Почему «сердце» Cassini сгорело последним в атмосфере Сатурна и как США закупали плутоний в России для межпланетных зондов, рассказывает «Газета.Ru».

Экспедиция Cassini длилась почти два десятилетия, в ходе которых удалось преодолеть 3,5 млрд км, однако теперь все наконец закончилось. Автоматическая межпланетная станция NASA завершила свой путь в верхних слоях атмосферы Сатурна 15 сентября 2017 года, сгорев и оставив после себя не только следы кремния и металла, но и небольшое количество дефицитного ядерного топлива, которое не только сделало возможным саму миссию, но и оказалось естественным ограничителем работы Cassini.

При входе аппарата в атмосферу оно распалось последним, будучи самым жаропрочным материалом.

Речь о цилиндрической капсуле из иридия и графита, содержавшей двуокись плутония-238 (238Pu) и разработанной в ходе реализации программы Министерства энергетики США несколько десятилетий назад. Иридий нужен для того, чтобы противостоять радиационной коррозии при возможном падении аппарата на Землю на этапе выведения. Это так называемый радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), производящий тепло и электроэнергию и обеспечивающий работоспособность Cassini вдали от Солнца, в отсутствии других источников энергии.

РИТЭГ использует тепловую энергию, выделяющуюся при естественном распаде радиоактивных изотопов, а не в ходе цепной реакции, как в более привычных нам земных ядерных реакторах.

Тепло преобразуется в электроэнергию с помощью термоэлектрогенератора, что позволяет упростить конструкцию и сделать ее надежнее. Выходная мощность, конечно, невелика (сотни или десятки ватт), КПД также не поражает воображение (меньше десятка процентов), зато нет движущихся частей и не требуется никакого обслуживания на протяжении десятилетий жизни автономных аппаратов, которыми не может похвастаться ни один химический топливный элемент или аккумулятор.

РИТЭГи использовались в 23 американских миссиях за последние 37 лет, прежде всего тех, что отправлялись во внешнюю часть Солнечной системы, где использование солнечных батарей неэффективно или невозможно, - в частности, Voyager, Galileo, New Horizons. Так, чтобы произвести требуемую мощность на орбите Сатурна,

Cassini пришлось бы оснащать солнечными батареями размером с теннисный корт.

Марсоход Curiosity, впрочем, несмотря на значительно большую приближенность к Солнцу, также получает энергию благодаря плутонию-238. На нем установлен РИТЭГ самого последнего поколения - Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator.

Плутоний-238 в 280 раз более радиоактивен, чем плутоний-239 - материал, который используется для производства ядерного оружия, - однако тут не следует опасаться каких-либо ядерных взрывов. Период полураспада 238Pu составляет 88 лет. Это делает его чрезвычайно мощным и долговечным источником питания. Поток альфа-частиц, которые излучает плутоний-238, может быть остановлен простым листом бумаги, поэтому радиационная угроза сведена к минимуму. Разумеется, некоторую проблему создают дополнительные продукты распада, поэтому на Земле работа подобных установок нежелательна.

И тем не менее, несмотря на все заверения специалистов NASA, каждый запуск космических аппаратов с радиоактивными материалами сопровождается протестами. Cassini не был исключением: накал страстей был так велик, что сама судьба миссии в какой-то момент оказалась под вопросом. Вспоминали, что из 23 «ядерных» миссий NASA три потерпели неудачу. В каждом таком случае наземного заражения удавалось избежать, но кто может поручиться, что везение будет продолжаться бесконечно?

Интересно, что еще в первые годы космической гонки США и Советский Союз для снабжения энергией долговременных орбитальных спутников использовали гораздо более проблемные компактные реакторы, причем у ССС...реализация такого рода проектов оказалась даже более успешной. Тогда никто не протестовал, так как запуски осуществлялись в интересах военных ведомств.

США первыми запустили такой аппарат в 1965 году, проработал он недолго. Советский Союз между 1967 и 1988 годами умудрился запустить серию из 31 спутника морской разведки, снабженного реакторами. Компактные ядерно-энергетические установки (ЯЭУ) из-за размеров спутников должны были работать без крупногабаритных парогенераторов или турбин. Были разработаны термоэмиссионные реакторы прямого преобразования «Топаз» и «Бук», в которых тепло от деления ядерного вещества сразу превращалось в электрический ток. Относительно низкий КПД этих реакторов компенсировался активным энерговыделением того же плутония-238.

В конце срока эксплуатации эти спутники предполагалось переводить на «парковочную» орбиту высотой 900 км,

но 24 января 1978 года «Космос-954» оказался не в состоянии это сделать и рассеял радиоактивные обломки над Канадой (в окрестностях Большого Невольничьего озера).

Чтобы компенсировать материальный ущерб, советскому правительству пришлось выплатить канадским властям более $ 6 млн. После этого скандала спутники для предотвращения подобных инцидентов предусматривали выброс реактора и на более низких орбитах, если не удалось достичь заданной «парковочной».

Накануне запуска Cassini 15 октября 1997 года иск о запрещении старта «ввиду опасности для здоровья человека и окружающей среды» в окружной суд Гавайев подали «Коалиция за мир и справедливость» и «Зеленая партия округа Гавайи». 11 октября федеральный судья Дэвид Эзра отклонил его на том основании, что научный и экономический ущерб в случае запрета превышает потенциальный вред, а отсрочка запуска сама по себе могла закончиться катастрофой. 14 октября Федеральная комиссия из трех судей в Сан-Франциско отклонила и апелляцию на это решение.

11 октября сотни человек участвовали в демонстрации протеста перед воротами базы ВВС США на мысе Канаверал. 25 из них были арестованы. 12 октября около 70 человек устроили шествие со свечами перед Белым домом в Вашингтоне. В аналогичной демонстрации 14 октября участвовало уже только 30 человек, которые разошлись тем же вечером, «чтобы не оказаться под радиоактивным дождем». «Болельщиков», поддерживавших запуск, было намного больше, несмотря на ночной час.

По словам NASA, вероятность того, что радиоактивные материалы с Cassini рассеются в ходе катастрофического сбоя, была чрезвычайно мала, к тому же предпринимались дополнительные меры безопасности в связи с демонстрациями. «Это не ядерный реактор, а ядерные батареи, - уверял Уэсли Хантресс, заместитель директора NASA по космической науке. - Они не используются в качестве движителя, и это не атомная электростанция, у нас не происходит ядерных реакций.

Мы просто используем изотоп для выработки тепла, а из тепла получаем электричество для космического корабля».

«Прошло около двадцати лет со дня запуска космического комплекса Cassini–Huygens к Сатурну. За 13 лет исследований малой планетной системы Сатурна были получены принципиально новые научные данные о поверхности Титана, о других спутниках Сатурна, о его удивительных кольцах. Следует отметить выдающийся успех интернационального коллектива создателей этого проекта из NASA, ESA и Итальянского космического агентства. Наши коллеги создали выдающийся проект и сумели со славой его завершить», - отметил в комментарии «Газете.Ru» доктор физико-математических наук Игорь Митрофанов, заведующий лабораторией космической гамма-спектроскопии Института космических исследований РАН.

Интересно, что в США производство плутония-238 останавливалось в связи с окончанием холодной войны в конце 1980-х годов. Однако плутоний-238 требовался для космических миссий,

и с 1992 года США в течение пяти лет принялись закупать его у бывшего соперника - России.

Если в Cassini использовались еще собственные запасы плутония, то «ядерные батарейки» марсохода Curiosity и зонда New Horizons изготавливались уже из российского изотопа. В результате всех сделок было заплачено $57,3 млн за 40 кг, однако в 2010 году поставки прекратились, и возник дефицит.

США теперь вынуждены возвращаться к производству плутония-238, тратя на это многие миллионы долларов.

Конечно, накопленные десятки килограммов еще хранятся в запасе, однако лишь половина этой массы пригодна для изготовления энергоустановок - материал слишком быстро деградирует и вырабатывает все меньше тепла. Первые граммы (не килограммы!) вещества впервые с конца 1980-х годов вновь получены в Окриджской национальной лаборатории в штате Теннесии. Все это в интересах NASA, которое планирует дальние миссии по изучению спутников Юпитера и Сатурна.