Дрони та ядерні відходи: як Пентагон прагне перетворити відходи ядерної енергії на енергетичне джерело для дронів нового покоління (Юрій Світлик)

Сьогодні я поділюсь інформацією про те, як DARPA має намір застосувати 30-річні батареї, виготовлені з ядерних відходів, для забезпечення енергією дронів майбутнього. Цю інформацію містить нещодавній звіт. Ініціатива SYMPHONEE орієнтована на збори стронцію-90, який планують використовувати для живлення надійних військових безпілотників.

Давня амбіція енергетичної сфери знаходить нове вирішення.

Концепція джерела живлення, що може функціонувати протягом тривалого часу без необхідності у зарядці чи заміні елементів, супроводжує еволюцію портативної електроніки з її виникнення. Для військових цілей ця проблема є надзвичайно актуальною: автономні сенсори, підводні пристрої та дрони з тривалим терміном служби стикаються не з обмеженнями обчислювальної потужності, а з простим питанням ємності акумулятора.

Агентство передових оборонних дослідницьких проєктів США (DARPA) вирішило підійти до цієї проблеми нестандартно, запустивши ініціативу "Rads to Watts", яка має на меті розробку компактних джерел живлення, здатних функціонувати протягом десятиліть завдяки безпосередньому перетворенню енергії, що вивільняється під час радіоактивного розпаду, в електричну енергію. Нещодавно укладений контракт на суму 3,37 мільйона доларів з Університетом Морган Стейт та його партнерами став першим практичним кроком у реалізації цієї ідеї, перетворюючи її на реальний пристрій.

Проєкт SYMPHONEE: інженерне рішення для фізичної задачі.

В основі програми лежить проєкт під назвою SYMPHONEE, що є абревіатурою для Strontium-Yttrium Multi-junction PIN-based High-Density Output Nano-system for Extreme Environments. Ця назва насправді відображає технічні аспекти розробки: багатоперехідна PIN-структура, призначена для роботи з ізотопами стронцію-90 та ітрію-90, здатна забезпечувати високу питому потужність навіть у екстремальних умовах. Головною метою контракту є фінансування створення життєздатного прототипу, який зможе генерувати понад 10 ват електричної потужності на кілограм ваги та зберігати цю потужність протягом багатьох років. Важливо зазначити, що ця розробка базується не на теоретичних концепціях, а на більш ніж двадцятирічному досвіді дослідників Морган Стейт у цій галузі. Інженери кафедри електротехніки та обчислювальної техніки університету працюватимуть над розвитком та демонстрацією концепції пристрою Symphonee, спираючись на результати попередніх досліджень науковців Морган.

Сонячні панелі versus термоелектричні системи: які основні відмінності?

Щоб зрозуміти амбіційність концепції SYMPHONEE, потрібно звернути увагу на те, чим вона відрізняється від традиційних ядерних джерел енергії – радіоізотопних термоелектричних генераторів (РІТЕГ), які вже багато років використовуються в космічних експедиціях, таких як "Вояджер" або марсохід Curiosity. У класичних РІТЕГ тепло, що виникає внаслідок радіоактивного розпаду ізотопу, перетворюється на електрику через ефект Зеєбека: температура різних частин термопари створює електричний струм. Хоча цей метод є надійним, він має певні обмеження – навіть вдосконалена модель eMMRTG, яка працює при температурах 600-625°C на гарячій стороні та 100-200°C на холодній, забезпечує лише 7,6-8,3% ефективності перетворення. При цьому, питома потужність систем GPHS-RTG, що живлять космічні апарати NASA, становить близько 5,2 ват на кілограм маси.

SYMPHONEE впроваджує радіовольтаїчний метод, який уникає етапу нагрівання термопари: заряджені частинки, що виникають в результаті розпаду ізотопу, безпосередньо створюють електронно-діркові пари в напівпровідниковій структурі. Це принципово схоже на роботу сонячних панелей, але замість фотонів використовується радіація. Генеральний директор і засновник Project Omega, Стаффорд Шихан, пояснює принцип функціонування пристрою простими словами: якщо сонячні елементи перетворюють світло на електрику, то їхні пристрої роблять те ж саме, але з радіаційною енергією. Компанія позиціонує свої радіоізотопні джерела живлення як міні-генератори, які повинні замінити звичні батареї. Якщо цей задум буде реалізовано, це дозволить подолати фізичні обмеження термоелектричних систем і суттєво підвищити енергетичну щільність на одиницю маси, що є критично важливим для сучасних автономних платформ.

Стронцій-90 як паливо: логіка вибору ізотопу

Вибір стронцію-90 як базового ізотопу для SYMPHONEE невипадковий. На відміну від плутонію-238, який традиційно живить космічні РІТЕГ і виробництво якого залишається дорогим та обмеженим, стронцій-90 є побічним продуктом переробки відпрацьованого ядерного палива атомних електростанцій. Тобто фактично відходом, що вже існує у значних обсягах і потребує утилізації. Це принципово змінює економіку проєкту: замість того, щоб виробляти рідкісний ізотоп спеціально для джерела живлення, розробники пропонують знайти корисне застосування накопиченим ядерним відходам.

Технічні труднощі виникають через те, що бета-розпад стронцію-90 і його розпадний продукт ітрій-90 формують значно менш оптимальний енергетичний спектр в порівнянні з альфа-розпадом плутонію. Це у свою чергу вимагає розробки абсолютно нової архітектури напівпровідникового перетворювача. Саме цей аспект є інженерним викликом, який намагається вирішити багатоперехідна PIN-структура SYMPHONEE.

Консорціум: розподіл компетенцій між наукою, промисловістю та ядерною енергетикою

Програма "Rads to Watts" вирізняється тим, що DARPA спеціально зібрала команду, яка охоплює весь процес — від основ наукових досліджень до серійного виробництва. Загальна координація реалізації проєкту покладена на Університет Морган Стейт, який став першим історично чорношкірим коледжем чи університетом (HBCU), що очолив такий великий проєкт DARPA. Лабораторія Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) відповідатиме за маніпуляції з радіоактивними матеріалами та проведення тестувань, що є критично важливим у контексті роботи з бета-випромінювачами. Компанії Northrop Grumman та ARA (Applied Research Associates) займаються розробкою моделей на основі штучного інтелекту для оптимізації архітектури пристрою, тоді як Widetronix спеціалізується на проєктуванні радіовольтаїчних перетворювачів для ядерних мікрогенераторів. Особливо варто відзначити участь Project Omega — компанії з практичним досвідом виробництва таких елементів живлення, яка відповідатиме за створення фізичного прототипу для DARPA. Варто зазначити, що фінансування контракту має поетапну структуру: початкова сума становить 2,4 мільйона доларів на перші півтора року, з можливістю двох продовжень — 937 489 доларів на дев'ять місяців і 28 237 доларів на шість місяців. У разі реалізації всіх опцій загальна сума фінансування перевищить 3,3 мільйона доларів протягом тридцяти місяців. Така структура є типовою для DARPA та дозволяє агентству оцінювати проміжні результати перед виділенням коштів на наступні етапи.

Військова сфера: від безпілотників до підводних технологій.

Основний практичний інтерес до цієї технології зосереджений на автономності бойових та розвідувальних платформ. Сучасні дрони стикаються з обмеженнями, пов'язаними з ємністю акумуляторів: чим довше потрібно, щоб літальний апарат міг залишатися в повітрі або патрулювати територію, тим більшу частину корисного навантаження доводиться віддавати на користь батарей. Джерело енергії, яке може забезпечувати стабільну потужність протягом десятиліть без необхідності підзарядки, радикально змінює підходи до проектування безпілотних систем — зникає потреба в регулярному поверненні апарата на базу або обслуговуванні в польових умовах. Цікаво, що компанія Project Omega вже випустила рекламний ролик, в якому демонструє морські безпілотники, що мають заявлений десятирічний ресурс автономності. Це свідчить про те, що технологія має потенціал не лише для повітряних платформ, але й для підводних систем спостереження та розвідки. Дослідники виділяють три середовища, в яких таке джерело живлення надає найбільші переваги: космічний простір, підводний світ та зони бойових дій — тобто ті місця, де традиційні рішення для підзарядки або недоступні, або можуть зрадити позицію апарата. Представник компанії Northrop Grumman підкреслив значення довговічних джерел енергії для оборонних систем майбутнього, тоді як Project Omega активно працює над розробкою автономних систем підводної безпеки, таких як морські дрони. Це відповідає загальному тренду останніх років, що стосується розвитку безпілотних апаратів для моніторингу підводної інфраструктури та протипідводної боротьби.

Обмеження та невирішені аспекти

Незважаючи на великі амбіції, шлях від інженерної ідеї до серійного виробництва військової продукції залишається тривалим. По-перше, робота з радіоактивними матеріалами, навіть у вигляді промислових відходів, вимагає дотримання суворих стандартів безпеки, транспортування і утилізації, що традиційно є одним із основних стримуючих факторів для ядерних джерел живлення як у цивільному, так і у військовому секторах. По-друге, ціль у 10 ват на кілограм є значним прогресом у порівнянні з показниками наявних РІТЕГів, що стало причиною структурування контракту як програми створення прототипу, а не готового продукту: DARPA зазвичай фінансує такі дослідження на етапі, коли практична реалізація ідеї ще не підтверджена. По-третє, витрати на виробництво подібних джерел живлення залишаються невизначеними, і саме економічні аспекти, а не фізичні процеси, часто визначають, чи вдасться технології вийти за межі дослідницьких лабораторій. Варто зазначити, що паралельно DARPA підтримує й альтернативні рішення в рамках тієї ж програми, зокрема, контракт з компанією Avalanche на розробку твердотільних мікровиготовлених елементів, які перетворюють альфа-частинки радіоізотопів безпосередньо в електрику, подібно до того, як сонячні панелі перетворюють фотони. Це свідчить про тестування кількох технологічних шляхів одночасно, а не зосередження на єдиному рішенні.

Роль інноваційних технологій в архітектурі війни майбутнього.

Програма "Rads to Watts" ілюструє ширшу тенденцію в сучасних оборонних дослідженнях: пошук рішень для проблеми автономності, яка все частіше стає вузьким місцем у розвитку безпілотних систем. Якщо гіперзвукова зброя й системи РЕБ визначають характер сучасного бою на тактичному рівні, то джерела живлення нового покоління формують саму інфраструктурну основу, що уможливлює тривалу присутність автономних платформ там, де людина фізично не може перебувати -- на глибині океану, на орбіті чи в зоні активних бойових дій. Перетворення ядерних відходів на прикладний військовий ресурс додає до цієї історії ще один вимір: технологія, що дозволяє утилізувати проблемний побічний продукт атомної енергетики, водночас вирішуючи стратегічну задачу енергетичної незалежності автономних систем. Наскільки реалістичним виявиться шлях від тридцятимісячного дослідницького контракту до польового зразка, покаже практика, але сам факт, що DARPA паралельно фінансує кілька конкуруючих технологічних підходів у цій ніші, свідчить про те, що агентство сприймає проблему енергетичної автономності дронів як один із пріоритетів найближчого десятиліття.