«Термояд» на Луне

Природный спутник Земли может стать неистощимым кладезем энергии для нашей планеты. Так полагают сотрудники НПО им. Лавочкина, Института космических исследований и НПЦ «Институт атомных исследований им. Курчатова», работающие в рамках проекта «Луна-3».

ТРИ ВОЛНЫ ОДНОЙ ИДЕИ

Проект вовсе не случайно получил такое название. Во-первых, он предполагает использование гелия-3, которого на Луне, считают, неисчерпаемые кладовые. Во-вторых, это уже третья попытка осуществления интересной задумки. Первый раз об использовании полезных ископаемых Луны на благо человечества люди задумались тридцать с лишним лет назад когда на Землю впервые попали образцы лунного грунта — реголита, доставленные с естественного спутника нашей планеты советскими автоматическими станциями и американскими астронавтами.

Именно тогда двое американских ученых — физик Джералд Кульчински и геолог Гарри Смит (он, кстати, участвовал в высадке на Луну в составе экспедиции «Аполлон-17») — пришли к выводу, что лунный грунт необычайно богат редким изотопом гелия, который может быть использован в качестве источника энергии при проведении определенного класса термоядерных реакций.

Однако лунную программу вскоре свернули: внимание физиков-термоядерщиков было приковано тогда в основном к запуску очередного токамака, который, по расчетам, должен был вот-вот дать первый промышленный ток.

Об экзотическом проекте на время забыли. Вторая волна интереса к нему возникла лишь в конце 80-х годов, когда стало понятно: скоро термояда ждать не приходится. Физики требовали новых ассигнований на строительство еще более крупной установки для термоядерного синтеза, а правительства даже ведущих стран мира раскошеливались все с меньшей охотой. Тем более что после Чернобыля стало ясно: и в токамаках в ходе обычного дейтерий-тритиевого цикла тоже накапливаются радиоактивные вещества, которые потом неизвестно куда девать.

Тогда исследователи обратили внимание на еще одну экологически безопасную разновидность получения энергии с помощью термоядерной реакции. Она основана на синтезе дейтерия и нерадиоактивного изотопа — гелия-3. Важно, что продукты этой реакции также нерадиоактивны — это протоны с энергией 14,7 МэВ (которые к тому же можно непосредственно трансформировать в электричество, не обращаясь к тепловому циклу с его малым КПД) и обычный гелий-4 с энергией 3,6 МэВ, достаточной для самоподдержания термоядерного синтеза.

Возможны здесь, правда, и побочные ветви реакции, уже с радиоактивными продуктами. Это слияние двух ядер дейтерия, дающее либо тритий и протон, либо гелий-3 и нейтрон. Но доля обоих процессов в полной суммарной энергии синтеза при указанной температуре не превышает 2 %.

ГДЕ ВЗЯТЬ ГЕЛИЙ-3

Итак, использование смеси дейтерий-гелий снижает общую радиоактивность по сравнению с обычным дейтерий-тритиевым циклом более чем в 50 раз. Значит, при сопоставлении с АЭС равной мощности радиация здесь уменьшается в 1000 раз и более; другими словами, трагедия масштаба Чернобыля была бы в таком реакторе лишь событием микрорайонного значения.

В обстоятельной работе И.Н.Головина (Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова) был дан принципиальный расчет и обоснована целесообразность токамака-реактора на горючем дейтерий-гелий-3. Конечно, с одной стороны, работа с таким горючим породила бы новые трудности. Главное — требуемая температура плазмы должна достигать здесь 700 млн. градусов, а значит, необходимо и более сильное магнитное поле. Но зато значительно упрощается обустройство реактора. Благодаря резко сниженной радиации, например, отпадает необходимость в биологической защите, что значительно упрощает конструкцию самого токамака.

Словом, все складывалось прекрасно, за исключением «пустяка»: гелия-3 на Земле чрезвычайно мало. В атмосфере его концентрация составляет лишь 10–11, и, видимо, примерно такова же она в минералах. Конечно, на земном гелии-3 можно вести исследовательскую работу, можно даже снабдить им несколько промышленных реакторов, но энергетику планеты этим не обеспечить.

И тогда взгляды исследователей вновь обратились к Луне — уж там-то гелий-3 в полном смысле слова валяется под ногами. Однако тут грянула перестройка, затем кризис в районе Персидского залива… Про лунную программу не то чтобы забыли, но отложили ее на дальнюю перспективу. Как-никак, согласно прогнозам, угля, газа и нефти на ближайшие полвека нам должно хватить, а уж потом что-нибудь да придумаем…

НЕ БЫЛО БЫ СЧАСТЬЯ…

По словам ведущего научного сотрудника Курчатовского института, кандидата физико-математических наук Ю.Н. Смирнова, нынешний виток интереса к лунному термояду не случаен. Как известно, ныне по соглашению с американцами должны быть уничтожены ракеты СС-18, известные на Западе как «Сатана». Но не уничтожать же их без толку. И ученые предложили использовать ракеты для оценки эффективности предлагаемого проекта…

Расчеты показывают: с помощью ракет СС-18 вполне реально забросить на Луну необходимое технологическое оборудование. С помощью автоматического модуля вполне можно оценить на практике, действительно ли так легко добыть гелий-3 из лунной породы, как это получается в земных условиях.

Если понадобится, исследователи внесут в этот цикл необходимые коррективы, а затем отправят на Луну еще одного автоматического разведчика. Когда выяснится что можно наладить добычу гелия-3 в производственных масштабах, на Луну отправятся космонавты для развертывания полномасштабного завода по производству и сжижению гелия-3, а также для организации бесперебойной поставки его на Землю.

Надо сказать, что землянам понадобится не так уж много сжиженного гелия-3. Как показывают расчеты, одной тонны в год вполне достаточно для того, чтобы обеспечить энергией всю нашу планету! Так что возить гелий со спутника Земли окажется вполне выгодно, даже с учетом затрат на запуски лунных ракет, переработку гелия, его транспортировку, прочих транспортно-производственных расходов, а также с учетом стоимости разработки и строительства реактора, который будет работать на лунном сырье. Уже разведанных его запасов, между прочим, хватит нам как минимум на 1000 лет.

ПО ЛУНЕ ПОЙДУТ КОМБАЙНЫ

Итак, основные принципы данного проекта ясны. Осталось утрясти детали. И вот сегодня специалисты разных стран, в том числе России, прорабатывают различные варианты реализации будущих энергетических программ по переработке и использованию лунного грунта. Рассматриваются наиболее перспективные районы Луны для промышленной разработки, определяются основные контуры лунных баз и заводов, транспортных систем. И здесь неоценимую помощь оказывает научный и практический опыт советских автоматических станций и американских пилотируемых космических аппаратов серии «Аполлон», совершивших посадку на Луну и собравших образцы лунных пород в различных ее районах еще в 60-е годы.

На основе их анализа установлено, что наиболее богаты гелием-3 реголиты морских образований на Луне (по меньшей мере, содержание в них гелия-3 в 2–3 раза выше, чем в районах лунных материков). Что касается самих лунных комплексов для добычи и переработки сырья, то намечаются пока вот какие основные принципы их построения и функционирования.

Промышленную добычу реголита целесообразнее всего вести с помощью комбайнов, которые наподобие экскаваторов будут снабжены ковшами, с помощью которых сыпучий грунт станут загружать в приемную камеру.

Прямо на борту комбайна целесообразно разместить камеры для сепарации и сжижения гелия-3. Источником энергии для такого передвижного завода может послужить солнечная энергия. В течение же лунной ночи можно будет переходить на использование энергии бортовых аккумуляторов или иных источников энергоснабжения.

Накопленный и сжиженный с помощью космического холода гелий-3 будет доставляться взлетно-посадочным модулем на окололунную орбиту. Здесь модуль состыкуют с межорбитальным буксиром и отправят к Земле. Такой транспортный аппарат будет находиться на периодически возвратной орбите, поочередно приближаясь то к Земле, то к ее спутнику. При подлете к нашей планете с помощью тормозной установки модуль будет переведен на орбиту искусственного спутника Земли, а затем и спущен на поверхность.

Предварительные оценки такого проекта показывают экономическую целесообразность разработки и транспортировки на Землю лунных запасов солнечного топлива для последующего использования его в термоядерных установках вместо радиоактивного трития. Затраты на добычу и доставку этого топлива составят около 25 млрд. долларов в год. Для сравнения: затраты на производство традиционных видов топлива только в США составляют в настоящее время 40 млрд. долларов в год. А ведь не одна Америка на земном шаре.

Напомним, что, по американским проектам, первые поселения на Луне намечено построить в 2005 году, и, может быть, уже через десять лет будет введена в строй первая фабрика гелия-3.

А к тому времени, когда ресурсы лунного топлива истощатся, наша техника, будем надеяться, позволит добывать его на Юпитере. Гелия-3 в его атмосфере хватит на миллиард лет!

В настоящее время наши специалисты вместе с учеными Висконсинского университета, США, ведут эскизное оформление первой стадии проекта. К концу 2000 года его представят на суд экспертов. А затем может начаться разработка второй части проекта, касающейся уже непосредственной подготовки лунной экспедиции второго поколения.

Максим ЯБЛОКОВ

 

Подлодка меняет профессию

Если завести со специалистами разговор о конверсии подводного флота, многие вспомнят «Северянку» — дизельную подлодку, которую еще в 60-е годы XX века приспособили под нужды науки. На ней даже один из бывших редакторов нашего журнала плавал в роли научного сотрудника…

Опыт эксплуатации «Северянки» показал не только принципиальную возможность использования боевой субмарины в мирных целях, но и выявил многочисленные недостатки. Работать на такой лодке оказалось трудно, места для размещения научной аппаратуры и людей было немного. Другое дело — переоборудовать современный подводный ракетоносец.

Впрочем, обо всем по порядку…

Подводный катамаран — до такого не додумался даже гений Жюля Верна, некогда отправившего своего капитана Немо в подводное путешествие продолжительностью в 20 000 лье.

Подводный пароход

Первые сведения о подводных лодках появились свыше 300 лет тому назад, когда в Черном море 40 запорожских казаков атаковали турецкие корабли на диковинных сооружениях из… воловьих шкур, почти полностью затопленных «для невидности».

В 1620 году голландский ученый Корнелий ван Дреббель, служивший при дворе английского короля, продемонстрировал своему монарху подобную же диковину — громадную бочку, обтянутую для герметичности промасленной кожей. Фурор был такой, что за первой бочкой пришлось спускать под воду и вторую, и третью… От желающих прокатиться по дну Темзы не было отбоя.

Русские тоже не отставали. В 1724 году в присутствии Петра I на галерном дворе в Петербурге изобретатель-самоучка Ефим Никонов показал в действии модель «потаенного судна». Прогулка подразумевала цель: «потаенно подойти и подбить военный корабль под самое дно».

Однако даже среди специалистов ныне мало кто помнит о проекте питерского инженера Д.М.Левенштейна, который в 1914 году, когда транспортные суда стран Антанты пошли на дно под точными ударами немецких подло уже предложил строить подводные сухогрузы.

Коллеги Левенштейна по Балтийскому заводу эту идею поддержали, благосклонно отнеслись к ней и высокие чины Адмиралтейства, равно как и Морского министерства. Обезопасить морские перевозки для России было весьма актуально.

Чтобы сэкономить время постройки, Левенштейн взял за основу своего подводного корабля тогдашний надводный сухогруз вместимостью 4000 т. Другими словами, инженер поставил перед собой довольно скромную задачу — превратить в подлодку обычный пароход.

Естественно, пришлось внести в конструкцию изменения. Исчезла часть надстройки, был значительно срезан надводный борт, а весь корпус сверху закрыла карапасная палуба.

Для тех, кто не знает, что это такое, поясним — это водонепроницаемая, выпуклая, как панцирь черепахи, верхняя палуба судна.

Необходимые любому подводному судну балластные цистерны размещались в носу, в корме, а также посредине корпуса. При надобности они заполнялись забортной водой. Для обеспечения остойчивости судна при всплытии и погружении были предусмотрены и дифферентные цистерны объемом поменьше. Водяной балласт в момент всплытия должен был либо откачиваться за борт мощными насосами, либо — как на современных субмаринах — выдавливаться сжатым воздухом из баллонов.

Над карапасной палубой возвышалась водонепроницаемая рубка, которую венчала заполненная деревянными брусьями надстройка-поплавок объемом 40 куб. м. Она обеспечивала судну необходимую плавучесть. Над поплавком торчали лишь дымовые и воздухозаборные трубы, а также мачты для установки радиоантенн и подъема сигнальных флагов при плавании судна в надводном положении.

В общем, идея была хорошей. Но вот ее исполнение… Переоборудованный на скорую руку пароход длиной 86 м и шириной 12 м, с 3 трюмами вместимостью 2500 куб. м, способными принять 1200 т полезного груза, оказался плохой подлодкой. Прежде всего паровой двигатель с двумя котлами не годился для работы под водой. Пришлось предусмотреть еще электродвигатель, работающий от аккумуляторной батареи. Но когда прикинули массу всего этого дополнительного оборудования, оказалось, что для полезного груза остается не так уж много места. Само же надводно-подводное судно получилось настолько громоздким, что утопить его во время боевых действий не составляло труда. А ведь именно о безопасности плавания пеклись в первую очередь энтузиасты нового направления в судостроении.

В общем, проект забраковали и забыли. Причем настолько крепко, что не вспомнили о подводных транспортах и во Вторую мировую войну, когда война в океанах разгорелась с особой яростью. Разве что немцы к концу военных действий использовали некоторые свои подлодки для транспортировки особо важных, секретных грузов и пассажиров. Но и тут переделки сводились к минимуму — на судоремонтном заводе снимали кормовые торпедные аппараты, а освободившееся место превращалось в трюм, где при необходимости размещались и пассажиры — тайные курьеры или шпионы-спецагенты.

Проект инженера Д.Левенштейна .

На схеме цифрами обозначены: 1 — ватерлиния судна в погруженном состоянии; 2 — ватерлиния загруженного судна в надводном положении; 3 — поплавок; 4 — водонепроницаемая надстройка; 5  и 6 — дифферентные и балластные цистерны; 7 — центральный пост; 8 — грузовые трюмы; 9 — машинное отделение; 10 — котельное отделение.

Корабли науки

Вернуться к идее подводных транспортов удалось лишь в самом конце XX века, когда, с одной стороны, на стоянках накопилось немалое количество списанных из военного флота атомных субмарин, а с другой — появилась насущная необходимость в гражданском подводном флоте.

Тут-то и вспомнили, что у подводных судов есть свои преимущества перед надводными. Например, грамотно спроектированная современная субмарина затрачивает, как ни странно, не больше, а меньше энергии на преодоление сопротивления воды.

Кроме того, на 100-метровой глубине, доступной любой атомной подлодке, не ощутим никакой шторм. Более того, такой флот может одолеть подледные маршруты, которые, по многим расчетам, оказываются выгоднее ледокольной проводки грузовых караванов. Что же говорить о доставке грузов, скажем, из Европы в Японию и обратно, кружным путем через Суэцкий канал и далее — она куда дороже и продолжительнее, чем по Севморпути.

Еще одна оригинальная идея — использование подлодок в качестве плавучих космодромов.

Причем, как показал экспериментальный запуск, проведенный летом 1998 года в Баренцевом море с борта атомной подводной лодки «Новомосковск», для этого даже не нужно особо переоборудовать подводный ракетоносец.

Просто в головную часть трехступенчатой ракеты РСМ-54, известной на Западе под маркировкой СС-Н-23, вместо четырех ядерных блоков поставили спутник связи «Тубсат-М», созданный специалистами ФРГ, и…

Для усложнения задачи пуск был осуществлен прямо из-под воды!

Кстати, это был не первый пуск ракеты с борта подводного атомохода в научных целях. Еще в 1994 году с подводной лодки Северного флота, находившейся в Белом море, был отправлен в космос по баллистической кривой научный блок «Интерферон».

Во время нахождения его в условиях невесомости были получены ценные биопрепараты. И что, пожалуй, еще важнее — ценнейший опыт использования подлодок и ракет в мирных целях.

— Мысль использовать атомную подлодку в качестве научно-исследовательской лаборатории давно уж высказывалась американскими и российскими учеными, — сказал по этому поводу сотрудник Института физики Земли РАН, профессор Р.И.Грачев. — Первые упоминания о подобных планах можно найти еще в конце 60-х годов, когда многие посещали знаменитую «Северянку». Однако в условиях «холодной войны» реализовать такой план не представлялось возможным. Лишь после того, как был подписан договор о сокращении стратегических вооружений, появилась возможность претворить его в жизнь…

Важность изучения Северного Ледовитого океана с помощью научно-исследовательских подлодок не требует особых комментариев. Арктика — это «кухня погоды», так что изучение ее климата весьма важно с практической точки зрения. Неплохо также подумать и о том, что станет вскоре с экологией в этом районе — не секрет ведь, что в течение десятилетий в этот достаточно закрытый бассейн сбрасывались загрязнения. Сюда же несут свои воды многие великие реки Сибири, состояние которых тоже далеко от идеала… Наконец, на арктическом шельфе уже обнаружены достаточно большие залежи газа и нефти, и дальнейшая разведка, а тем более добыча полезных ископаемых тоже требует использования специализированного подводного флота.

Поначалу для этих целей можно просто переоборудовать списываемые с боевого дежурства субмарины. Место демонтированных ракет и пусковых установок займут научные лаборатории и каюты научных работников.

Атомная субмарина в походе. Скоро такие походы будут проводиться не только в военных целях…

Схема получения биопрепаратов с помощью переоборудованных ракет ВМФ.

Контейнеры — под водой

Похоже, эту ситуацию хорошо понимают специалисты петербургского КБ «Малахит», создавшие в последние годы немало военных и мирных судов с атомными энергоустановками.

У них есть, в частности, проект подводного контейнеровоза грузоподъемностью 29 400 т (сравните-ка его с 1200 т левенштейновского проекта), способного автономно ходить под арктическими льдами и, разумеется, в других районах Мирового океана.

Корабль велик даже по нынешним меркам: 238 м в длину, 26,8 — в ширину и 20,2 — в высоту. Он может принять на борт 912 стандартных 20-футовых контейнеров и со скоростью 20 узлов доставить их под водой в любой порт назначения, причем льды и штормы для него не помеха. Но и на малых глубинах он не беспомощен: осадка при полной загрузке в надводном положении — 16,5 м, прием судов с такой осадкой предусмотрен в любом мало-мальски уважающем себя порту.

Интересная деталь: в порт такой корабль может заходить с выключенным атомным реактором, так что экологам нечего волноваться. Ход в таком случае обеспечивают три дизель-генератора мощностью 1500 кВт.

Между прочим, сама главная энергоустановка довольно скромна по мощности — 38 000 кВт. Относительно невелик и экипаж — 35 человек. Зато для каждого из них, включая матросов, предусмотрены отдельные каюты. Плюс спортзал, кают-компания, салон, библиотека, столовая, санчасть — словом, все необходимое для комфортной работы в условиях подводного плавания продолжительностью до 50 суток.

Вокруг реакторного моноблока расположены продублированные средства биологической защиты. Отключение реактора в аварийной ситуации — автоматическое. Всплывающий атомоход вполне способен проломить лед своим мощным корпусом. Если же полученные повреждения окажутся столь значительны, что экипажу придется покинуть судно, на борту предусмотрена мини-подлодка, способная принять весь экипаж. Так что, как видим, горький опыт прошлых аварий даром не прошел.

Еще одна существенная деталь: полная загрузка (или выгрузка) нового судна может осуществляться 4 собственными кранами, что очень удобно при обслуживании арктических зимовок, не располагающих соответствующей разгрузочной техникой.

Схема расположения основных помещений и отсеков подводного атомного контейнеровоза КБ «Малахит».

Цифрами обозначены отсеки: 1 — вспомогательных механизмов и радиоэлектронного оборудования; 2 — жилой; 3–8 — грузовые; 9 — реакторные; 10 — турбинный;  11 — кормовой электромеханический; 12 — гребной винт; 13 — вертикальный руль (горизонтальный — аналогичный по конструкции — на схеме не показан); 14 — поперечные перегружатели; 15 — рубка с входных люком.

Один из вариантов использования подлодок в мирных целях — подводный танкер:

А — грузовые танки, Б — насосное отделение.

На подходе — атомный танкер

Подобные проекты разрабатывают не только на «Малахите». В будущем, как полагает генеральный конструктор Центрального СКВ морской техники «Рубин» Е.А.Горигледжан, можно будет строить специализированные подводные суда — как научно-исследовательские, так и транспортные.

Скажем, подводные танкеры в Арктике куда надежнее обычных, надводных — ведь подо льдами не бывают штормов, да и сами ледовые поля и айсберги не страшны…

В этом стремлении поддерживают своих коллег и сотрудники знаменитого нижегородского СКВ «Лазурит».

Здесь создан оригинальный проект использования подводных лодок в мирных целях. По словам инженера-конструктора С. В. Чураева, подводные технологии ныне становятся необходимыми в результате того, что добыча газоконденсата и нефти все больше переходит с суши на море.

Большие разведанные запасы газоконденсата находятся ныне в труднодоступных районах, например, в Карском море, где 11 месяцев в году тяжелые ледовые условия. Поэтому действовать обычными методами — то есть бурить с поверхности моря — невозможно, ледовые поля способны снести и вышку, и понтон, на котором она находится.

Поэтому специалисты и предлагают перейти к чисто подводным технологиям — то есть бурение будет производиться из-подо льда. Точно так же — подо льдом — будет затем проходить добыча полезных ископаемых.

Сердцем комплекса станет подводное буровое судно, которое будет бурить сразу целый куст скважин непрерывно и круглый год. Если месторождение оказывается перспективным, то здесь же по соседству установят подводный модуль для обслуживающего персонала, хранилище для добытого газоконденсата, подводный блок очистки и сжижения добытого газа и причальное устройство для загрузки подводных танкеров…

Конструкторы предусматривают два варианта исполнения проекта. В нем могут быть задействованы как корабли с атомными энергетическими установками, так и с обычными — дизель-электрическими.

Уже в начале XXI века они начнут работать на глубинах до 400 м. А там, возможно, дойдет очередь и до реализации на современном уровне давней идеи Дреббеля — организовать подводные прогулки в наиболее интересные районы Мирового океана, в том числе и к Северному полюсу. Возит же, к примеру, ныне атомный ледокол «Ямал» туристов в матросских каютах без всяких удобств. Цена билета на рейс к Северному полюсу — 35 тыс. долларов. И от желающих нет отбоя!

Петербургский конструктор В.М. Сквирский предлагает использовать для таких прогулок созданный им подводный катамаран. Две атомные субмарины, соединенные параллельна превращаются в огромное судно, способное вместить единовременно до 1000 человек! Причем каждый из них не только получит каюту со всеми удобствами, но и сможет во время рейса воспользоваться услугами спортивного манежа, где есть место даже для игры в футбол, культурно-массового комплекса, где будут показывать кино, устраивать танцы или спектакли, многочисленных ресторанов и даже бассейна. Говорят, в таком огромном корабле найдется место даже для дворца бракосочетания и церкви.

А что, свадьба под водой — до этого не додумался даже Жюль Верн со своим капитаном Немо!..

Олег СЛАВИН