Įsivaizduokite nuolatinę, nuo Saulės nepriklausomą bazę Mėnulyje. Tai jau nebėra tik mokslinės fantastikos vizija – tai vis aiškiau apibrėžtas vienos galingiausių pasaulio kosmoso agentūrų tikslas.

JAV nacionalinė kosmoso agentūra NASA yra parengusi konkretų planą iki šio dešimtmečio pabaigos Mėnulyje įrengti veikiantį energijos šaltinį, galintį iš esmės pakeisti kosminės energetikos taisykles. Tai – branduolinis reaktorius.

Toks projektas – kur kas daugiau nei vien technologinė naujovė. Jis yra pagrindinis strategijos elementas, siekiant sudaryti sąlygas ilgalaikei, o gal net nuolatinei žmonių buveinei už Žemės ribų.

Be stabilaus ir didelės galios energijos šaltinio svajonės apie Mėnulio kolonijas ar pilotuojamas misijas į Marsą liks gražiomis, bet sunkiai įgyvendinamomis vizijomis.

Energetika mėnulio bazėms: 500 kilovatų reaktorius

Dabartinės kosminės misijos, tokios kaip „Voyager“ zondai ar marsaeigiai, energiją gauna iš radioizotopinių termoelektrinių generatorių (RTG). Jie gamina elektrą iš plutonio-238 skilimo, tačiau jų galia labai ribota – paprastai tesiekia kelis ar kelias dešimtis vatų.

Planuojamas „NASA“ reaktorius turėtų generuoti apie 500 kilovatų elektros energijos, t. y. būtų tūkstančius kartų efektyvesnis. Tokia galia leistų nuolat aprūpinti energija gyvenamuosius modulius, sudėtingą mokslinę įrangą, gyvybės palaikymo ir ryšių sistemas, taip pat pirmines gavybos ir perdirbimo operacijas, kurios laikomos būsimos kosminės ekonomikos pagrindu.

Palyginimui, Tarptautinė kosminė stotis, naudodama didžiules saulės baterijų masyvus Žemės orbitoje, generuoja apie 120 kilovatų energijos. Mėnulyje planuojamo branduolinio reaktoriaus galia būtų kelis kartus didesnė.

„Idaho National Laboratory“ atstovas Sebastianas Corbisiero pabrėžia, kad branduolinė energetika iš esmės yra vienintelė reali galimybė ten, kur nėra patikimo saulės šviesos šaltinio – pavyzdžiui, amžinai užtemdytuose Mėnulio polių krateriuose arba misijose į išorines Saulės sistemos sritis, kur Saulės spinduliai yra per silpni. Branduolio skaldymo reaktoriai suteikia galimybę pasiekti kokybinį šuolį, kai kosmose generuojamas energijos kiekis tampa nepalyginamai didesnis. Be tokio šuolio ambicingesni projektai tiesiog neįmanomi.

Trys keliai į kosminę energetinę lyderystę

„Idaho National Laboratory“ ekspertai parengė ataskaitą, kurioje nagrinėjami trys galimi šios technologijos plėtros scenarijai.

Drąsiausias variantas, pavadintas „Go Big or Go Home“, siūlo iš karto siekti galingos sistemos, galinčios tiekti 100–500 kilovatų energijos. Tokiai programai vadovautų „NASA“ arba Gynybos departamentas, o mokslinę ir technologinę paramą teiktų Energetikos departamentas.

Antrasis scenarijus – „Chessmaster’s Gambit“ – yra sudėtingesnis ir remiasi viešojo bei privataus sektoriaus partneryste. Jis numato dviejų lygiagrečių, mažesnės nei 100 kilovatų galios sistemų kūrimą. Viena iš jų, vystoma „NASA“ globojant, būtų skirta energija aprūpinti Mėnulio orbitoje ar paviršiuje esantiems objektams. Antroji, kurią valdytų Gynybos departamentas, būtų orientuota į kosmines – galbūt ir karinio pobūdžio – reikmes.

Trečiasis, atsargiausias kelias, „Light the Path“, orientuotas į mažą, demonstracinę sistemą, generuojančią mažiau nei 1 kilovatą galios. Nors praktinė tokios sistemos nauda būtų ribota, ji leistų sukurti teisinę ir saugumo reglamentavimo bazę, taip pat ištobulinti pagrindinius technologinius sprendimus didesniems projektams. Vis dėlto ataskaitos autoriai pabrėžia, kad tik peržengus šimtų kilovatų ribą Jungtinės Valstijos galėtų iš tikrųjų užimti lyderio pozicijas šioje strategiškai svarbioje srityje.

Ekstremalūs iššūkiai: kaip sukurti reaktorių kosmosui?

Perkelti branduolinę technologiją į kosmosą – tai ne paprastas Žemėje veikiančios elektrinės „supakavimas“ į raketą. Tokio reaktoriaus projektavimas yra nauja, itin sudėtinga inžinerinių uždavinių klasė.

Pirmiausia, kiekvienas reaktoriaus gramas turi milžinišką kainą, nes viską reikia iškelti iš Žemės gravitacinio lauko. Todėl konstrukcija turi būti maksimaliai lengva, bet kartu pakankamai tvirta, kad atlaikytų starto metu veikiančias raketos vibracijas ir apkrovas.

Įprasti žemiški sprendimai čia netinka. Vandens kaip aušinimo skysčio atsisakoma, nes jam reikėtų sunkių, storasienių slėginių talpyklų. Dėl to kuriamos aukštatemperatūrės sistemos, naudojančios, pavyzdžiui, skystuosius metalus ar dujas. Tokie sprendimai leidžia pasiekti didelę galią, išlaikant palyginti mažą masę.

Visa sistema turi veikti visiškai autonomiškai ir be priežiūros bent 10 metų. Tuo metu Žemėje esantys elektros energijos reaktoriai reikalauja reguliarių remontų ir kuro papildymo maždaug kas 18–24 mėnesius. Tokios priežiūros kosmose užtikrinti neįmanoma, todėl tikimasi sprendimo, kurį būtų galima įdiegti ir dešimtmečiui tiesiog „pamiršti“.

Reaktoriaus konstrukcija taip pat privalo atlaikyti itin atšiaurias sąlygas: didžiulius temperatūros svyravimus Mėnulyje (nuo daugiau kaip +100 °C dieną iki maždaug –150 °C naktį), nuolatinį kosminės spinduliuotės ir mikrometeoritų bombardavimą. Svarbiausia – absoliutus saugumas. Būtina suprojektuoti sistemą taip, kad raketos avarijos starto metu atveju reaktorius negalėtų netikėtai suveikti. Baigus tarnybą, jis negali sugrįžti į Žemės atmosferą ir tapti itin radioaktyviomis kosminėmis nuolaužomis.

„Idaho National Laboratory“ – kosminės branduolinės energetikos centras

Pagrindinį vaidmenį šiame projekte atlieka „Idaho National Laboratory“ (INL), veikianti kaip centrinė techninė bazė. Čia koordinuojamas daugelio JAV nacionalinių laboratorijų darbas, bandomos reaktorių koncepcijos ir tikrinamas branduolinis kuras.

INL turi unikalią infrastruktūrą, pavyzdžiui, bandymų kompleksą „Transient Reactor Test Facility“, kuriame tiriamas branduolinio kuro elgesys ekstremaliomis sąlygomis. Tai leidžia įvertinti, kaip būsimi kosminiai reaktoriai reaguotų į avarines situacijas, apkrovas ir staigius temperatūros pokyčius.

Pasak Sebastiano Corbisiero, šiuo metu esame ant potencialaus lūžio taško kosminės branduolinės energetikos istorijoje. Tai – projektas, galintis iš esmės pakeisti tai, kaip žmonija supranta ir planuoja kosmoso tyrinėjimą, pereinant nuo trumpų išvykų prie ilgalaikio buvimo už Žemės ribų.

Ar tikslas iki 2030-ųjų realus?

„NASA“ išsikeltas tikslas iki 2030 m. Mėnulyje įrengti veikiantį branduolinį reaktorių yra itin ambicingas. Tam reikalinga precedento neturinti skirtingų valstybinių agentūrų, mokslinių laboratorijų ir privačių bendrovių partnerystė.

Kosmoso tyrinėjimų istorija rodo, kad tokie grafikai dažnai nusikelia, ypač kai kalbama apie visiškai naujas, sudėtingas technologijas. Todėl, nepaisant didelio mokslo bendruomenės entuziazmo, reikėtų išlaikyti blaivų požiūrį.

Techniniai, logistiniai ir finansiniai iššūkiai yra milžiniški. Šio projekto sėkmė arba nesėkmė gali nulemti ne tik „Artemis“ Mėnulio programos tempą, bet ir būsimą kosminės ekonomikos struktūrą. Jei reaktorių pavyks įgyvendinti, branduolinė energetika gali tapti pamatu, ant kurio statysime savo kosmines bazes ir kolonijas. Jei ne – dar ilgai liksime priklausomi nuo dabartinių, gerokai labiau apribotų technologijų.

Statymai šiame žaidime – itin dideli. Kosminės energetikos ateitis ir ilgalaikis žmonijos buvimas kosmose didele dalimi priklauso nuo to, ar pavyks įžiebti pirmąjį branduolinį „saulėlydžio“ šviesos šaltinį Mėnulio paviršiuje.