От Черно-ботов до костюмов Железного Человека: как развивалась робототехника для борьбы с последствиями ядерных катастроф

Первые разработки

Толчком к развитию робототехники, способной заменить человека при выполнении работ на объектах, где превышен критический уровень радиации, стала авария на втором энергоблоке АЭС Три-Майл-Айленд (TMI-2) в Соединенных Штатах, произошедшая в 1979 году. Команда инженеров компании Bechtel, отвечающая за очистку пораженной территории от радиоактивного загрязнения, объединив свои усилия с профессором робототехники Уильямом Уиттакером из Университета Карнеги-Меллона, потратила шесть месяцев на создание роботов специально для TMI-2.

Первый робот, названный Rover, был оснащен фарами, камерами и передвигался на шести колесах, а питание получал посредством электронного троса. Основная задача аппарата заключалась в получение и отправке операционной группе фотографий и видео обстановки на объекте. Чуть позже робот был оснащен дополнительными инструментами, которые позволяли ему выполнять работы по очистке и взятию проб посредством вакуумного всасывания радиоактивного осадка.

Эта же команда разработчиков создала еще двух роботов: Core Sampler («Ядерный пробоотборник») и Workhorse («Рабочая лошадка»). Первый был оснащен автоматической дрелью и предназначался для определения уровня радиации внутри стен TMI-2, а второй, которого за невероятную универсальность называли «швейцарским ножом на стероидах», так и не был использован на практике на данном объекте из-за его дороговизны и сложности в эксплуатации.

Черно-боты

После взрыва на Чернобыльской АЭС советскими учеными было создано около 60 уникальных роботов с дистанционным управлением, которые помогали людям бороться с последствиями этой страшной аварии. Общая стоимость разработок составила 2 млрд долларов.

Один из роботов, СТР-1, напоминавший луноход, был размещен на крыше атомной станции и осуществлял очистку от радиоактивного пепла частей разрушенного реактора. Другой, разработанный учеными МГУ и получивший название Мобот, представлял собой уменьшенную копию грейдера и предназначался для сгребания мусора.

Были попытки использовать и иностранных роботов, среди которых японский бульдозер-амфибия Komatsu D-355W и немецкие гусеничные роботы MF-2 и MF-3, однако ни один из них не выдержал испытания высокой дозой радиации.

Утилизация ядерных отходов в Хэнфордском комплексе

Расположенный в Соединенных Штатах Хэнфордский комплекс стал одним из центров инноваций в области борьбы с радиоактивным заражением. Когда-то здесь располагался завод по производству плутония, а сейчас комплекс превратился в гигантский могильник ядерных и химических отходов, помещенных в специальные резервуары. Задача ученых и создаваемых ими роботов заключается в том, чтобы своевременно опорожнить постепенно разрушающиеся контейнеры, не допустив утечки жидкости, которая, попав в протекающую в непосредственной близости реку Колумбия, может привести к катастрофе национального масштаба.

Американским ученым удалось разработать ряд автоматических машин, каждая из которых специализируется на выполнение той или иной операции, необходимой для достижения поставленной цели. К примеру, робот под названием Foldtrack способен попадать внутрь резервуаров через 12-дюймовую трубу в крыше разделяясь на части, а затем вновь складываясь внутри, как настоящий трансформер. Его задача заключается в сборе и выкачивании остающихся на стенках и дне резервуаров радиоактивных отходов.

Другой робот, Salt Mantis, напоминающий пожарный шланг на колесах, предназначен для разрушения жестких токсичных солей, накапливающихся в емкостях. Его водяная пушка выдает струю под давлением около 2,4 тыс. бар, что в 100 раз больше, чем у обычного пожарного шланга. Еще одна машина, получившая имя Possum («Опоссум»), оснащена специальным лезвием, которым она, находясь внутри отстойника, соскребает налет со стенок, чтобы инженеры видели, сколько отходов еще остается внутри. Наконец, Tank Crawler, оборудованный ультразвуковыми датчиками и датчиками электрической проводимости, обнаруживает трещины и коррозию в резервуарах.

Фукусима и амфибот Little Sunfish

Авария на АЭС «Фукусима», произошедшая в 2011 году, стала второй, после Чернобыля, отнесенной к 7-й, наивысшей степени опасности. Лишь по прошествии шести лет ученым при помощи роботов удалось наконец-то сделать снимки расплавленного топлива одного из реакторов. Сбор данных обо всех нюансах трагедии имеет первостепенное значение для подготовки к работам по дезактивации объекта, на которые, по оценкам, уйдет около 40 лет и 188 млрд долларов.

Роботы, разработанные в первые годы после аварии, не принесли никакой пользы, либо выходя из строя под воздействием радиоактивного излучения, либо застревая в труднопроходимых местах. Выход удалось найти старшему научному сотруднику одного из технологических отделов Toshiba Кэндзи Мацузаки, который создал Little Fish – робота-амфибию размером с буханку хлеба, способного проникнуть в 5,5-дюймовые реакторные трубопроводы. Полученные при помощи этого аппарата видеозаписи позволили составить общее представление о случившемся и о текущей ситуации в реакторах.

Теперь ученые занимаются разработкой роботов следующего поколения, которые смогут проникнуть внутрь и удалить расплавленное топливо. Предполагается использование 20-футового манипулятора или же двух роботов, работающих в тандеме и оснащенных необходимыми инструментами для сбора и герметизации радиоактивных отходов. Работы планируют начать к 2021 году.

Селлафилд и Ктулху

На неработающем ядерном объекте Селлафилд, расположенном в Великобритании, который выводится из эксплуатации с 2003 года, ученые работают над методами очистки водоема-хранилища размером с два олимпийских бассейна, на дне которого находятся разлагающиеся топливные стержни.

После ряда неудачных попыток создать робота, который бы смог выполнить работу по очистке водоема от ядерных отходов, ученые, наконец, создали оригинального и ни на что не похожего гусеничного робота под названием Cthulhu. Он способен перемещаться по дну водоема-хранилища, используя специальные усикообразные датчики и гидролокатор для идентификации и извлечения ядерных стержней. Благодаря комбинации тактильных датчиков с технологией сонара Cthulhu, который пока еще находится на стадии разработки, сможет получать полное представление о ситуации под водой. Робот сможет узнавать, в каком состоянии пребывают топливные стержни, имеются ли у них повреждения, а затем утилизировать их с наименьшим риском.

Cthulhu – совместный проект компании по разработке военной робототехники QinetiQ, которая предоставляет гусеничное шасси, фирмы Bristol Maritime Robotics, отвечающей за создание тактильных сенсоров, и Университета Ланкастера, разрабатывающего нейронную сеть для искусственного интеллекта.

Железный Человек и развитие биороботов

Ученые Бристольского университета в сотрудничестве с инженерами Селлафилда в 2018 году начали разработку роботизированного костюма для людей, который позволит безопасно выполнять работы по очистке от ядерного мусора. Вдохновение создатели черпают в комиксах про Железного Человека.

Костюм, включающий мощный экзоскелет и защиту туловища из композитных материалов, будет ориентирован на лиц, вынужденных заниматься выводом из эксплуатации оборудования атомных станций в тех ситуациях, когда без участия людей попросту не обойтись. Этот костюм на порядок эффективнее, чем современные костюмы радиационной защиты, используемые ядерщиками. Он способен не только предотвращать воздействие радиации на организм и защищать от высокой температуры, но и придавать его обладателю сверхчеловеческую силу, что позволит выполнять задачи в более сложных условиях и в течение более длительного времени.

Кроме того, благодаря экзоскелету работники смогут поднимать или сдвигать тяжелые предметы, с которыми в обычной ситуации они бы не справились. Использование композитных материалов вместо ПВХ направлено на обеспечение более высокого уровня защиты от радиационного излучения и упрощение дезактивации после того, как человек покинет зараженный объект. Дополнительно костюм будет оснащаться датчиком слежения за глазами, чтобы контролировать состояние работника и предупреждать, когда уровень усталости будет приближаться к критической отметке. На запястье будет крепиться специальное приспособление для высокоточного определения уровня радиации, на основе показаний которого будет приниматься решение относительно возможности и целесообразности пребывания человека в определенном месте.

Разработка костюма Железного Человека и дальнейшие работы в данном направлении позволят получить своего рода «биороботов», представляющих симбиоз человека и высоких технологий. Это станет следующим этапом в развитии данного направления робототехники и позволит в будущем эффективно решать задачи по очистке и утилизации ядерного мусора, а также обслуживанию и выводу из эксплуатации атомных объектов, непосильные сегодня ни людям, ни машинам.