Ядерна енергетика в космосі. Хто попереду?

Влітку 2025 року виконувач обов’язків глави NASA Шон Даффі представив директиву, в якій йдеться про прискорену реалізацію США програми зі створення місячного ядерного реактора, щоб встигнути завершити її до 2030 року. Поспіх видається виправданим: окрім Сполучених Штатів, амбітні плани щодо зведення атомних електростанцій на Місяці мають Росія та Китай — ці дві держави домовилися спільно реалізувати свій проєкт і завершити його до 2035 року. Попередньо відомо, що американський реактор вироблятиме 100 кВт електроенергії і буде готовий до запуску до кінця 2029 року.

Чому для всіх трьох країн настільки важлива першість у розміщенні ядерного реактора на Місяці і хто має найбільші шанси здобути перемогу в цьому змаганні? Про це йдеться у статті, опублікованій виданням MaxPolyakov.space.

Що дасть нам ядерна енергетика в космосі

Ядерна енергетика у перспективі може стати основою довгострокової діяльності людини в космосі, особливо на Місяці, освоєння якого — питання часу. Шон Даффі в директиві про прискорення робіт з розміщення ядерного реактора на Місяці зазначив, що його поява там дозволить підтримувати майбутню місячну економіку і зміцнювати національну безпеку США в космосі.

Ядерна енергетика також може відіграти важливу роль у контексті реалізації далеких місій, до яких належать, зокрема, пілотовані місії на Марс. Одна з причин — нестача сонячної енергії. Місяць не має повноцінної атмосфери, а щільність газу настільки мала, що не впливає на процеси, які відбуваються на його поверхні, — на кшталт теплообміну чи погодних явищ. Темний період тут триває до двох тижнів, а в деякі кратери світло ніколи не потрапляє.

Водночас на Марсі є тонка, але реальна атмосфера з тиском близько 1% від земного, а також хмари, вітри та пилові бурі. Останні можуть тривати тижнями, знижуючи й без того мінливу освітленість до мінімуму. Навіть якщо встановити тут сонячні панелі, вони працюватимуть неефективно через велику кількість дрібних частинок в атмосфері. Іншими словами, розраховувати на сонячну енергію на Місяці й на Марсі не можна, тому в їхньому випадку ядерна енергетика може стати робочим альтернативним рішенням.

“Створення навіть скромного місячного житла для розміщення невеликого екіпажу вимагатиме вироблення електроенергії у мегаватних масштабах. Самі лише сонячні батареї та акумулятори не зможуть забезпечити надійне задоволення цих потреб”, — стверджує у своєму коментарі для BBC доктор Сангву Лім, старший викладач кафедри космічних застосунків, досліджень і приладобудування в Університеті Суррея.

Ядерні системи здатні забезпечити довгострокове електропостачання в космосі на різних етапах: для запусків космічних апаратів, живлення контрольно-вимірювальних приладів і систем управління, гарантування роботи системи зв’язку, підтримання робочого середовища для основного обладнання космічної місії. Ядерна енергетика дозволить створити місячну базу для постійної присутності людей на Місяці, оскільки зможе надавати безперебійне електропостачання навіть у холодну місячну ніч, коли температура різко опускається до -133°C і нижче — до -246°C у глибоких кратерах.

У перспективі ядерні технології допоможуть налагодити постійний видобуток корисних копалин на Місяці та організувати їхню безперебійну переробку. Роботизовані екскаватори, принтери для 3D-друку та інші пристрої у цьому випадку працюватимуть безперервно, а отже, потребуватимуть стабільного електроживлення. Маємо замкнуте коло, в якому різні технології у космосі доповнюють одна одну й існують у синергії. З одного боку, електроживлення забезпечує автономний видобуток корисних копалин, а їхнє виробництво, з іншого — подальшу підтримку енергетичної інфраструктури на Місяці.

За оцінками вчених, зараз на Місяці є запаси понад мільйон тонн гелію-3 (³He, стабільного ізотопу гелію), тоді як на Землі його не більше 35 000 тонн, та й ті поступово випаровуються з атмосфери в космос. Гелій-3 використовується для наповнення газових детекторів нейтронів, а його висока здатність до охолодження робить його одним із кращих варіантів для підтримки низької температури, необхідної квантовим комп’ютерам — тільки в таких специфічних умовах вони можуть працювати стабільно. На додаток до цього гелій-3 розглядають як гіпотетичне ядерне паливо — вчені вважають, що він має великий потенціал у сучасній ядерній енергетиці завдяки його поновлюваності та доступності (в контексті видобутку на Місяці).

Китайські дослідники з Шанхайського інституту супутникової інженерії нещодавно запропонували незвичайний спосіб доставки гелію-3 з Місяця: за допомогою обертової магнітної системи, яка працює за принципом олімпійського метальника молота. Вчені підрахували, що така установка зможе “викидати” корисні вантажі на Землю двічі на день, що дозволить заощадити на їхньому транспортуванні до 90%. Інтерес китайців легко зрозуміти: зараз на них уже припадає до 70% виробництва рідкоземельних матеріалів, а реалізація амбітних планів у глибокому космосі допоможе зміцнити статус технологічного лідера, який контролює не тільки земні ресурси, але й космічні запаси палива майбутнього. США, зі свого боку, прагнуть не допустити монополії свого основного конкурента та змінити ситуацію на власну користь.

“Щоб належним чином розвивати цю критично важливу технологію, яка дозволить підтримувати майбутню економіку Місяця, потужну генерацію енергії на Марсі і зміцнювати нашу національну безпеку в космосі, агентству вкрай важливо діяти швидко”, — додає Шон Даффі.

Директива щодо ядерних реакторів вимагає, щоб NASA звернулося до промислових гравців за пропозиціями щодо запуску ядерного реактора потужністю 100 кВт до 2030 року. Нагадаємо, раніше агентство вже фінансувало дослідження подібної установки для використання на Місяці, але тоді її потужність становила всього 40 кВт.

Обидва значення потужності досить скромні в земних масштабах: 100 кВт вистачить на те, щоб забезпечити енергією невелику місячну базу протягом декількох днів, а 40 кВт — один житловий модуль з компактною лабораторією. Щоправда, не йдеться про одну-єдину установку: після успішної реалізації пілотного проєкту енергосистему почнуть масштабувати відповідно до реальних потреб. Крім того, технічно створювати ядерний реактор з нуля не доведеться — вчені розробляють технології ядерної енергетики понад пів століття. У такому випадку необхідно буде лише адаптувати наявні рішення до нових умов експлуатації та вирішити кілька ключових проблем: як спроєктувати ядерний реактор так, щоб після складання на Землі його можна було доправити на Місяць і безпечно там запустити.

Де на Місяці може розміститися ядерний реактор

Ядерний реактор принесе реальну користь тільки якщо буде розташований поруч із доступними для видобутку та переробки покладами водяного льоду. Місяць у цьому плані по-своєму унікальний: як стверджують у NASA, він у 100 разів сухіший за пустелю Сахара, але при цьому вкритий водою — це вдалося підтвердити завдяки аналізу зразків, отриманих під час місії Apollo, вже у цьому столітті.

Точної інформації про місцезнаходження місячного водяного льоду вчені не мають, але ймовірні локації уже не таємниця. Частину відомостей надав Місячний розвідувальний орбітальний апарат (Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO), запущений у 2009 році. Досліджуючи область поблизу південного полюса Місяця, він досі допомагає NASA визначати райони наявності підземного водяного льоду та інших ресурсів, потрібних для забезпечення харчуванням обладнання, тобто щоб підтримувати дослідницьку діяльність майбутніх місій. Також ділянки підтвердженої присутності водяного льоду на місячній поверхні вдалося виявити за допомогою картографа мінералогії Місяця (NASA Moon Mineralogy Mapper).

Перераховані вище інструменти займаються збором даних, а їхній подальший аналіз дозволяє вибудовувати досить точні припущення. Але підтвердити або спростувати наявність водяного льоду чи інших ресурсів у глибокому космосі здатні тільки марсоходи, які фізично там присутні. Програма запуску роботизованого марсохода для дослідження покладів льоду на Місяці була припинена в середині 2024 року, проте у вересні 2025-го стало відомо, що його все-таки відправлять на південний полюс Місяця. Згідно з контрактом, туди його доставить компанія Blue Origin до кінця 2027 року.

Наявність поблизу водяного льоду — важлива, проте не єдина умова для життєзабезпечення майбутнього ядерного реактора на супутнику Землі. Необхідно продумати захист цього пристрою від різких перепадів температури, радіації, ударів мікрометеоритів і реголіту, що складається з уламків місячних порід, пилу й піску. Коли космічний апарат торкається поверхні Місяця, утворюється шлейф реголіту, який діє за принципом піскоструменя, пошкоджуючи чутливу оптику та електроніку. Тому знадобляться спеціальні захисні огорожі або розміщення системи вздовж лінії польоту частинок і за великими валунами. Також варто забезпечити відведення відпрацьованого тепла, врахувати механічні навантаження при зльоті й посадці — і все це теж складні інженерні завдання.

Якими будуть ядерні реактори США, Китаю та Росії

“Ядерна енергетика [в космосі] не тільки бажана, але й неминуча”, — констатував в інтерв’ю BBC доктор Сангву Лім. Він певен, що сонячні батареї та акумулятори не зможуть задовольнити потреби навіть найскромнішого місячного житла. Однак для реалізації місячного проєкту, заснованого саме на ядерній енергетиці, учасникам доведеться вирішити цілий комплекс завдань — від проєктування справді надійної установки до скорочення термінів її виробництва.

Розробити ядерний реактор для розміщення на Місяці — зовсім не те саме, що адаптувати під нові умови наземну установку. Зараз всі сторони орієнтуються на 2030 рік, але завчасна реалізація програми, очевидно, принесе технологічний тріумф тому, хто введе в роботу стійкий реактор на південному полюсі Місяця і закріпить за собою доступ до ресурсів.

США: довгий шлях до ядерної енергетики в космосі

SNAP-10A потужністю 600 Вт був першим і досі залишається єдиним ядерним реактором, який спроєктували і відправили в космос США. Після запуску в 1963 році він пропрацював на орбіті всього 43 дні — аж поки не вийшов з ладу його регулятор напруги. Цей реактор досі обертається на висоті близько 1300 км, в той час як тут, на Землі, готують його наступника.

Вище ми писали про початкову ідею реалізації 40-кіловатного місячного мікрореактора — конкурс на його створення з призовим фондом $5 млн США оголосили ще кілька років тому. У 2022-му за результатами конкурсу на першому етапі було укладено три контракти з компаніями Lockheed Martin/BWXT, Westinghouse/Aerojet Rocketdyne і X-energy/Boeing — їм належало розробити початковий проєкт. Зокрема, там передбачалися реактор, його системи перетворення енергії, відведення тепла, управління та розподілу енергії. Умови NASA на той момент мали такий вигляд: реактор повинен важити менше шести тонн і функціонувати без втручання людини протягом десяти років, підтримуючи дистанційне ввімкнення та управління. Під час підготовки до наступного етапу реалізації проєкту NASA уклало контракти з компаніями Rolls Royce North American Technologies, Brayton Energy та General Electric на розробку перетворювачів потужності Брайтона, що працюють на основі однойменного термодинамічного принципу.

Після заяв Китаю та Росії в NASA вирішили змінити вимоги до проєкту, і тепер хочуть бачити вже 100-кіловатні ядерні установки. У своєму інтерв’ю IEEE Spectrum Кеті Хафф, інженер-атомник і директор Лабораторії вдосконалених паливних циклів реакторів в Іллінойському університеті в Урбані-Шампейні, припустила, що агентство з високою ймовірністю обере адаптацію однієї з ранніх 40-ватних установок — це було б логічно. Хафф вважає, що майбутній місячний реактор буде спроєктований з використанням триструктурного ізотропного палива (TRISO), одного з різновидів уранового палива, а в якості охолоджувальної рідини оберуть гелій. Зараз будівництво реактора здійснюється в межах програми Fission Surface Power.

Планується, що ядерний реактор буде повністю зібраний на Землі, підготовлений до запуску, включно із заправкою паливом, і оснащений усіма елементами управління вже на момент транспортування. На Місяці треба буде лише ввести його в експлуатацію: спочатку витягти керуючі стержні, а потім запустити реакцію, використовуючи джерело нейтронів, наприклад каліфорній-252 (Cf-252).

Китай і Росія: гучні анонси й секретні розробки

Китай як головний противник США в нових космічних перегонах задає темп у питаннях освоєння Місяця: спільно з Росією він планує запустити ядерний реактор до 2035 року. Відповідний меморандум щодо проєкту був підписаний між “Роскосмосом” і Китайським національним управлінням пілотованих космічних польотів (China Manned Space Agency, CMSA) у травні 2025 року.

Офіційної інформації щодо цього проєкту небагато: ймовірно, ядерний реактор буде використовуватися обома країнами для дослідження та освоєння південного полюса Місяця в межах проєкту Міжнародної місячної дослідницької станції (International Lunar Research Station, ILRS). Місії, під час яких розпочнеться його будівництво, заплановані після 2028 року.

Все інше, що стосується майбутнього китайсько-російського місячного ядерного реактора, це припущення й здогадки на основі попередніх заяв або чуток. Китай, як і США, досяг успіхів у технологіях 3D-друку, що дозволить йому знизити залежність від комплектування, яке доправляють з Землі. А в 2024 році російська сторона розповіла, що технічні питання, пов’язані з місячним ядерним реактором, уже вирішені, за винятком проблеми ефективного охолодження, і поділилася планами щодо будівництва вантажного космічного корабля. Пізніше, в березні 2025 року, китайці представили першого космічного робота-шахтаря, який буде займатися розвідкою і збором корисних копалин на Місяці й Марсі. Все це підтверджує, що Китай і його партнери впевнено рухаються до створення атомної енергетичної системи на природному супутнику Землі.

Чому важливо, хто першим розмістить ядерний реактор на Місяці

Надійне і при цьому автономне джерело енергії на Місяці в перспективі допоможе забезпечити постійну присутність людини за межами Землі. Саме тому змагання між США й Китаєм за розміщення місячного ядерного реактора може стати поворотним моментом в освоєнні космосу, хоча сама ідея використовувати там ядерну енергію не нова.

З 1960-х років США і СРСР застосовували радіоізотопні генератори, що працюють на ядерному паливі, для живлення супутників, марсоходів і зонда Voyager 1. Однак тільки в 1992 році ООН прийняла необов’язкову резолюцію, яка нарешті регламентувала використання ядерних джерел енергії у космосі. Згідно з цим документом, ядерний реактор може бути корисним у місіях, де бракує сонячної енергії. Резолюція не забороняє використання ядерної енергії на Місяці, але приписує робити це безпечно та етично. Оскільки ці формулювання досить загальні, фактично диктувати реальні умови буде той, хто першим запустить в роботу ядерний реактор в умовах радіації, низьких температур і небезпеки пошкодження реголітом. Він же буде встановлювати нові стандарти безпеки та технологічного лідерства, які визначатимуть подальші місії та міжнародні угоди в космосі.

Ризики та виклики розміщення ядерного реактора на Місяці

Крім ризиків пошкодження реголітом, впливу мікрогравітації та дуже низьких температур, є ще кілька технічних проблем, які потрібно вирішити до майбутнього запуску на Місяць ядерного реактора.

• До або під час посадки може виникнути аварійна ситуація. Якщо буде пошкоджено захисну оболонку ядерної установки, у космос потрапить велика кількість радіонуклідів, а це призведе до його забруднення та поставить під загрозу майбутні місії.
• Недостатній радіаційний захист підвищить вірогідність захворюваності астронавтів і спричинить некоректну роботу наукових приладів.
• Постійні логістичні ризики під час доставки палива на ядерний реактор вимагатимуть великої кількості погоджень на різних рівнях і реалізації серйозних заходів безпеки.
• Можливі складнощі з виведенням ядерного реактора з експлуатації через відсутність необхідної інфраструктури та “місячних нормативів”, які б це регулювали.

Крім технічних, варто також врахувати правові ризики. У 2020 році вісім країн (а зараз їх уже понад 50), включно зі США, підписали Угоди Артеміди (Artemis Accords, АА). Вони регулюють принципи співпраці та діяльності з дослідження й використання Місяця, Марса й інших космічних об’єктів у мирних цілях.

Серед іншого, порушується питання про зони безпеки навколо об’єктів, що будуються на Місяці. “Якщо ви побудуєте ядерний реактор або будь-яку іншу базу на Місяці, ви можете почати стверджувати, що навколо неї є зона безпеки, оскільки там перебуває ваше обладнання”, — попереджає в своєму коментарі для BBC доктор Симеон Барбер, фахівець з планетології з Відкритого університету.

Він припускає: це рівнозначно тому, що деякі країни захоплять ділянку Місяця і обмежать доступ туди для інших. Водночас Китай, який не бере участі в Угодах Артеміди, має щодо цього власне бачення: його офіційна позиція ґрунтується на тому, що Місяць — спільне багатство всього людства. Хоча і США, і Китай наполягають на своїх мирних намірах, різниця в їхніх підходах все ще зберігається, що може створити небезпечний прецедент.

Хто переможе в перегонах за стратегічну інфраструктуру?

Космічні перегони між США і Китаєм на словах досягли свого піку в 2025 році — після того як стали відомі плани щодо будівництва китайської атомної станції на Місяці до 2035 року. США швидко відреагували і заявили про наміри запустити свій місячний ядерний реактор до кінця 2030-го. Оцінити, хто з них просто зараз ближче до поставленої мети, неможливо — насамперед через те, що китайська сторона практично не ділиться інформацією про проєкт, а американська висуває амбітні заяви на тлі скорочення бюджетів NASA. Однак змагання вже перейшло на новий рівень: воно вже не про те, хто першим встановить свій прапор на Місяці, а хто першим побудує критично важливу інфраструктуру для своєї постійної присутності там.

“Як експерт з космічного права, я […] розглядаю це не як гонку озброєнь, а як боротьбу за стратегічну інфраструктуру. І в цьому контексті інфраструктура рівнозначна впливу”, — пояснює Мішель Л.Д. Генлон, професор повітряного і космічного права, у своїй статті для The Conversation.

Джерело: MaxPolyakov.space

Читайте також:

Для експедицій на Місяць і Марс США планують використовувати ядерну енергію 

Створюється термоядерний двигун для пришвидшення космічних польотів 

Розміщення ядерної зброї на орбіті: остаточна руйнація безпекової системи ХХ сторіччя