Плутоний подарил нам Вояджеры, но его эпоха заканчивается — на смену приходит америций, который сможет питать зонды столетиями

Почти 50 лет назад, в 1977 году, два автоматических аппарата — Вояджер-1 и Вояджер-2 — отправились к границам Солнечной системы. Их солнечные панели не выдержали бы такого путешествия, а любые батареи давно бы разрядились. Но оба зонда до сих пор выходят на связь с околомежзвёздной областью благодаря компактным ядерным источникам питания. Внутри их радиоизотопных генераторов находится плутоний-238 — изотоп, который десятилетиями выделяет тепло и обеспечивает стабильный ток.

Сейчас у исследователей появляется новый кандидат на подобные миссии. Речь идёт об америции — топливе, которое способно работать не десятилетия, а столетия. Оно может дать странам независимость от ограниченных запасов плутония-238 и открыть возможность запускать аппараты, которые будут идти к другим звёздам даже тогда, когда на Земле успеют смениться поколения. Чтобы понять, почему это важно, нужно вспомнить, как вообще питаются межпланетные аппараты.

Солнечные батареи отлично подходят для орбитальных спутников или для МКС. На Марсе они тоже работают, пока погода стабильна. Но с удалением от Солнца поток света быстро падает. У Юпитера освещённость в 25 раз слабее, чем возле Земли, а в районе орбиты Плутона — примерно в тысячу раз.

Если бы Вояджеры зависели от солнечных панелей, каждому понадобились бы гигантские конструкции размером с футбольное поле. Вместо этого инженеры поставили на них компактные RTG, по размеру напоминающие металлическую бочку. Внутри находится таблетка плутония-238: при распаде ядра выделяют тепло, а термопары превращают это тепло в электричество. В системе нет движущихся деталей, так что ломаться просто нечему, и генератор десятилетиями выдаёт стабильную мощность.

На старте каждый Вояджер получал около 470 ватт. Сегодня, спустя почти полвека, его три генератора обеспечивают немного больше 200 ватт — всё ещё достаточно для поддержания работы ключевых приборов. Плутоний-238 при этом не может использоваться для оружия: он не поддерживает цепную реакцию и просто медленно остывает, не создавая опасных прецедентов.

Плутоний-238 стал стандартом благодаря сочетанию высокой мощности и периода полураспада в 88 лет. Его начали использовать ещё в 1969 году — сначала на спутниках, затем в генераторах научных станций программы «Аполлон». Позднее именно он позволил отправить начинки аппаратов к Юпитеру, Сатурну, Плутону и дальше.

Кассини, например, работал возле Сатурна тринадцать лет и использовал 33 килограмма плутония-238. Без этого он бы просто не пережил холод и слабое освещение на таких расстояниях. Проблема оказалась в другом: изотоп нужно производить вручную, и после окончания холодной войны его выпуск резко сократился. К 2000-м NASA столкнулось с реальным дефицитом. RTG ровера Curiosity — один из последних проектов, который получил крупную порцию старых запасов.

Производство удалось восстановить только в 2015 году, когда Национальная лаборатория Ок-Ридж снова получила первые граммы. Сейчас ежегодные объёмы измеряются сотнями граммов. Одной же миссии часто требуются пять килограммов и больше. При таком расходе США просто не успевают пополнять запасы. Именно этот дефицит и заставил специалистов обратить внимание на америций.

Америций — синтетический элемент, появившийся в 1944 году в ходе работ Манхэттенского проекта. Для космоса наиболее интересен изотоп америций-241. Его период полураспада составляет 432 года — в пять раз больше, чем у плутония-238.

Но главное — в доступности. Америций-241 образуется внутри отработанного ядерного топлива, когда плутоний-241 самопроизвольно распадается. Он накапливается в хранилищах с годами. В Великобритании уже существуют большие запасы подобного материала, и его можно извлекать, буквально превращая старые отходы в ресурс для межпланетных полётов. Для Европы это не только удобный источник топлива, но и стратегическая независимость. Нет нужды ждать поставок плутония из США и зависеть от политических ограничений.

У плутония всё же есть сильное преимущество — он выделяет больше тепла: примерно 0,5 ватта на грамм. Америций выдаёт около 0,1 ватта. Поэтому генераторы на новом топливе получаются крупнее и тяжелее. В космосе масса критична: каждый дополнительный килограмм увеличивает цену запуска.

Из-за этого плутоний остаётся лучшим вариантом для мощных платформ, вроде роверов Perseverance и Curiosity с буровыми инструментами, камерами, спектрометрами и сильными передатчиками. Америций лучше подходит для небольших аппаратов, которым нужна только «жилая температура» и минимальное количество электроэнергии — зато в течение столетий.

Европа уже активно работает с америцием. Университет Лестера более 10 лет разрабатывает радиоизотопные системы в сотрудничестве с Европейским космическим агентством и британским Космическим агентством. В разработке находятся и полноценные RTG, и маленькие нагревательные блоки, предназначенные для поддержания тепла на ледяных спутниках и в иных холодных районах Солнечной системы.

Такие источники особенно перспективны для медленных межпланетных зондов, аппаратов для изучения подледных океанов или инструментов, способных дрейфовать в межзвёздной среде веками. NASA рассматривает проект Interstellar Probe — зонд, который должен отойти от Земли примерно на 150 миллиардов километров. Для такого путешествия требуется топливо, которое работает поколениями, а не десятками лет. Здесь америций играет свою главную роль.

Для Европы вопрос стал ещё практичнее после прекращения сотрудничества с Россией в сфере радиоизотопных систем. Америциевые RTG рассматриваются как способ вернуть независимость для миссий следующего десятилетия — включая марсоход Rosalind Franklin.

Еще одна важная слабость америция — низкая удельная мощность. Чтобы компенсировать это, инженеры возвращаются к старой идее — двигателю Стирлинга. В этой схеме рабочий газ внутри замкнутого контура нагревается и охлаждается, двигая поршень, который вращает электрогенератор. Это полностью герметичная система, подходящая для космоса.

Обычные RTG используют термоэлектрические модули с КПД около пяти процентов. Стирлинговые преобразователи могут достигать 25% и выше. Это значит, что тот же объём топлива может давать куда больше электричества или, наоборот, что можно использовать меньше радиоизотопа при той же мощности.

У двигателей Стирлинга есть движущиеся детали, и это вызывает вопросы по надёжности. Но америций выделяет тепло очень равномерно, а генератор можно построить модульным — если одна секция выйдет из строя, остальные продолжат работу. Лётных испытаний таких систем пока не было, но наземные проверки идут, и результаты выглядят многообещающе.

Десятилетиями США контролировали производство плутония-238, что давало NASA очевидное преимущество. У других космических агентств просто не было альтернативы. Америций меняет эту схему: он создаёт новый рынок и фактически новую энергетическую архитектуру в космосе.

В будущем оба изотопа, скорее всего, будут сосуществовать. Плутоний — для мощных и компактных платформ. Америций — для многолетних и маломощных проектов, в том числе межзвёздных.

Такое топливо может пригодиться и на Земле: например, для автономных глубоководных аппаратов, удалённых исследовательских станций или военной инфраструктуры, которая должна работать годами без обслуживания.

Что в итоге? Плутоний-238 обеспечил самые дальние путешествия космической эпохи — от «Аполлонов» до Кассини и Вояджеров. Но запасы сокращаются, а задачи, наоборот, становятся всё более амбициозными. Америций не даёт высокой мощности, зато способен работать столетиями. В дальнем космосе, где расстояния измеряются поколениями, именно долговечность может оказаться самым ценным качеством.