Ядерний двигун Стирлінга у космосі: чому двигун із поршнями може змінити майбутнє астронавтики

Уявіть собі: космічний корабель, який рухається завдяки енергії пари, із важкими поршнями, що ритмічно стукають у безповітряному просторі. Звучить як сцена зі стимпанк-роману або фантазія Жуля Верна? Утім, сучасні інженери вже сьогодні розглядають глибоко нетривіальну ідею використання двигунів Стирлінга для живлення міжпланетних станцій. І хоча парові котли на кораблях залишаються у фантастичних світах, їхні концептуальні спадкоємці можуть стати основою нової епохи космічної енергетики.

Радіоізотопи, термоелектрогенерація і проблема ефективності

На більшості сучасних космічних апаратів використовується радіоізотопна енергетична установка — компактна капсула, що містить ізотоп плутонію-238. Вона генерує тепло, яке потім перетворюється у електрику через термоелектричний перетворювач. Але ККД таких установок — не більше 7%. Усе інше просто розсіюється у вигляді тепла, що є великою проблемою у вакуумі, де немає повітря для охолодження.

Машина Стирлінга: принцип і переваги

Двигун Стирлінга працює від різниці температур. Газ у ньому нагрівається, розширюється й штовхає поршень. Потім переміщується в холодну зону, стискається і повертається назад. Цей простий цикл може ефективно перетворювати тепло на механічну роботу. Вже у XIX столітті пристрій показав високу ефективність, але через низьку питому потужність і повільний цикл не зміг конкурувати з паровими машинами Ватта.

Однак у сучасному контексті, де потрібно використовувати навіть мінімальні джерела тепла, перевага двигуна Стирлінга очевидна:

• Працює з будь-якою різницею температур
• Має ККД до 30% (у порівнянні з 7% у термоелектрогенераторів)
• Відсутність відкритого полум’я або вибухонебезпечних компонентів

Коли поршні мають сенс: ядерний реактор на борту

Ідея перетворити надлишкове тепло від справжнього ядерного реактора в додаткову електроенергію — надзвичайно приваблива. Якщо на борту не радіоізотопна капсула, а справжній реактор — із водяною парою, турбінами та важкою інфраструктурою — то й вібрації, створювані поршнями Стирлінга, вже не є критичними. Навпаки, їх можна використати для додаткового енергетичного зиску.

Один із варіантів — комбінована система, де частину енергії розпаду використовує термоелектрогенератор, а іншу — машина Стирлінга.

Фантастика чи майбутнє: ядерний Стирлінг-реактор

Найрадикальніша ідея — зробити сам реактор двигуном Стирлінга. Для цього замість традиційного твердого палива використовують газоподібний гексафторид урану. Після запуску ланцюгової реакції газ нагрівається, розширюється, тисне на поршень — цикл починається. Перевага — система з внутрішньою безпекою: під час розширення щільність зменшується і реакція сама припиняється.

Теоретичні плюси

• Мінімальна вага системи
• Саморегулювальна безпечна робота
• Простота конструкції

Але є і великі проблеми:

Мінуси газофазного реактора

• Надзвичайно низька густина палива
• Великий пробіг нейтронів, які просто “втікають” із реакційної зони
• Необхідність дуже великих об’ємів реактора — діаметром десятки метрів
• Радіаційні проблеми зі спробами застосувати водяний чи метановий уповільнювач

Поки технологія залишається на рівні теоретичних розробок і концептів. Двигун Стирлінга — дуже цікавий варіант, якщо на борту є справжній ядерний реактор, а не лише плутонієва капсула. В інших випадках його застосування ускладнюється вагою, вібраціями та габаритами.

Проте у майбутньому, можливо, нові матеріали й технології дозволять реалізувати на практиці компактний і безпечний ядерний двигун Стирлінга. І тоді поршні таки зазвучать у космосі.