Лунная АЭС: испытание не только реактора, но и теплоотвода

Макет советской термоэмиссионной ядерной энергетической установки космического назначения «Топаз» — ТЭУ-5 «Тополь».

Электричество для Луны: как станции избавляться от тепла#

Лунную энергосистему нужно не только снабдить топливом и запустить. Ей предстоит непрерывно отводить тепло, образующееся при выработке электричества. В вакууме нет воздуха, поэтому вентилятор не поможет: охлаждающая система должна передавать тепло к радиаторам, а те — рассеивать его излучением. Если теплоотвод выйдет из строя, даже реактор с запасом топлива на годы не сможет продолжать энергоснабжение потребителей.

В обсуждениях лунной ядерной энергетики часто сопоставляют сроки программ. NASA планирует разработать реактор для Луны к 2030 году, а российский государственный контракт на создание лунной электростанции рассчитан до 2036-го. Однако эти даты относятся к разным этапам работ и сами по себе не показывают, какие именно системы должны быть готовы к каждому сроку.

Главная техническая задача — добиться длительной работы станции без ремонтной бригады на месте. Для этого необходимо совместно отработать реактор, преобразователь энергии, охлаждение и распределение электричества. Некоторые важные испытания можно проводить на Земле, не используя ядерный реактор.

Стендовая проверка без реактора#

В презентации NASA для промышленности, опубликованной 14 сентября 2026 года, проект обозначен как Lunar Reactor-1, или LR-1. Документ подготовлен в рамках закупочной программы SPARC. Для будущей энергетической системы установлены два основных требования: выдавать не менее 20 кВт электрической мощности и непрерывно работать на полной мощности как минимум пять лет.

Первый этап предполагает наземную проверку системы. Для этого создадут предварительный проект, инженерный макет и испытательный стенд. Вместо ядерного реактора тепло будет вырабатывать электрический нагреватель. Получается замкнутая схема: электричество превращается в тепло, а затем система снова производит электричество.

Испытания должны охватить всю цепочку преобразования энергии: передачу тепла, его превращение в электричество, отвод избыточного тепла и снабжение подключённой нагрузки. На стенде проверят запуск установки, переключение режимов и взаимодействие её агрегатов. Делящегося топлива для этих работ не потребуется.

Отдельно испытать преобразователь недостаточно. В составе станции его работа будет зависеть от параметров подачи тепла, системы охлаждения и потребления подключённых приборов. Поэтому поведение узла в реальной энергосистеме может отличаться от результатов автономного испытания.

Электрический нагреватель не воспроизводит воздействие радиации. По этой причине компоненты станции должны проходить и отдельные радиационные испытания.

Сколько тепла скрывается за 20 кВт#

Электрическая мощность не описывает весь энергетический баланс: тепловая машина преобразует в электричество только часть поступающего тепла, а остаток необходимо отвести.

Для оценки можно взять условную установку с выходной электрической мощностью 20 кВт и КПД преобразования 20%. Чтобы получить такой электрический выход, ей потребуется 100 кВт тепловой мощности, из которых 80 кВт нужно будет удалить системой охлаждения. Это расчётный пример, а не заявленные характеристики LR-1 или российской «Селены».

Для приблизительной оценки площади радиатора применим закон Стефана — Больцмана. Предположим, что вся излучающая поверхность имеет одинаковую температуру и свободно отдаёт тепло в холодное пространство. Коэффициент излучения примем равным 0,9, а нагрев со стороны Солнца и лунного грунта пока не будем учитывать. Чтобы рассеять 80 кВт, потребуется ориентировочно:

При температуре 400 К, то есть около 127 °C, — 61 м² излучающей поверхности.

При температуре 500 К, или примерно 227 °C, — 25 м².

Именно поэтому температура радиатора имеет большое значение. При прочих равных мощность теплового излучения увеличивается пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Но произвольно повышать температуру охлаждения нельзя: она связана с рабочим режимом преобразователя, его КПД и допустимыми температурами материалов.

Расчётная площадь излучения не равна габаритам и массе готового радиатора. В проекте потребуется определить, будут ли работать обе стороны панели, не окажется ли часть поверхности закрыта от холодного пространства и как именно устроен теплоотвод. Реальная конструкция должна также учитывать внешнее нагревание, неодинаковую температуру разных участков и необходимый запас работоспособности.

Даже упрощённая оценка показывает масштаб задачи: за электрической мощностью в 20 кВт могут стоять десятки квадратных метров радиаторной поверхности. Её нужно изготовить, доставить на Луну и разместить там в рабочем положении. Сам по себе холод окружающей среды тепло от станции не отводит.

Солнечная энергетика и ограничения освещения#

Солнечные батареи пригодны для энергоснабжения там, где доступного света достаточно. На южном полюсе Луны существуют площадки с продолжительными периодами освещения, но рядом располагаются участки, куда солнечный свет попадает редко или не попадает вовсе. Поэтому выбор источника энергии зависит от конкретного места посадки и расписания работы оборудования.

Масштаб накопления энергии можно оценить на примере двухнедельного перерыва в генерации. Чтобы обеспечивать нагрузку 20 кВт в течение четырнадцати земных суток, потребуется накопить 6720 кВт·ч. Потери в системе, энергозатраты на обогрев и резерв мощности увеличат необходимый запас. Это пример длительного периода без солнечной генерации; условия выбранной полярной площадки нужно рассчитывать отдельно.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор, или РИТЭГ, тоже способен работать без солнечного света: он использует тепло естественного радиоактивного распада. MMRTG марсохода Perseverance в начале миссии вырабатывает около 110 Вт электрической мощности. Этого может быть достаточно для аппарата с умеренным энергопотреблением, но до уровня 20 кВт такой мощности далеко.

Реактор может быть обоснован для длительной работы с киловаттными нагрузками, если освещение ненадёжно, а необходимый запас энергии делает систему накопления чрезмерно тяжёлой. Ядерная установка позволяет меньше зависеть от положения Солнца, дольше проводить наблюдения, поддерживать связь и выполнять другие задачи. Взамен возникают дополнительные требования к защите, преобразованию энергии, охлаждению и испытаниям.

Корректное сравнение требует сопоставлять полные комплекты оборудования, рассчитанные на одну и ту же задачу. Только так можно оценить, какая система окажется предпочтительнее для конкретной площадки.

Советские реакторные установки и новые задачи#

Опыт космических ядерных энергосистем в России опирается на советские разработки. В обзоре, опубликованном в 2009 году в журнале Acta Astronautica, Мохамед Эль-Генк перечислил 31 запуск установок БУК. С 1970 по 1988 год их использовали на спутниках морской радиолокационной разведки. Ещё две установки «Топаз» вывели на орбиту в 1987 году.

БУК и «Топаз» вырабатывали электричество разными способами. В установках БУК применялось термоэлектрическое преобразование, основанное на появлении тока при разнице температур. «Топаз» использовал термоэмиссионный принцип: электроны выходили из нагретого материала. Турбогенераторов не было ни в одной из этих систем.

Советские специалисты разрабатывали и запускали полноценные энергетические комплексы, включавшие преобразователи, системы отвода тепла и управления. Установки БУК рассчитывались на месяцы работы, а «Топаз» — на срок до года. Для многолетнего функционирования на Луне ресурс оборудования потребуется подтвердить заново.

Изменится и сама задача. Орбитальная установка обеспечивала энергией приборы спутника-носителя. Лунной станции предстоит пройти посадку, занять рабочее положение и снабжать оборудование на поверхности. Энергоснабжение лунохода, обсерватории и элементов базы требует иной организации системы.

В декабре 2025 года «Роскосмос» заключил с НПО им. С. А. Лавочкина государственный контракт на создание российской лунной электростанции. Работы рассчитаны до 2036 года и включают наземную отработку, лётные испытания и развёртывание инфраструктуры. Среди предполагаемых потребителей названы аппараты российской лунной программы и объекты Международной научной лунной станции.

Название «Селена» прозвучало отдельно — в заявлении президента Курчатовского института Михаила Ковальчука о российской разработке. По данным, которые Ковальчук назвал и которые привёл «Интерфакс», мощность установки составит 5 кВт, а срок службы может достигать пяти лет. Опытный образец энергомодуля планируется создать к 2032 году.

Глава «Росатома» Алексей Лихачёв, в свою очередь, говорил об энергоблоке мощностью до 10 кВт и сроке безаварийной работы от десяти лет. Эти сведения не позволяют однозначно установить, описывают ли они одну установку или разные варианты. Поэтому объединять значения в единую характеристику «Селены» пока нельзя.

Советские проекты создают серьёзную основу для новых разработок, однако её значение будет определяться характеристиками новой системы, результатами испытаний и её работой на Луне. Предыдущий опыт не отменяет необходимости подтверждать надёжность оборудования для новых условий.

Электростанция как груз для посадки#

Наземную электростанцию обычно возводят там, где она будет работать. Лунную установку сначала необходимо подготовить к перелёту. В транспортном состоянии оборудование должно выдержать стартовые перегрузки, вибрацию и нагрузки, возникающие при посадке. После этого его предстоит разместить так, чтобы отводить тепло и подавать электричество потребителям.

Если конструкция включает разворачиваемые элементы, после посадки их нужно привести в рабочее положение. Удалённые потребители будут соединены со станцией линиями электропередачи. Вместе с реактором потребуется доставить кабели, опоры, механизмы и силовую электронику.

В требованиях к LR-1 указана автоматическая работа при периодической связи с Землёй. Станция должна изменять нагрузку от нуля до полной выходной мощности и сохранять возможность выдавать не менее 20 кВт при отказе одного элемента системы. Это конкретное требование к конструкции и управлению, но не обещание, что установка перенесёт любую неисправность.

На наземном стенде специалисты могут близко наблюдать за агрегатами и добираться до соединений с инструментами. После доставки на Луну возможности вмешательства резко уменьшатся. Поэтому нештатные ситуации необходимо выявлять и изучать заранее.

Что показали испытания KRUSTY#

С ноября 2017-го по март 2018 года NASA и Национальное управление ядерной безопасности США испытывали в штате Невада демонстратор KRUSTY, созданный в рамках программы Kilopower. Заключительное испытание длилось около 28 часов и включало запуск, выход на полную мощность, работу в установившемся режиме и остановку. Во время эксперимента имитировали отказы двигателей и тепловых труб.

Прототип компактного космического ядерного реактора Kilopower (KRUSTY), разработанного NASA и Лос-Аламосской национальной лабораторией для энергоснабжения лунных и марсианских баз, а также космических аппаратов.

В KRUSTY тепло преобразовывалось в электричество с помощью двигателей Стирлинга. В презентации NASA за сентябрь 2026 года для LR-1 указан замкнутый цикл Брайтона. В этой схеме нагретый газ приводит в движение турбину, соединённую с генератором и компрессором; после охлаждения газ снова проходит через контур.

Обе установки используют динамическое преобразование энергии: между источником тепла и электрическим выходом действует тепловая машина. Однако поршневой преобразователь Стирлинга и турбинная система различаются устройством и рабочими режимами. Опыт KRUSTY может быть полезен при разработке новой программы, но ресурс и поведение оборудования LR-1 предстоит проверять отдельно.

Важная сторона испытаний KRUSTY — проверка реакции на нарушения нормальной работы. Специалисты моделировали отказы, пока рядом находились приборы, испытательная команда и средства вмешательства. Для лунной станции такой подход позволяет заранее изучить последствия неисправностей.

Многолетний срок работы ставит дополнительные вопросы о долговечности преобразователя, электроники, радиаторов и системы передачи тепла. Запас ядерного топлива сам по себе не гарантирует, что все остальные компоненты сохранят свойства в течение того же периода. Короткое испытание подтверждает работоспособность в проверенных режимах, а ресурс системы требует отдельной оценки.

Энергоснабжение во время лунной ночи#

Для России лунная электростанция должна обеспечить длительную работу приборов в условиях, когда график освещения ограничивает исследовательскую деятельность. Советские установки БУК и «Топаз» показывают, что отечественная школа уже создавала космические реакторные энергосистемы. Теперь необходимо подтвердить способность новой установки годами работать после посадки на поверхность другого небесного тела.

Результат программы будет выражаться не только в запуске станции или завершении испытаний. Важна возможность продолжать наблюдения и измерения, а также поддерживать связь в периоды, когда солнечный свет не обеспечивает работу оборудования.

При этом станция должна самостоятельно справляться с избыточным теплом. Для условной системы, отводящей 80 кВт, расчётная площадь радиаторов составляет примерно от 25 до 61 м² — в зависимости от того, работают ли они при 500 или 400 К. В этой оценке не учтён нагрев от Солнца и лунного грунта. От эффективности теплоотвода зависит работа всей остальной энергосистемы.