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.