Миссии на Луну, миссии на Марс, роботы-исследователи внешней Солнечной системы, миссии к ближайшей звезде и, возможно, даже космический корабль, чтобы догнать межзвездные объекты, проходящие через нашу систему. Если вы думаете, что это похоже на описание наступающей эпохи освоения космоса, то вы правы! На данный момент существует множество планов и предложений по миссиям, которые отправят астронавтов и/или зонды во все эти пункты назначения для проведения некоторых из самых прибыльных научных исследований, когда-либо проводившихся. Естественно, эти профили миссий вызывают самые разные проблемы, не последней из которых является двигательная установка.
Проще говоря, человечество достигает пределов возможностей обычных (химических) двигателей. Для отправки миссий на Марс и в другие места в дальнем космосе необходимы передовые технологии движения, обеспечивающие высокое ускорение (дельта-v), удельный импульс (ясп) и топливная экономичность. В недавней статье лейденский профессор Флориан Нойкарт предлагает, как будущие миссии могут опираться на новую концепцию двигательной установки, известную как Плазменный привод магнитного синтеза (MFPD). Это устройство сочетает в себе аспекты различных методов движения для создания системы, которая обеспечивает высокую плотность энергии и эффективность использования топлива, значительно большую, чем традиционные методы.
Флориан Нойкарт — доцент Лейденского института передовых компьютерных наук (LIACS) Лейденского университета и член правления швейцарской компании-разработчика квантовых технологий Terra Quantum AG. Препринт его статьи недавно появился в Интернете и сейчас рассматривается для публикации в Эльзевир. По словам Нойкарта, технологии, способные превзойти традиционные химические двигатели (CCP), имеют первостепенное значение в современную эпоху освоения космоса. В частности, эти технологии должны обеспечивать большую энергоэффективность, тягу и возможности для длительных миссий.
Это особенно актуально для миссий на Марс и в другие места за пределами системы Земля-Луна, которые представляют серьезный риск для здоровья, безопасности и благополучия астронавтов. Даже когда Земля и Марс сближаются каждые 26 месяцев (оппозиция Марса), транзит к планете в одну сторону может занять до 9 месяцев. В сочетании с наземными операциями, которые могут длиться до года, и девятимесячным обратным путешествием, полеты на Марс могут длиться до 900 дней! В течение этого времени астронавты будут подвергаться повышенному уровню космической и солнечной радиации, не говоря уже о том, что длительное пребывание в условиях микрогравитации скажется на их телах.
Следовательно, НАСА и другие космические агентства активно исследуют альтернативные способы движения. Как отмечалось в предыдущей статье «Сколько времени потребуется, чтобы добраться до ближайшей звезды?», эти концепции также считаются потенциальными средствами достижения межзвездных путешествий на десятилетия. Они включают в себя концепции экономии топлива, такие как электрическое или ионное движение, в которых электромагнитные поля используются для ионизации инертного топлива (например, ксенона) и ускорения его через сопла для создания тяги. Однако эти концепции обычно обеспечивают низкую тягу и должны полагаться на тяжелые источники энергии (солнечные батареи или ядерные реакторы), чтобы генерировать больше.
Солнечные паруса — еще один вариант, который может генерировать постоянное ускорение, не требуя при этом топлива (тем самым экономя массу). Однако миссии, оснащенные этой технологией, ограничены с точки зрения тяги и должны работать ближе к Солнцу. Идея состоит в том, чтобы использовать лазерные установки мощностью в гигаватт (ГВт) для ускорения космических кораблей, оснащенных парусами, до релятивистских скоростей (доли скорости света). Однако для реализации этой концепции требуется дорогая инфраструктура и огромное количество энергии.
Другая популярная концепция — ядерная тепловая двигательная установка (NTP), которую НАСА и DARPA в настоящее время разрабатывают в виде демонстрационной ракеты для маневренных цислунных операций (DRACO). Этот метод основан на том, что ядерный реактор нагревает топливо (например, жидкий водород), заставляя его расширяться через сопла для создания тяги. Преимущества NTP включают очень высокую плотность энергии и значительное ускорение, но он также сопряжен с многочисленными техническими проблемами и проблемами безопасности, связанными с обращением и запуском ядерных материалов.
Существуют также концепции двигательной установки, использующие реакции термоядерного синтеза, такие как реакции дейтерий-тритий (DT) и дейтерий-водород-три (D-He3), над которыми ученые-теоретики работают десятилетиями. Эти методы предлагают потенциал для получения высокой тяги и чрезвычайно высокого удельного импульса, но также создают технические проблемы, не последняя из которых связана с обращением с необходимым топливом и достижением устойчивых и контролируемых термоядерных реакций. Есть и более экзотические концепции, такие как движение на антивеществе и варп-двигатель Алькубьерре, но ни одна из них не будет доступна в обозримом будущем.
И есть предложение Нойкарта, которое сочетает в себе элементы термоядерного, ионного движения и других концепций. Как он объяснил Universe Today по электронной почте:
«MFPD — это двигательная установка для исследования космоса, использующая управляемые реакции ядерного синтеза в качестве основного источника энергии как для тяги, так и для потенциального производства электроэнергии. Система основана на использовании огромной энергии, выделяемой в результате термоядерных реакций, обычно с участием изотопов водорода или гелия, для создания высокоскоростного выброса частиц, тем самым создавая тягу в соответствии с третьим законом Ньютона.
«Плазма, образующаяся в результате термоядерных реакций, удерживается и управляется с помощью магнитных полей, обеспечивая контролируемое выделение энергии и ее направленность. Одновременно концепция МФПД предусматривает возможность преобразования части термоядерной энергии в электрическую для поддержания бортовых систем и, возможно, системы управления реакцией космического корабля».
Чтобы разработать эту концепцию, Нуекарт начал с реакций синтеза дейтерия-трития (DT), поскольку это одна из наиболее изученных и понятных реакций, которая предлагает четкую и знакомую основу для разработки основных принципов и механики MFPD. Кроме того, добавил Нойкарт, реакции DT имеют относительно низкие температуры воспламенения и более высокое сечение, чем другие концепции, что делает их хорошей «отправной точкой». Таким образом, они обеспечивают полезный эталон для измерения и сравнения характеристик этой теоретической двигательной установки.
Однако конечная цель MFPD — использовать анейтронный синтез (p-B11), при котором очень небольшая часть энергии, выделяемой в результате реакций, переносится нейтронами. Анейтронные реакции, напротив, выделяют энергию в виде заряженных частиц (обычно протонов или альфа-частиц), тем самым значительно снижая уровень производимого нейтронного излучения. Преимущества этой системы очевидны сразу: она сочетает в себе высокий удельный импульс и огромную плотность энергии, а также обеспечивает тягу и мощность от одного источника энергии. Другие преимущества, по словам Нойкерта, включают следующее:
- Высокий удельный импульс: МФПД может обеспечить высокоудельный импульс, обеспечивающий существенное изменение скорости (дельта-v) космического корабля, облегчая полеты к далеким небесным телам.
- Энергоемкое топливо: Термоядерное топливо, как и изотопы водорода, невероятно энергоемкое, что потенциально позволяет выполнять расширенные миссии без необходимости использования огромного количества топлива.
- Более низкие массовые доли: Космический корабль может быть спроектирован с меньшими массовыми долями, предназначенными для хранения топлива, что позволит выделить больше массы для научных инструментов или дополнительных технологий.
- Двойная утилита: МФПД — это не просто двигательная установка; Предполагается также, что он будет обеспечивать электроэнергией системы и инструменты космического корабля, что имеет решающее значение для длительных миссий.
- Адаптивность: Возможность регулировки тяги и удельного импульса, что обеспечивает универсальность для различных этапов миссии, таких как ускорение, крейсерский полет и замедление.
- Сокращенное время в пути: Потенциал увеличения продолжительной тяги может значительно сократить время транзита до отдаленных пунктов назначения, снижая риски, связанные с воздействием космической радиации и управлением бортовыми ресурсами.
- Радиационная защита: Хотя это и сложно, внутренние магнитные и физические структуры могут быть спроектированы так, чтобы обеспечить некоторый уровень радиационной защиты космического корабля и экипажа, используя плазму и магнитные поля.
- Независимость от солнечной близости: В отличие от солнечных парусов или солнечной электрической силовой установки, MFPD не зависит от близости к Солнцу; таким образом, он пригоден для миссий во внешнюю Солнечную систему и за ее пределами.
- Минимизированный риск ядерного загрязнения: По сравнению с ядерно-тепловыми или ядерно-электрическими концепциями, MFPD может быть спроектирован так, чтобы минимизировать риск радиоактивного заражения, учитывая, что для термоядерного синтеза, как правило, требуется меньше радиоактивного материала и потенциально обеспечивается более безопасная остановка реактора.
Что касается последствий, которые эта система может иметь для освоения космоса, Нуекарт подчеркнул способность преодолевать огромные космические расстояния в более короткие сроки, расширяя профили миссий (быстрые транзиты к другим планетам Солнечной системы и межзвездные миссии), снижая риски длительных космические миссии (воздействие радиации и микрогравитации), революционные изменения в конструкции космических кораблей за счет одновременного обеспечения движения и электроэнергии, а также расширения возможностей исследования человеком.
Помимо этого, он также предвидит потенциал технологических побочных результатов в области материаловедения, физики плазмы и производства энергии, которые могут найти применение здесь, на Земле. Развитие этой системы могло бы также способствовать международному сотрудничеству, объединяя экспертов и ресурсы из разных областей для реализации общих исследовательских целей.
Конечно, ни одно предложение по технологии следующего поколения не будет полным без некоторых оговорок и дополнений. Например, сказал Нуекарт, главная задача двигателя MFPD заключается в достижении и поддержании стабильных термоядерных отношений в космосе. На Земле исследователи добились значительного прогресса в области магнитного удержания (MCF) и инерционного термоядерного синтеза (ICF). В первом случае используются реакторы Токамок, использующие магнитные поля для удержания термоядерного синтеза в форме плазмы, а во втором используются лазеры для сжатия и нагрева таблеток DT-топлива.
Однако подобные эксперименты в космосе не проводились, что приводит к вопросам о том, как система будет справляться с теплом, вызванным реакциями, возникающим излучением и структурными последствиями для космического корабля. Тем не менее, дело уже катится к ядерным испытаниям в космосе (вышеупомянутый демонстратор DRACO). Учитывая преимущества термоядерного двигателя, он вряд ли останется на чертежной доске надолго. В конечном итоге, говорит Нуекарт, исследование MFPD направлено на создание пути, который приведет к межпланетным и (когда-нибудь) межзвездным исследованиям:
«Хотя путь к реализации концепции MFPD, несомненно, будет сопряжен с проблемами и научными препятствиями, потенциальная выгода является монументальной. Достижение надежного, эффективного и действенного термоядерного двигателя могло бы переопределить границы достижимых целей, подтолкнув человечество в новую эру исследований, открытий и понимания космоса. Мы надеемся, что исследования вызовут любопытство, инновации и решимость среди ученых, инженеров и исследователей по всему миру, прокладывая курс к нашему будущему среди звезд».
Дальнейшее чтение: arXiv
