По сути, ядерный двигатель в наши дни устанавливается едва ли не на каждом космическом аппарате. Основными источниками энергии в межпланетных станций остаются и в обозримой переспективе останутся — радиоизотопные. Это капсулы с 238 изотопом плутония (реже с другим нестабильным изотопом). Энергия спонтанного распада ядер превращается в электрическую с помощью термоэмиссионного преобразователя. Однако, несмотря на постоянные доработки, недостатком таких устройств остаётся КПД достойный разве что паровых машин. Не больше 7% энергии распада ядер плутония удаётся как-то использовать.
В настоящее время работы ведутся над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим много общего с известным ещё с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Принцип действия устройства, КПД которого может достигать 30%, основан на циклическом изменении температуры рабочего тела. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается.
Двигатель Стирлинга развивает небольшую мощность по отношению к собственному весу. Именно эта слабость в своё время не позволила ему составить конкуренцию паровым машинам Уатта. С другой же стороны, он чрезвычайно удобен тем, что позволяет использовать любую разницу температур, даже самую незначительную. В случае применения плутониевой болванки в качестве нагревающего элемента, это достоинство приобретает решающее значение, ведь тепла она даёт немного.
Преобразование ядерной энергии в тепловую, потом в кинетическую движения поршня, и только потом уже в электрическую (которой также предстоит быть во что-то преобразованной), представляется плохой идеей, по сравнению с практикуемым прямым превращением ядерной энергии в электрический ток. Кроме того, атомная энергетическая установка с поршнем выглядит крайне экстравагантно, а наличие движущихся частей снижает надёжность устройства. Но первое впечатление обманчиво. Ведь, нет никаких препятствий тому, чтобы объединить принципы термоэлектрогенерации и тепловой машины Стирлинга. В последнем случае, поршень позволит преобразовать в электричество дополнительно 30% энергии распада.
Пока, технология находится в стадии разработки. Гладкий на бумаге замысел может столкнуться с бездонными оврагами в процессе практической реализации. Беспокойство вызывает поведение механизма в условиях перегрузок и изменения температур за время космического полёта. Тем не менее, у идеи ощущается потенциал.
И в первую очередь потенциал косвенный. Баланс достоинств и недостатков радиоизотопной машины Стирлинга спорен, но она — в случае создания и испытания, даже неудачного, — станет ступенью к качественно более эффективному источнику энергии — газофазному ядерному двигателю.
Мощность энергетической установки может быть повышена на порядки, если заменить спонтанную реакцию деления цепной. То есть, превратить двигатель Стирлинга в предельно простой по устройству ядерный реактор, обладающий к тому же высочайшим для подобных устройств КПД. Для этого потребуется использовать в качестве рабочего тела — расширяющегося при нагревании и сжимающегося при остывании газа — газообразное ядерное горючее. В котором, кстати, нет ничего революционного. Обогащение уран проходит именно в газообразной форме.
Начавшаяся цепная реакция в этом случае приведёт к нагреву, расширению газа и смещению поршня. При этом плотность газообразного изотопа снизится, потери нейтронов возрастут, и цепная реакция прекратится. После охлаждения пара и возвращения поршня в исходное положение, условия для осуществления цепной реакции восстановятся, и начнётся следующий цикл.
Реактор, основанный на таком принципе, будет достаточно безопасен, так как реакция не сможет выйти из-под контроля. Поршень позволит эффективнее, чем это делают полупроводниковые термоэлектрогенераторы, преобразовывать тепло в электричество. Вместе с тем, для осуществления проекта требуется преодолеть целый ряд серьёзных технических препятствий… В первую очередь, кстати, связанных с созданием новых ракет носителей сверхтяжёлого класса. Ибо плотность газообразного горючего в не слишком-то прочном цилиндре не может быть очень велика, следовательно, свободный пробег нейтронов окажется большим. А значит, и сам двигатель — не маленьким.
