В последних генерация основана на эффекте Зеебека, когда электродвижущая сила возникает в цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми поддерживаются при разной температуре. Цепочки таких проводников образуют термоэлектрический преобразователь (ТЭП), работающий за счет разницы температур между раскаленным из-за идущего в нем радиоактивного распада РИТом внутри РИТЭГа и холодом космоса.

Хотя в программе SNAP создавались РИТЭГи на ¹⁴⁴Ce, ²¹⁰Po, ⁹⁰Sr, ²⁴¹Am и ²⁴²Cm, стало понятно, что лучше всего для космоса подходит ²³⁸Pu. Это чистый α-излучатель с полураспадом 87,7 лет, что делает его удобным для длительных миссий. Для обращения с ним не нужна громоздкая защита от радиации. В этой связи интересна история именно таких РИТЭГов.

Не только для космоса
Технологией РИТЭГ с ²³⁸Pu сразу заинтересовались на американском флоте. В 1965−1970 годах General Atomics сделала более 30 РИТЭГов SNAP‑15A по 1,55 мВт (э). В отчетах указывалось, что они могут применяться для питания сенсоров, датчиков, микроэлектроники, радиомаяков и телеметрии, верификации напряжения, питания. Однако сведения об их применении в открытом доступе отсутствуют. Сегодня интерес к перспективным технологиям радиоизотопных генераторов электроэнергии проявляет Управление перспективных исследовательских проектов Минобороны США (DARPA).

К 1961 году в США был разработан первый РИТЭГ с металлическим ²³⁸Pu SNAP‑3B мощностью 2,7 Вт (э) с КПД около 6 %. Он и следующая модель — ​SNAP‑9A на 25 Вт (э) — ​были в 1961−1963 годах испытаны на семи околоземных навигационных спутниках Transit. Линейку продолжил РИТЭГ Transit RTG модульной конструкции, в которую были интегрированы солнечные батареи, на спутнике TRIAD‑01−1X в 1972 году.

В космосе случались аварии, но ни одной — ​по вине РИТЭГа. Однако в 1964 году спутник Transit 5BN‑3 разрушился вместе со SNAP‑9A, распылив около 1 кг ²³⁸Pu активностью порядка 6300 ГБк в атмосфере Южного полушария Земли. После этого с металлического ²³⁸Pu перешли на керамическую композицию PuO₂ (а впоследствии — ​на чистый PuO₂). РИТЭГи начали оснащать жаростойкой и ударопрочной оболочкой. Это принесло плоды: в 1968 году спутник Nimbus-­B‑1 разрушился из-за аварии ракеты-­носителя, и его SNAP‑19 упал в океан. Однако РИТ в нем не только уцелел и был поднят со дна, но даже был в 1969 году отправлен в космос повторно (в составе другого РИТЭГа, на спутнике Nimbus-­III).

Серия РИТЭГов модели ​SNAP‑19 мощностью 35−40,3 Вт (э) и с КПД 6,2 % стала значимой вехой. Ими (по четыре на аппарат) оснастили зонды Pioneer‑10 и Pioneer‑11 — ​первые, отправленные человеком к Юпитеру и Сатурну. В 1975 году по два SNAP‑19 были использованы на марсианских зондах Viking‑1,2. В этих ­РИТЭГах ²³⁸ Pu был уже в форме керамики на основе молибдена.

В 1969−1972 годах в рамках шести экспедиций корабли Apollo доставили 12 астронавтов на Луну. На кораблях, начиная с Apollo‑12, использовалась следующая модель РИТЭГа — ​SNAP‑27, где ²³⁸Pu был уже в форме чистого PuO₂.

РИТЭГи снабжали энергией аппаратуру для экспериментов на лунной поверхности, а РИТ для оснащения SNAP‑27 транспортировался в отдельной защитной капсуле на внешней поверхности посадочного модуля и устанавливался в РИТЭГ астронавтом вручную после посадки.

SNAP‑27 аварийной миссии Apollo‑13 вернулся в атмосферу Земли вместе с посадочным модулем корабля и упал в Тихий океан. По расчетам, целостность оболочки его РИТа сохранится 870 лет (то есть в течение 10 полураспадов ²³⁸Pu).

Самыми известными зондами с ­РИТЭГами стали Voyager‑1 и Voyager‑2, запущенные в 1977 году. Изначально предназначенные для исследования внешних планет, они в 2012 и 2018 годах вышли в межзвездное пространство, став первыми аппаратами, вышедшими за пределы гелиосферы. К 2025 году оба зонда в возрасте 48 лет, находясь соответственно более чем в 20 и 25 млрд км от Солнца и теряя ежегодно около 4 Вт (э) энергоснабжения, все еще остаются на связи. Продолжается последовательное отключение их аппаратуры, но ожидается, что зонды проработают до 2030‑х годов.

На борту Voyager‑1 и -2 стоят по три РИТЭГа Multi-­Hundred Watt Radioisotope Thermoelectric Generator (MHW-RTG). Каждый содержит по 24 сферы из PuO₂ суммарно с 4,5 кг ²³⁸Pu и изначально выдавал 157 Вт (э) при КПД около 6,5 %.

Обогрев в космосе
Применению РИТов на основе ²³⁸Pu для поддержания температурного режима аппаратуры старт дала также программа Apollo. В них сразу применили PuO₂.

Первые два таких РИТа на 15 Вт(т) были использованы в сейсмографическом комплекте, установленном на Луне экипажем Apollo‑11. Они при ночной температуре порядка –185 °C обогревали его до –54 °C.

На базе этих первых РИТов была разработана их версия на 1 Вт(т) для зондов Pioneer‑10, -11 и Viking‑1, -2, а после дальнейшей модификации изделие приобрело современный вид и название — ​Light Weight Radioisotope Heater Unit (LWRHU).

LWRHU применялись:

• на зонде Galileo к Юпитеру, его лунам и астероидам Гаспра и Ида в 1989 году;
• на орбитальном аппарате Cassini и его атмосферном зонде Huygens в миссии к Сатурну в 1997 году;
• на марсоходах Pathfinder в 1996–2003 годах, Spirit — ​в 2004–2010 годах и Opportunity — ​в 2004–2018 годах.

Сегодня LWRHU — ​это базовое изделие NASA, и его дальнейшее применение планируется без конструктивных изменений. В ближайших планах — ​использовать 40 таких РИТов на марсоходе Rosalind Franklin.

Был найден и иной способ обогрева. На запущенных в 2011 и 2020 годах марсоходах Curiosity и Perseveranceпроложены 60 метров каналов с теплоносителем. Он доставляет к различным узлам часть тепла, выделяемого РИТЭГом, вместо того чтобы просто рассеивать его в атмосферу. NASA планирует применить этот подход и на первом автономном аппарате подобного класса, который запустят к спутнику Сатурна Титану в 2028 году.

Современные американские РИТЭГи
Curiosity и Perseverance одновременно стали и первыми аппаратами, оснащенными РИТЭГами нового поколения Multi-­Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG).

Созданный в 2003 году Aerojet Rocketdyne и Teledyne Energy Systems MMRTG мощностью 110 Вт (э) с КПД около 5,5 % стал развитием SNAP‑19. Сейчас это базовый РИТЭГ для всех планетарных исследований NASA и фактически единственный, который производится в США серийно.

Ближайшее применение MMRTG планируется на Dragonfly — ​как и в марсоходах, он будет заряжать аккумуляторы. У MMRTG есть важная особенность — ​он предназначен только для работы в атмосфере. При этом для крайне холодной метановой оболочки Титана длину его оребрения пришлось уменьшить вдвое и снабдить РИТЭГ кожухом.

Новый стандартный РИТЭГ для открытого космоса в США начали разрабатывать еще в 1960‑х годах под обозначением GPHS-RTG. Его ключевым преимуществом, как и у MMRTG, стала высокая мощность — ​до 300 Вт(э). Прорывным решением в обоих устройствах стали РИТы из ²³⁸Pu типа General Purpose Heat Source (модуль GPHS). Это жаропрочный параллелепипед, внутри которого установлены четыре тепловых блока (ТБ), содержащих по 150 граммов PuO₂ в индивидуальной иридиевой оболочке и ударопрочной графитовой капсуле. Иридиевая оболочка снабжена фильтром, пропускающим наружу радиогенный гелий от распада ²³⁸Pu.

Эта конструкция РИТа стала базовой не только для всех радиоизотопных источников электроэнергии с ²³⁸Pu, которые США используют сегодня, но и для создаваемых на перспективу. За время своего существования она дважды модернизировалась.

GPHS-RTG был применен:

• на зонде Galileo к Юпитеру в 1989 году;
• на зонде Ulysses, исследовавшем Солнце с различных орбит в 1990 году;
• на зонде Cassini к Сатурну в 1997 году. (Совокупная мощность РИТЭГов (296, 294 и 298 Вт(э)) сделала данную миссию крупнейшим проектом энергообеспечения в космосе за счет них в истории.);
• на зонде New Horizons к Плутону и Поясу Койпера в 2006 году.

Не все гладко
Несмотря на масштаб применения РИТЭГов с ²³⁸Pu, программа их изготовления в США не избежала потрясений, затронувших производство GPHS-RTG.

До 1980‑х годов он изготавливался в RCA Princeton Laboratories, затем — ​в General Electric Valley Forge Space Center. Но в 1998 году производство GPHS-RTG там по коммерческим причинам было упразднено. При этом с 2006 года в США было ликвидировано и производство ряда его важных элементов. К тому же последняя модернизация модулей GPHS привела к увеличению их высоты, в результате чего в корпус GPHS-RTG теперь их помещается не 18, а только 16, с соответствующей 10 % потерей в тепловыделении.

В результате сейчас в распоряжении NASA фактически нет РИТЭГа для дальнего космоса. При этом миссии на каждое десятилетие утверждаются Конгрессом США, и среди них традиционно присутствуют полеты к периферии Солнечной системы, имеющие первостепенную значимость.

В этой связи в США еще в 2010 году на базе Центра космических исследований NASA им. Джона Х. Гленна (NASA GRC) создали единую Программу радиоизотопных источников энергии (Программа RPS) для координации всех научно-­технических усилий по направлению как РИТЭГов, так и перспективных радиоизотопных источников тепла и электроэнергии. Она сотрудничает с Лабораторией реактивного движения (JPL) и Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса (JHU/APL), а ее подрядчиками выступают Aerojet Rocketdyne, Sunpower Inc., American Superconductor (AMSC), Creare LLC и другие частные компании.

Совокупность накопившихся проблем потребовала создания на основе GPHS-RTG нового изделия с улучшенными характеристиками — ​Next-­Gen RTG. NASA предпочло хеджировать риски, разделив инициативу на три взаимосвязанные подпрограммы:

• Next-Gen RTG Mod-0 — ​ремонт последнего оставшегося GPHS-RTG, поврежденного в 2005 году при транспортировке, за счет запасов исторических комплектующих;
• Next-Gen RTG Mod-1 — ​изготовление к 2028 году первого РИТЭГа того же типа «с нуля» (в нем будут применены 16 современных модулей GPHS, а также кремний-­германиевые термопары ТЭП и теплоизоляция, изготовленные в США по воссозданной технологии);
• Next-Gen RTG Mod-2 — ​глубокая модернизация к началу 2030‑х годов GPHS-RTG, мощность которого требуется нарастить до 400−500 Вт (э) (JPL исследует новые полупроводники для ТЭП на основе теллурида лантана; ожидается, что они обеспечат КПД 10−14 %).

Смежное направление — ​инициативы по модернизации «атмосферного» MMRTG. Не все они были успешными. Потратив за восемь лет до $ 100 млн, NASA GRC вынужден был к 2023 году закрыть проект создания РИТЭГа eMMRTG. Перспективный материал для ТЭП Skutterudite на основе церия, железа и сурьмы не подтвердил ожиданий. Его сменил проект «форсированной» версии РИТЭГа с дополнительным комплектом старых ТЭП под обозначением cMMRTG.

Возникают в сфере РИТЭГов и новаторские идеи.

К примеру, в 2022 году Aerospace Cord совместно с JPL предложила РИТЭГ в виде малоразмерных модулей-­плиток со встроенными аккумуляторами. Ими можно «замостить» космический аппарат, сразу используя часть тепла для обогрева.

Подобные идеи поддерживаются NASA через систему грантов — ​компании было выделено $ 600 тыс. на ее дальнейшую проработку.

Другое решение предлагает Ultra Safe Nuclear (USNC) — ​РИТЭГ EmberPower с РИТом EmberCore. Она обещает универсальное модульное устройство, снаряжаемое различными радиоизотопами, в зависимости от стоящих перед ним задач. Ей NASA выделило в 2022 году аналогичный грант.

Будущее из позапрошлого века
Главный минус термоэлектрического преобразования — ​его от природы низкий КПД. Еще в конце прошлого века в США обратили внимание на ряд физических принципов, которые могли бы стать его альтернативой.

Первый из них — ​использование двигателя Стирлинга. Еще в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал вариант теплового двигателя внешнего сгорания, в котором механическая энергия получается за счет изменения давления при периодическом нагреве и охлаждении рабочего газа. Перемещаться внутри цилиндра и приводить в движение рабочий поршень ему помогают специальный вытеснитель и регенератор.

Все части такого двигателя можно объединить с линейным электрогенератором и собрать в компактное интегральное изделие — ​конвертер. Нужная ему разница температур создается контрастом жара от РИТа и космического холода. Путь к воплощению этой идеи открыло сочетание конвертеров на базе изобретенного в 1960‑х годах свободнопоршневого варианта двигателя Стирлинга со стандартными РИТами GPHS. В 1999 году Infinia Technology Corp. предложила первый подобный конвертер TDC массой 6 кг с КПД более 20 % и мощностью 10 Вт (э), а в 2001−2006 годах изготовила для NASA 18 его прототипов.

В 2000 году министерство энергетики США (DOE) инициировало разработку генератора SRG‑110 на 110 Вт (э), с парой TDC и двумя GPHS. Однако вскоре проект был закрыт.

Примерно в тот же период NASA заключило по этой теме около 10 контрактов с различными компаниями. Один достался Sunpower Inc., представившей конвертер ASC, принципиальным отличием которого от TDC было обеспечение бесконтактной работы подвижных узлов за счет гидростатического газового подшипника. В 2004−2005 годах для NASA изготовили насколько прототипов. А уже в 2006 году NASA и DOE развернули Интегрированный федеральный проект создания генератора ASRG с парой ASC и двумя GPHS.

В 2007 году инженерная модель ASRG была готова и отправилась на стендовые испытания, которые проводились в течение более чем 33 тыс. часов.

Но в 2013 году из-за сокращения бюджета проект свернули. Все его активы были перераспределены в NASA GRC и Sunpower Inc., где даже после этого продолжилось совершенствование технологии.

С 2007−2015 годов было изготовлено 37 прототипов ASC для различных испытаний.

К 2016 году в NASA GRC уточнили требования к новым генераторам: теперь их мощность должна была составлять 100−500 Вт (э), а КПД — ​20 %, оснащаться они должны были несколькими взаимно резервирующими конвертерами.

В 2017 году NASA GRC заключил шесть контрактов с подрядчиками, и к 2023 году они представили свои разработки. Sunpower Inc. предложила новую версию своего конвертера — ​SRSC. Infinia Technology Corp. представила развитие TDC — ​модель FISC, в которой, как и в более ранних, вместо гидростатического газового подшипника используется специальная плоская центрирующая пружина (flexture).

NASA принципиально важна долгосрочная надежность конвертеров. Их ресурсные испытания начались еще в 2000‑х годах. Несколько ранних конвертеров от Sunpower Inc. и Infinia Technology Corp. демонстрируют надежную работу уже более 15 лет. А один из них даже установил мировой рекорд по продолжительности непрерывной и необслуживаемой работы среди всех тепловых двигателей, известных человечеству. Почти такую же долговечность демонстрируют и несколько других ­конвертеров.

Одновременно в NASA GRC создаются и испытываются различные модели контроллеров для новых генераторов, задачи которых — ​обеспечить согласованную работу всех конвертеров и одновременно превращать вырабатываемый ими переменный ток в постоянный.

Системным интегратором по проектам генераторов с 2021 года выступает Aerojet Rocketdyne. В 2022 году было решено разрабатывать генератор на 293 Вт (э) с шестью GPHS и четырьмя парами SRSC. Три пары будут работать на сниженной мощности, четвертая — ​резерв. При ресурсе не менее 17 лет масса генератора должна составить около 112 кг, а КПД — ​19,5 %.

Протестировать генератор предполагается в начале 2030‑х годов на миниатюрном ровере, который должен 18 месяцев проработать в постоянно затененных областях Луны. Конструктивно он повторяет отмененный в 2025 году Viper, что, наряду с сокращением бюджета программы Artemis, вносит в планы некоторую неопределенность.

В США изучены многие концепции генераторов Стирлинга. Некоторые из них не получили развития, например, устройства с единственным конвертером и крупные модульные генераторы со слишком большим их количеством.

Другие же идеи остаются актуальными. Например, в апреле 2020 года Creare LLC представила микроконвертер MSC. В нем источником тепла служит миниатюрный РИТ из PuO₂. С КПД на уровне 20 % его мощность составит 1−5 Вт (э). При этом подвижен единственный элемент — ​поршень, одновременно выполняющий функции вытеснителя и магнитного сердечника линейного генератора.

Сила звука и света
В США изучают также ряд других альтернативных физических принципов преобразования; один из них — ​термоакустический. Еще в середине XIX века стеклодувы заметили, что, оказываясь на конце длинной трубки, раскаленная капля жидкого стекла заставляет ее гудеть. Это происходит, когда тепло подводится к газу в трубке на запаянном конце, где плотность газа велика, а отводится там, где она мала. Объединив этот эффект с двигателем Стирлинга, можно построить генератор без подвижных изнашивающихся частей — ​термоакустический двигатель Стирлинга.

К 2003 году Лос-­Аламосской национальной лаборатории (LANL) совместно с Northtrop Grumman удалось создать прототип такого генератора — ​Thermoacoustic Power Converter (TAPC). Он выдал 57 Вт (э) с КПД 17,8 %. TAPC рассчитан на применение модулей GPHS и, по крайней мере с 2016 года, находится под пристальным вниманием NASA.

Самый же очевидный, но отнюдь не самый простой принцип преобразования — ​фотовольтаика. Ведь РИТ из ²³⁸Pu раскаляется до свечения. Можно поймать этот свет, окружив РИТ высокоэффективными фотоэлементами. Их производство Boeing смогла наладить только в 1990‑х годах. По различным оценкам, КПД мог бы составить от 15,1 % до 26,8 % для двух GPHS.

NASA GRC в 2003 году заказало нескольким компаниям разработку проекта генератора, а также интерференционные фильтры для излучаемого РИТом света. Вскоре выяснилось, что с имевшимися на тот момент композициями фотовольтаических ячеек реальные значения КПД будут почти втрое меньше, но исследования продолжились. В результате к концу 2010‑х годов General Atomics при содействии DARPA разработала генератор на основе одного GPHS, который смог продемонстрировать в лаборатории КПД порядка 20 %. Данное направление в США считается перспективным, по нему активно работают многие технологические коллективы.

Но самое любопытное, что́ открылось ученым в процессе работы над фотовольтаикой, — ​это ранее неизвестный физический принцип преобразования тепла в электроэнергию. В 2015 году JHU/APL представила концепцию терморадиационной ячейки TRC. Идея в следующем: классическая фотовольтаическая ячейка — ​разновидность теплового двигателя, а значит, механизм ее действия обратим. И если обычно энергия поступает в ячейку в форме фотонов светового излучения, где частично преобразуется в электрический ток, а частично рассеивается вовне в форме тепла, то можно реализовать и другой процесс: энергия поступает в форме тепла, которое частично становится электричеством, а частично рассеивается вовне в виде инфракрасного излучения.

Идею подхватил Рочестерский технологический институт, предложив создать такую ячейку на основе тонких пленок, изготовленных по технологии послойного осаждения паров различных соединений. Было показано, что из гранул ²³⁸Pu, выделяющих 62,5 Вт (т), при температуре 600 К можно получить 8 Вт (э). В 2023 году NASA выделило проекту грант $ 600 тыс.

Китайский подход
Китай занялся созданием РИТЭГов еще в 1960‑х годах. К 1971 году был создан РИТЭГ на основе ²¹⁰Po, но реальный интерес к теме и к ²³⁸Pu появился только в 2000‑х годах. К 2006 году Китайский институт атомной энергии (CIAE) изготовил РИТ мощностью 5 Вт (т) с российским ²³⁸Pu. На его базе совместно с 18‑м Научно-­исследовательским институтом Китайской корпорации электронных технологий (CETC‑18) был изготовлен первый опытный китайский РИТЭГ с ²³⁸Pu на 260 мВт (э).

Первой китайской космической миссией с ²³⁸Pu стал в 2013 году лунный зонд «Чанъэ‑3». На нем стояли пять РИТов из ²³⁸Pu, опять же поставленного Россией. Три из них имели мощность 120 Вт (т) каждый, а еще два — ​8 Вт (т) и 4 Вт (т).

Следующая лунная миссия — ​"Чанъэ‑4″ в 2018 году — ​также включала РИТы с российскими ТБ: три ТБ‑120 по 120 Вт (т) и еще три ТБ‑4 по 4 Вт (т). В этой миссии впервые был использован РИТЭГ на 2,5 Вт (э), созданный CIAE и CETC‑18 на базе российского ТБ‑120.

Создание РИТЭГов в Китае пока на начальной стадии, но космические амбиции страны растут. И Китай решил сразу сделать ставку на более эффективную технологию — ​те самые генераторы на основе двигателя Стирлинга.

Прикладные работы по этой тематике начались в Поднебесной, по крайней мере, в 2014 году. Пекинский институт системотехники космических аппаратов к 2018 году изготовил первый лабораторный прототип конвертера, философия которого в целом повторяла американские разработки — ​устройство на 101,1 Вт (э) с КПД 16,9 %. Предназначалось оно для базовых исследований.

Параллельно Технический институт физики и химии Китайской академии наук и Университет Китайской академии наук изготовили серию прототипов конвертера на 125,2 Вт (э) с КПД порядка 25,4 %, а также стенд, на котором они проходят комплексные испытания.

Еще один, созданный теми же командами, вариант конвертера имел мощность уже 275,1 Вт (э) при КПД 23,14 %.

Наиболее впечатляющими результатами могут похвастаться Институт космических технологий и физики Ланьчжоу и Пекинский институт системотехники космических аппаратов. Созданная ими зеркальная спарка конвертеров Стирлинга вкупе с контроллером в декабре 2022 года была отправлена на орбитальную станцию «Тяньгун‑3», где в условиях космоса продемонстрировала мощность 66,8 Вт (э) и КПД 24,72 %.

Сама установка — ​по сути, поднятый в космос лабораторный стенд, получающий тепло еще не от ²³⁸Pu, а от электронагревателей; так что говорить о том, что Китай создал полноценный летный образец генератора, пока рано. Однако страна официально стала первой, испытавшей технологию генератора Стирлинга в космосе. Опубликованная в декабре 2023 года новость об этом вызвала в американском инженерном сообществе резонанс. Тем более что конструкция имеет большое сходство с разработками ASRG.

Европа, Корея, БРИКС — далее везде
Европейское космическое агентство (ESA) не располагает опытом использования РИТов и РИТЭГов. Тем не менее для участия в американской лунной программе Artemis и собственных миссий в 2009 году в Европе была развернута работа по созданию РИТов и ­РИТЭГов, которую возглавила команда британского Лестерского университета. Ею разработан РИТ European Large Heat Source (ELHS) на 200−240 Вт (т) модульного дизайна, а также РИТЭГ на базе сборки таких РИТов мощностью 10−50 Вт (э) с КПД 5 % и ТЭП из теллурида висмута.

Прототипы РИТа и РИТЭГа испытывают при поддержке французской Ariane Group, а также ряда других партнеров из Великобритании и Франции. Значительный импульс этой работе придала переориентация на партнерство с NASA в рамках будущей миссии марсохода Rosalind Franklin после разрыва сотрудничества ESA с Россией в 2022 году. Заинтересованы в ней и США, поскольку в ELHS используется не ²³⁸Pu, а ²⁴¹Am. Он доступнее и имеет значительно больший период полураспада — ​432 года. Однако у него есть и существенные недостатки. Во-первых, в несколько раз меньшее тепловыделение, чем у ²³⁸Pu, а во‑вторых, необходимость при обращении с ним использовать защиту от радиации. Тем не менее Национальные ядерные лаборатории Великобритании намерены обеспечить для проекта стабильную поставку америция в форме Am₂O₃ с британского завода по переработке ОЯТ Sellafield.

На базе ELHS сконструирован и вариант генератора с конвертерами Стирлинга, причем американскими — ​SRSC от Sunpower Inc. Мощность генератора оказалась втрое меньше, чем у плутониевого, а длина — ​на треть больше. Но для питания лунного ровера-­демонстратора NASA — ​британцы «примерили» в своих расчетах изделие именно на него — ​энергии изделию все равно должно хватить.

И все же преимущества ²³⁸Pu очевидны, поэтому в 2022 году под эгидой Евроатома был сформирован консорциум проекта PULSAR (²³⁸Pu-coupLed dynamic power system for SpAce exploRation) для создания собственного генератора электроэнергии на основе «традиционного» изотопа. Возглавила его бельгийская Tractebel, входящая в состав ENGIE Group, а ее партнерами стали Бельгийский ядерный исследовательский центр CSK CEN, Университет Франш-­Конте, французский Комиссариат по альтернативной и атомной энергии, Объединенный исследовательский центр Карлсруэ в ведении Еврокомиссии, ArianeGroup, концерн Airbus Defence and Space, а также консалтинговые компании: мультинациональная ARTTIC и испанская ­INCOTEC.

Команда проанализировала технологии и рынок — ​и, как и китайские инженеры, пришла к выводу: заняться стоит конвертерами Стирлинга.

К концу 2024 года были представлены принципиальные расчеты и основные конструктивные решения по PULSAR. Предложена концепция с парой конвертеров суммарно на 100−500 Вт (э) с КПД 20 %. За разработку модульного РИТа из ²³⁸Pu для PULSAR отвечает Комиссариат по альтернативной и атомной энергии.

Корея развернула программу разработки РИТЭГа c²³⁸Pu в 2014 году. В Корейском научно-­исследовательском институте атомной энергии (KAERI) к 2019 году был разработан РИТЭГ на 120 Вт (т), 5 Вт (э) массой до 7 кг. Любопытно, что отправной точкой для его конструирования послужил российский РИТЭГ‑238−0,1/15 «Ангел», а полупроводники для ТЭП изготовила петербургская компания «Криотерм».

Уменьшенный прототип РИТЭГа на 200 мВт (э) был в 2021 году выведен на орбиту на борту опытного спутника PVSAT в рамках испытаний корейской ракеты-­носителя KSLV-II и продемонстрировал стабильную работу в условиях космоса. Дальнейшие разработки своих РИТЭГов KAERI планирует вести, сотрудничая, в числе прочих, и с британцами — ​включая америциевые опции.

Интерес к теме проявляет также Индия, активно развивающая программу исследований Луны и планирующая миссии на Марс, Венеру и другие планеты, а также изучение дальнего космоса. В 2021 году Индийская организация космических исследований (ISRO) объявила сбор предложений по созданию РИТЭГа на 100 Вт (э) с ²³⁸Pu. А в 2023 году в рамках лунной миссии «Чандраян‑3» в перелетном модуле в качестве эксперимента были установлены два РИТа на основе америция по 1 Вт (т), изготовленных Центром атомных исследований им. Х. Бабы (BARC).

Советский задел. Сталкеры и Atomic Heart
В теме РИТЭГов наша страна, как и США, пионер. Так, только на основе ⁹⁰Sr — ​изотопа с полураспадом 28,79 лет, в большом количестве извлекаемого из ОЯТ, — ​в советское время было изготовлено более тысячи РИТЭГов, применявшихся как долговременные автономные источники питания для навигационных маяков. Они устанавливались вдоль Севморпути, а четыре даже эксплуатировались в Антарктиде. Кроме того, РИТЭГи использовали для автономных радиорелейных станций, ретранслирующих сигналы в горах. К сожалению, в 1990‑х и в начале 2000‑х годов на почве опасений Скандинавских стран была развернута программа по замене РИТЭГов в Арктике более традиционными источниками питания для навигационной инфраструктуры.

В космосе СССР успешно использовал ²¹⁰Poс полураспадом 138 суток. В 1965 году на орбиту вывели спутники «Космос‑84» и "Космос‑90″ с РИТЭГом «Орион‑1» на 20 Вт (э). Ампулы с ²¹⁰Po были сконструированы так, чтобы выдержать все типы аварий, и благодаря этому в 1969 году при аварии ракеты-­носителя остались герметичными.

РИТ с ²¹⁰Po применялся и на "Луноходе‑1″. За 11 лунных суток знаменитый аппарат прошел 10,5 км, проведя обследование 80 тыс. км² Моря Дождей и передав на Землю свыше 200 тыс. снимков. Идентичный РИТ был и на "Луноходе‑2″, в 1973 году установившем мировой рекорд по пройденной на поверхности иного небесного тела дистанции — ​39 км. Побить его, пройдя 40 км, только в 2014 году сумел марсоход Opportunity.

Была в СССР также широкая линейка РИТов и РИТЭГов на основе других изотопов: ¹⁴⁴Ce, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co и ¹⁴⁷Pm.

Отечественный опыт создания РИТов и РИТЭГов с ²³⁸Pu обширен. Для различного применения изготавливались РИТЭГи мощностью от 1,5 мВт (э) до 9 Вт (э): РИТМ-С‑01/02, ЭЛЬФ, ГРИЛЬ‑½, ГРУНТ‑½/3, ГЕРЦ-ЭИ/ЭИ-К, «Сущность», «Струна», РИТЭГ‑9 и "Горизонталь". За все время более 50 РИТЭГов было поставлено за рубеж. В основном же созданные устройства предназначались для сети сейсмических датчиков и аппаратуры исследования морских ресурсов.

Целая линейка миниатюрных РИТЭГов серий РИТМ и ГЕММА была разработана для имплантируемых человеку радиоизотопных электрокардиостимуляторов (РЭКСов).

Стимуляторы с химической батареей могли использоваться только два-три года, после чего требовалась повторная операция. А РИТЭГи позволили РЭКСам работать до 10 лет, мощности их производства достигали 3000 шт. в год. В процессе пришлось решить ряд проблем. Например, в РИТе были впервые использованы микросферы из PuO₂ диаметром около 0,5 мм, хорошо удерживающие радиогенный гелий — ​ведь РИТЭГ находится в теле пациента, и выводить его некуда.

РЭКСы в СССР имплантировались пациентам с 1975 года, в то время как во Франции первая из подобных операций прошла в 1970 году; чуть позже их стали выполнять в США и ФРГ. Предполагалось, что пациенты, получив РЭКС в юности, смогут прожить с ним всю жизнь.

Впрочем, к 1980‑м годам стало ясно, что появившиеся литий-­ионные батареи справятся с задачей лучше — ​они служат 10 лет, и пациенту целесообразнее периодически проходить «апгрейд», заодно получая и более современный кардиостимулятор.

Современность
После распада СССР по созданию РИТЭГов ударили сокращение финансирования космической программы и разрыв производственной цепочки.

Тем не менее в "Росатоме" были созданы две новые модели: РИТЭГ‑238−0,1/15 «Ангел» на 0,15 Вт (э) и РИТЭГ‑238−6,5/3 на 6,5 Вт (э).

Восемь «Ангелов» предназначались для оснащения двух посадочных станций миссии «Марс‑96», запущенной с Байконура в 1996 году. Она задумывалась передовой: 550 кг массы приходились только на научное оборудование. Однако из-за отказа разгонного блока ракеты-­носителя «Протон-­К» станция разрушилась при взлете. Обломки рассеялись над Тихим океаном, а РИТы с 200 граммами ²³⁸Pu, хоть и были надежно защищены от разрушения при падении, после аварии обнаружены так и не были.

РИТЭГ‑238−6,5/3 был выбран для российской автоматической станции «Луна‑25». Его основной функцией было энергоснабжение бортовых часов, которые должны были отключать научное оборудование перед наступлением лунной ночи и включать бортовой компьютер с наступлением утра. Также тепло РИТЭГа должно было обогревать аппаратуру. К сожалению, посадку на Луну аппарат совершить не смог.

Сейчас запланирована двухэтапная миссия «Луна-­Ресурс‑1». Осенью 2027 года к Луне полетит орбитальная «Луна‑26″ для изучения районов посадки станций „Луна‑27а“ и "Луна‑27б» в 2028 году. В последних обогревать аппаратуру будут РИТы из PuO₂. А вслед за ними полетит «Луна‑28» («Луна-­Грунт»). Если ее решат снабдить лунным ровером, ему они также потребуются.

В 2021 году Китай и Россия договорились совместно построить международную обитаемую лунную базу International Lunar Research Station (ILRS). К этому проекту примкнули уже 11 других стран. Ввести станцию в эксплуатацию Китай хочет уже в 2036 году. Там РИТЭГи наверняка тоже понадобятся — ​и немало. Жизнеобеспечение только одного члена экипажа, по оценкам, например, Института космических исследований РАН, потребует не менее 1 кВт электроэнергии в сутки. При этом, если на базе ряд задач может решать ядерный реактор, то на корабль для экипажа его не поставить, а везти на Луну катушки кабелей, чтобы запитать удаленные объекты, слишком дорого.

В этой связи России требуются радиоизотопные генераторы принципиально нового уровня мощности. Разработки по таким системам в стране есть. К примеру, в 2022 году НПО «Наука» представило прототип свободнопоршневого генератора Стирлинга «Эвогресс» на 1 кВт (э). А за несколько лет до этого прототип схожего устройства для работы при 600−800 °C сконструировали в "Росатоме".

Как и любая тепловая машина, двигатель Стирлинга обратим и реверсивно работает как криогенный охладитель — ​именно с таких устройств для космической техники и началось активное развитие направления в США. У нас они тоже производятся. Например, на АО "ОКБ «АСТРОН»", совместно с кафедрой криогенной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана наладившем серийный выпуск таких интегральных микрокриогенных систем.

Другой серийный производитель микрокриогенных Стирлингов — ​АО "НТК «Криогенная техника»". Его изделия предназначены для различных фотоприемных устройств, охлаждая их до 80 К при тепловой нагрузке 0,4−0,5 Вт.

Однако, во‑первых, все эти изделия являются охладителями, а не генераторами. А во‑вторых, диапазон их мощности многократно ниже новейших зарубежных разработок.

А в НИЯУ МИФИ, на кафедре физико-­технических проблем метрологии Института лазерных и плазменных технологий, под руководством профессора П. В. Борисюка развивают свой подход к фотовольтаике. В его основе — ​одновременный подбор эффективных композиций самих фотовольтаических преобразователей и применение наноструктурных селективных покрытий для высокотемпературного РИТа из ²³⁸Pu. Такие покрытия позволяют «подстроить» спектр его светового излучения под диапазон поглощения преобразователей.

«В металле» коллективом создан прототип генератора мощностью до 100 Вт (э), с КПД порядка 15 %, что по-прежнему кратно больше, чем у РИТЭГа; он находится на этапе эксплуатационных испытаний уже с полноценным РИТом из ²³⁸Pu. Проект поддерживают «Росатом» и "Роскосмос".

И все же накопленное Россией отставание нельзя не признать. Вопрос разработки современных высокоэффективных радиоизотопных источников энергии на основе ²³⁸Pu чрезвычайно актуален. Гибкие современные решения в этой сфере жизненно необходимы для реализации космической программы, а также для обеспечения национальной безопасности и технологического суверенитета. С учетом рассмотренных выше достижений других ведущих стран, они требуют к себе пристального внимания.