Плазмові двигуни магнітного синтезу можуть перенести нас через Сонячну систему та за її межі

Флоріан Нойкарт представляє плазмовий привід магнітного термоядерного синтезу, революційний метод приведення в рух, який поєднує термоядерну та іонну техніку. Пропонуючи величезну щільність енергії та численні переваги, він може змінити визначення космосу, хоча проблеми з підтриманням реакцій термоядерного синтезу в космосі залишаються.

Місії на Місяць, місії на Марс, роботизовані дослідники зовнішньої Сонячної системи, місія до найближчої зірки і, можливо, навіть космічний корабель, щоб наздогнати міжзоряні об’єкти, що проходять через нашу систему. Якщо ви думаєте, що це звучить як опис майбутньої ери освоєння космосу, то ви маєте рацію! На даний момент існує багато планів і пропозицій щодо місій, які надсилатимуть астронавтів та/або зонди в усі ці пункти призначення для проведення деяких із найприбутковіших наукових досліджень, які коли-небудь проводилися. Природно, ці профілі місій викликають усілякі проблеми, не останньою з яких є рух.

Простіше кажучи, людство досягає межі можливостей традиційного (хімічного) двигуна. Для відправлення місій на Марс та інші місця призначення в глибокому космосі потрібні передові технології двигунів, які забезпечують високе прискорення (delta-v), питомий імпульс і економію палива. У нещодавній статті лейденський професор Флоріан Нойкарт пропонує, як майбутні місії можуть покладатися на нову концепцію силової установки, відому як плазмовий привід магнітного синтезу (MFPD). Цей пристрій поєднує в собі аспекти різних методів руху, щоб створити систему, яка забезпечує високу щільність енергії та ефективність палива, значно більшу, ніж звичайні методи.

Флоріан Нойкарт є доцентом Лейденського інституту передових комп’ютерних наук (LIACS) Лейденського університету та членом правління швейцарського розробника квантових технологій Terra Quantum AG . Препринт його статті нещодавно з’явився в Інтернеті та розглядається для публікації в Elsevier.

Навіщо потрібна вдосконалена тяга?

За словами Нойкарт, технології, які можуть подолати звичайний хімічний двигун (CCP), є першорядними в сучасну епоху освоєння космосу. Зокрема, ці технології повинні забезпечувати більшу енергоефективність, тягу та можливості для довготривалих місій.

Це особливо вірно для місій на Марс та інші місця за межами системи Земля-Місяць, які створюють серйозні ризики для здоров’я, безпеки та благополуччя астронавтів. Навіть коли Земля та Марс наближаються кожні 26 місяців (протистояння Марса), транзит до планети в один бік може зайняти до 9 місяців. У поєднанні з наземними операціями, які можуть тривати до року, і дев’ятимісячним поверненням, місії на Марс можуть тривати до 900 днів! Протягом цього часу астронавти будуть піддаватися впливу підвищених рівнів космічного та сонячного випромінювання, не кажучи вже про те, які наслідки матиме для їхніх тіл тривалі періоди, проведені в умовах мікрогравітації.

Таким чином, NASA та інші космічні агентства активно досліджують альтернативні засоби руху. Як зазначалося в попередній статті «Скільки часу займе подорож до найближчої зірки?», ці концепції також вважаються потенційними засобами для досягнення міжзоряних подорожей протягом десятиліть. Вони включають концепції економії палива, такі як електричний або іонний двигун, які використовують електромагнітні поля для іонізації інертного палива (наприклад, ксенону) і прискорення його через сопла для створення тяги. Однак ці концепції зазвичай створюють низьку тягу і повинні покладатися на потужні джерела енергії (сонячні батареї або ядерні реактори), щоб генерувати більше.

Сонячні вітрила — ще один варіант, який може генерувати безперервне прискорення, не потребуючи палива (таким чином економлячи на масі). Однак місії, оснащені цією технологією, мають обмежену тягу і повинні працювати ближче до Сонця. Поворотом в цій ідеї є використання лазерних решіток гігаватної енергії (GWe) для прискорення космічних кораблів, оснащених вітрилами, до релятивістських швидкостей (частки швидкості світла). Однак ця концепція вимагає дорогої інфраструктури та величезної кількості електроенергії, щоб бути здійсненною.

Ядерний і термоядерний двигун

Іншою популярною концепцією є ядерний теплові двигуни (NTP), які NASA і DARPA зараз розробляють у формі демонстраційної ракети для гнучких цілюнарних операцій (DRACO). Цей метод покладається на те, що ядерний реактор нагріває паливо (наприклад, рідкий водень), змушуючи його розширюватися через сопла для створення тяги. Переваги NTP включають дуже високу щільність енергії та значне прискорення, але вона також пов’язана з численними технічними проблемами та проблемами безпеки, пов’язаними з обробкою та запуском ядерних матеріалів.

Існують також концепції руху, які використовують реакції термоядерного синтезу, як-от реакції дейтерій-тритій (DT) і реакції дейтерій-водень три (D-He3), над чим вчені-теоретики працюють десятиліттями. Ці методи пропонують потенціал для високої тяги та надзвичайно високого питомого імпульсу, але також представляють технічні проблеми, не остання з яких пов’язана з поводженням з необхідним паливом і досягненням стійких і контрольованих реакцій синтезу. Існують також більш екзотичні концепції, як-от двигун антиматерії та Alcubierre Warp Drive, але жодна з них не буде доступна в осяжному майбутньому.

Революційна концепція Нойкарта

І є пропозиція Нойкарта, яка поєднує елементи термоядерного двигуна, іонного двигуна та інші концепції. Як він пояснив Universe Today електронною поштою:

«MFPD — це рухова система для дослідження космосу, яка використовує керовані реакції ядерного синтезу як основне джерело енергії як для тяги, так і для потенційного виробництва електроенергії. Система заснована на використанні величезної енергії, що надходить від реакцій термоядерного синтезу, як правило, за участю ізотопів водню або гелію, для створення високошвидкісного випуску частинок, тим самим генеруючи тягу відповідно до третього закону Ньютона.

«Плазма реакцій термоядерного синтезу обмежена та маніпулюється за допомогою магнітних полів, забезпечуючи контрольоване виділення енергії та спрямованість. Одночасно концепція MFPD передбачає можливість перетворення частини енергії термоядерного синтезу в електричну для підтримки бортових систем і, можливо, системи контролю реакції космічного корабля».

Щоб розвинути цю концепцію, Nuekart розпочав з реакцій термоядерного синтезу дейтерій-тритій (DT), оскільки це одна з найбільш досліджених і зрозумілих реакцій і пропонує чітку та знайому основу для розробки основних принципів і механіки MFPD. Крім того, додав Нойкарт, реакції DT мають відносно низькі температури займання та більший поперечний переріз, ніж інші концепції, що робить їх хорошою «відправною точкою». Тому вони є корисним орієнтиром для вимірювання та порівняння продуктивності цієї теоретичної силової установки.

Однак кінцевою метою MFPD є використання нейтронного термоядерного синтезу (p-B11), де дуже мала частина енергії, що виділяється в результаті реакцій, переноситься нейтронами. Нейтронні реакції, навпаки, вивільняють енергію у формі заряджених частинок (як правило, протонів або альфа-частинок), тим самим значно знижуючи рівень нейтронного випромінювання.

Переваги MFPD

Переваги цієї системи очевидні відразу, вона поєднує високий питомий імпульс і величезну щільність енергії та забезпечує як тягу, так і потужність з одного джерела енергії. Інші переваги, сказав Нойкерт, включають наступне:

• Високий питомий імпульс: MFPD може забезпечити високий питомий імпульс, забезпечуючи значну зміну швидкості (delta-v) космічного корабля, полегшуючи місії до віддалених небесних тіл.
• Енергоємне паливо: термоядерне паливо, як і ізотопи водню, має неймовірну енергетичну щільність, що потенційно дозволяє виконувати розширені місії без потреби у великій кількості палива.
• Менші масові частки: космічний корабель може бути сконструйований з меншими масовими частками, призначеними для зберігання палива, дозволяючи більше масового розподілу для наукових інструментів або додаткових технологій.
• Подвійна корисність: MFPD — це не просто силова система; також передбачається забезпечити електричним живленням системи та інструменти космічного корабля, що має вирішальне значення для довготривалих місій.
• Адаптивність: можливість регулювати тягу та питомий імпульс, пропонуючи універсальність для різних етапів місії, таких як прискорення, крейсерський політ і уповільнення.
• Зменшення часу в дорозі. Потенціал більшої безперервної тяги може значно скоротити час у дорозі до віддалених пунктів призначення, пом’якшуючи ризики, пов’язані з впливом космічного випромінювання та управління бортовими ресурсами.
• Захист від радіації: незважаючи на те, що це складно, властиві магнітні та фізичні структури можуть бути розроблені так, щоб забезпечити певний рівень захисту від радіації для космічного корабля та екіпажу, використовуючи плазму та магнітні поля.
• Незалежність від сонячної близькості: на відміну від сонячних вітрил або сонячної електричної тяги, MFPD не залежить від близькості до Сонця; таким чином, він життєздатний для місій у зовнішню сонячну систему та за її межі.
• Мінімізований ризик ядерного забруднення: порівняно з ядерно-тепловими або ядерно-електричними концепціями, MFPD може бути розроблений для мінімізації ризику радіоактивного забруднення, враховуючи, що синтез, як правило, потребує менше радіоактивного матеріалу та потенційно дозволяє безпечніше зупинити реактор.

Наслідки та виклики

Що стосується наслідків, які ця система може мати для дослідження космосу, Нуекарт наголосив на здатності долати величезні космічні відстані за скорочені часові рамки, розширюючи профілі місій (швидкі транзити до інших планет Сонячної системи та міжзоряні місії), пом’якшуючи ризики довготривалих місій. космічні місії (вплив радіації та мікрогравітації), революція в дизайні космічних кораблів, забезпечуючи рухову та електричну енергію одночасно, і покращуючи дослідницькі можливості людини.

Крім того, він також передбачає потенціал для технологічних побічних ефектів у матеріалознавстві, фізиці плазми та виробництві енергії, які можуть мати застосування тут, на Землі. Розробка цієї системи також може сприяти міжнародній співпраці, об’єднуючи експертів і ресурси з багатьох галузей для реалізації спільних пошукових цілей.

Звичайно, жодна пропозиція технології наступного покоління не буде повною без деяких застережень і доповнень. Наприклад, сказав Нуекарт, головна проблема для двигунів MFPD полягає в досягненні та підтримці стабільних термоядерних зв’язків у космосі. На Землі дослідники досягли значного прогресу з магнітним утриманням (MCF) і інерційним утриманням (ICF). Перший включає в себе реактори Токамок, які використовують магнітні поля для обмеження термоядерного синтезу у формі плазми, а останній покладається на лазери для стиснення та нагрівання таблеток палива DT.

Однак подібні експерименти в космосі не проводилися, що призвело до питань про те, як система справлятиметься з теплом, викликаним реакціями, випромінюванням, що виникає в результаті, і структурними наслідками для космічних кораблів. Тим не менш, ядерні випробування в космосі (згаданий вище демонстратор DRACO) вже котяться. Враховуючи переваги термоядерного двигуна, навряд чи він довго залишатиметься на креслярській дошці. Зрештою, каже Нуекарт, дослідження MFPD спрямоване на встановлення шляху, який приведе до міжпланетних і (колись) міжзоряних досліджень:

«Хоча шлях до реалізації концепції MFPD, безсумнівно, буде пов’язаний із викликами та науковими перешкодами, потенційна винагорода величезна. Досягнення надійного, ефективного та ефективного термоядерного двигуна може змінити межі досяжних цілей, штовхаючи людство в нову еру дослідження, відкриття та розуміння космосу. Сподіваюся, що дослідження породить цікавість, інновації та рішучість серед учених, інженерів і дослідників у всьому світі, прокладаючи курс до нашого майбутнього серед зірок».

За матеріалами scitechdaily.com