Без надежного источника энергии космос остается недоступным. Когда речь идет о многолетних полетах за пределы Луны и Марса, главную роль играют не только двигатели, но и энергообеспечение. От него зависит работа приборов и связь, а значит, успех всей миссии.
Атомные батареи — один из главных инструментов. Они работают в экстремальных условиях, где солнечные панели уже не справляются. Сегодня NASA, ESA и другие компании занимаются разработкой и улучшением существующих моделей батарей. Ученые уверены, что за этими незамысловатыми устройствами — будущее космических исследований.
Что такое РИТЭГ
В обычных условиях космические аппараты получают энергию от солнечных панелей. Но за орбитой Юпитера свет от Солнца слишком слабый, чтобы питать зонд. Так панели становятся бесполезными. Именно поэтому в миссиях, отправляющихся к границам Солнечной системы или на теневые участки Луны и Марса, используют ядерные источники энергии.
Главный из них — РИТЭГ, радиоизотопный термоэлектрический генератор. Он совсем не нуждается в обслуживании и работает десятилетиями. Внутри устройства находится капсула с плутонием-238 — изотопом, который при распаде выделяет тепло. Это тепло преобразуется в электричество с помощью термопар — полупроводников, создающих ток за счет разницы температур. КПД низкий — около 6%. Но этого вполне достаточно для автономного аппарата, которому нужно лишь несколько сотен ватт.
Первые прототипы РИТЭГ появились в США в конце 1950-х годов. В дальнейшем их ставили на спутники, аппараты «Pioneer», «Voyager», марсоходы, а также на оборудование, работающее в Арктике. До сих пор РИТЭГ — почти единственный способ обеспечить энергией аппараты, работающие в условиях, где нет солнечного света и слишком холодно для аккумуляторов.
Как устроен РИТЭГ
Радиоизотопный термоэлектрический генератор не похож ни на реактор, ни на обычную батарейку. Принцип работы простой — тепло от распада радиоактивного вещества превращается в электричество. Для этого используется изотоп плутоний-238. Он не годится для оружия, зато очень стабилен и предсказуем в распаде.
В центре РИТЭГ находятся капсулы с диоксидом плутония-238. Они нагреваются при альфа-распаде примерно до 500 . Этот источник тепла окружен термоэлектрическими элементами — полупроводниками, которые создают электрический ток за счет разности температур между горячей внутренней частью и холодным внешним радиатором. В такой системе нет никаких сложных и движущихся частей, поэтому она десятилетиями работает без обслуживания.
Мощность одного РИТЭГ зависит от количества плутония. Например, у космического зонда «Cassini» их было три. Устройства производили около 900 ватт электроэнергии на старте. У марсохода «Curiosity» один РИТЭГ, который выдавал около 125 ватт в начале миссии. И даже спустя 13 лет работы все еще производит достаточно энергии для приборов и обогрева.
Плутоний-238 выбран не просто так. Его период полураспада — 87,7 лет, а распад идет медленно и без сильного гамма-излучения. Это значит, что такой генератор сравнительно безопасен и стабильно работает долго.
Рассмотрим примеры конкретных моделей РИТЭГ.
SNAP: первый в своем роде
SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) — это первая серия ядерных источников энергии, созданная в США еще в 1960-х. SNAP-27 использовали в лунных миссиях «Apollo». Он работал на плутонии-238 и выдавал около 70 ватт мощности — примерно столько нужно для питания обычного ноутбука. Система SNAP стала фундаментом для развития направления РИТЭГ, она показала, что радиоизотопные источники — надежное решение в условиях отсутствия солнечного света.
MMRTG: энергоустановка для Марса
MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) — эту универсальную атомную батарею разработали NASA совместно с Министерством энергетики США. Ее используют, например, на марсоходе «Curiosity» с 2012 года. Устройство весит около 45 кг, содержит 4,8 кг плутония-238 и выдает около 110 ватт электрической мощности. Принцип работы тот же — тепло от распада плутония преобразуется в электричество с помощью термоэлектрических модулей. При этом MMRTG также служит источником тепла, которое нужно для работы приборов внутри марсохода.
eMMRTG: улучшенная версия с повышенной эффективностью
Enhanced MMRTG или eMMRTG — это модернизированная версия предыдущей модели. В основе стандартного устройства лежат теллурид висмута и сурьма. А улучшенный вариант состоит из новых термоэлектрических материалов — скуттерудитов. Это сложные соединения на основе кобальта. Так КПД вырос примерно на 25%. Первый полет с eMMRTG пока только планируется.
«Вояджеры»: 40 лет за счет распада
В 1977 году NASA запустили два межпланетных зонда — «Voyager-1» и «Voyager-2». Их создали для пятилетней миссии по исследованию Юпитера и Сатурна. Однако благодаря надежной конструкции и стабильному источнику энергии они работают 47 лет и уже покинули пределы гелиосферы — пузыря, где доминирует солнечный ветер. «Вояджеры» стали самыми далекими от Земли рукотворными объектами. По состоянию на 2025 год, «Voyager-1» находится на расстоянии почти 25 млрд километров от нашей планеты. А его собрат отдалился на 19 млрд км.
Причины их долговечности кроются как раз в РИТЭГ. На каждом из зондов установлено по три SNAP-19. При запуске они суммарно производили около 470 Вт электричества — примерно по 157 Вт с каждого генератора. Однако с течением времени мощность снизилась из-за деградации термоэлементов и естественного распада плутония — его период полураспада составляет 87,7 лет. В 2023 году «Voyager-1» вырабатывал около 70 Вт. «Voyager-2» немного больше, потому что его электроника менее энергоемкая.
Чтобы продлить срок службы аппаратов, NASA постепенно отключает научные приборы. Первые вывели из эксплуатации еще в 1990-х. К 2025 году на каждом зонде и вовсе остались 4−5 работающих инструментов. Изначально оба «Вояджера» несли одинаковые наборы из 10 научных приборов. Специалисты NASA предполагают, что связь с Землей сохранится примерно до 2036 года.
Почему марсоходы «Curiosity» и «Perseverance» тоже питаются от плутония
На Марсе много света, но использовать солнечные панели — не всегда хорошая идея. Пыль постоянно оседает на их поверхность, марсианские зимы длинные и холодные, а бури могут закрыть небо на недели. Так, в 2018 году «Opportunity» потерял связь после особенно мощной пылевой бури — просто не смог зарядить батарею. Чтобы не повторить его участь, для марсоходов «Curiosity» и «Perseverance» NASA выбрало другой источник энергии — РИТЭГ. Точнее, его улучшенную версию MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator).
Внутри MMRTG — 4,8 килограмма диоксида плутония-238. Распад 238Pu выделяет около 0,5 Вт тепла на грамм, так что весь модуль стабильно выдает около 2000 Вт тепловой энергии. Ее преобразуют в электричество с помощью термоэлектрических модулей — они основаны на соединениях свинца и теллура. Они работают, используя разницу температур между горячей плутониевой начинкой и внешним радиатором.
Эффективность таких модулей невысока, около 6%, поэтому на выходе получается только 110−125 Вт электричества. Но этого достаточно, чтобы запитать все научные приборы, компьютеры, моторы и обогреватели внутри марсохода. При этом оставшееся тепло не пропадает зря — оно согревает внутренности ровера и не дает замерзнуть электронике. Ночью на Марсе температура может опускаться до −90 °C — без постоянного подогрева система бы просто не выжила.
MMRTG весит около 45 кг и работает без обслуживания. Он не зависит от света, не боится пыли и не требует перезарядки. Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет, но мощность генератора все же постепенно падает. Через несколько лет она снизится уже примерно до 100 Вт. Тем не менее, и этого хватает. Марсоход «Curiosity» проработал на поверхности 13 лет и все еще исправен.
Плутоний на борту дал марсоходам то, чего так не хватало предыдущим миссиям — автономность. Они не боятся ночи, зимы, пыли и бурь. Благодаря этому «Curiosity» и «Perseverance» могут работать круглосуточно, годами исследуя поверхность Красной планеты.
Альтернативы плутонию: что можно использовать вместо Pu-238
Плутоний-238 остается основным топливом для РИТЭГ, но производить его относительно сложно и дорого. Ученые рассматривают другие изотопы — например, америций-241 (Am-241), который является побочным продуктом переработки отработанного ядерного топлива. Однако свойства Am-241 таковы, что батарейки с ним будут больше и тяжелее. И все же Европейское космическое агентство (ESA) ведет разработки на его основе.
Также ищут пути использования других радиоизотопов вроде стронция-90 или кюрия-244. Но у них большие радиационные риски, или слишком короткий срок полураспада.
Перспективные миссии: куда полетят атомные батарейки
РИТЭГ — главные решения для глубокого космоса. NASA планирует использовать их в миссиях к Титану в проекте Dragonfly, к ледяным спутникам Юпитера и в потенциальных экспедициях на Уран и Нептун. Китайская компания CNSA уже использует РИТЭГ в миссии «Чанъэ-4» на обратной стороне Луны. Япония рассматривает миниатюрные версии устройств для межпланетных зондов.
Новые РИТЭГ: меньше, легче, мощнее
NASA совместно с Министерством энергетики США работает над eMMRTG — модернизированной версией РИТЭГ, которая будет легче и эффективнее MMRTG. Они используют улучшенные термопары с большей термоэлектрической эффективностью. Такие варианты вырабатывают больше электроэнергии при тех же тепловых потерях. Цель — повысить КПД хотя бы до 10%. У классических РИТЭГ он около 6−7%.
Исследователи работают также над динамическими РИТЭГ — с миниатюрными двигателями Стирлинга, которые повышают эффективность преобразования тепла в электричество в 2−4 раза. Эти системы пока на стадии прототипов.
РИТЭГ — главные источники энергии для долгих космических миссий
Радиоизотопные источники энергии остаются незаменимыми для исследований в условиях, где солнечные панели бесполезны, а аккумуляторы разряжаются за часы. Без них были бы невозможны миссии вроде «Voyager», которые до сих пор передают данные из-за пределов Солнечной системы, и «Curiosity» с «Perseverance», работающие на Марсе в условиях пыли и холода.
Несмотря на низкий КПД, РИТЭГи обеспечивают долгосрочную стабильную подачу энергии и тепла. Именно это делает их важнейшими компонентами для автономных аппаратов, рассчитанных на десятилетия службы. Производство плутония-238 — главный ограничивающий фактор, и сегодня усилия NASA и Росатома направлены на расширение производства. Также исследуют альтернативные изотопы вроде америция-241, которые потенциально могут снизить стоимость и зависимость от Pu-238. Ведется работа и над новыми типами термоэлектрических генераторов — с повышенным КПД, меньшей массой и возможностью масштабирования.
Радиоизотопные батареи — не архаика времен Холодной войны, а активная развивающаяся область. Без нее невозможны миссии к Титану, в тень юпитерианских спутников, к Урану и в межзвездное пространство. Их роль в будущих проектах основополагающая — до тех пор, пока не появятся более надежные и энергоэффективные альтернативы.
В нашем другом материале мы рассказывали о том, как радиация помогает бороться с опухолями.
