В ближайшие 20 лет космонавтику ждет небывалый прорыв
Для космических путешествий «напрямую» используя импульсные маневры ракете нужно набрать скорость, достаточную для перехода между точками солнечной системы. Современным сверхтяжёлым химическим ракетам хватает запаса скорости, разве что до Луны слетать. Космические аппараты отправляются в дальний космос не столько своей тягой, а множеством гравитационных маневров. Например, аппарат «Кассини» разгонялся в полете до Сатурна при помощи четырех гравитационных катапульт и тормозил используя гравитацию спутника Ио. Полет занял 7 лет и для человеческой экспансии космоса такие скорости и сроки не подходят.
Траектория полета аппарата NASA «Кассини» из книги Кипа Торна «Интерстеллар: наука за кадром»
Исправить ситуацию можно изменив физический принцип реактивного движения. И самый перспективный из них — термоядерный двигатель с магнитным удержанием плазмы (Direct Fusion Drive, DFD). Удивительно, но у двигателя, о котором мы рассказываем на лекциях о фантастической космонавтике есть работающий прототип в лаборатории физики плазмы в Принстоне и до ракеты рукой подать.
Физический принцип
Магнитные зеркала
Две катушки создают поле в котором заряженные частицы путешествуют от правого края до левого и обратно, находясь внутри некоторой области. В принципе, уже этого достаточно для создания термоядерного ракетного двигателя. Частицы словно отражаются от катушек, поэтому катушки называют магнитными зеркалами.
Рисунок 3.3 из документа «Разработка плана полета для миссии на Титан с использованием Direct Fusion Drive»: Схематическая иллюстрация базовой магнитной бутылки, включая движение заряженной частицы. Иногда в центре располагают кольца, которые расширяют зону ограничения, но это не обязательно
Магнитная бутылка
Электромагнитное поле оказывает сильное воздействие на частицы на поверхности воображаемой фигуры и не такое сильное внутри нее, поэтому частицы стремятся занять положение в центре. Такое поле называют магнитной бутылкой или ловушкой, ведь у него есть «плотные» стенки и «неплотная» внутренняя часть, куда можно «насыпать» частиц. С повышением энергии поля, повышается и температура частиц, в результате чего должна начаться реакция ядерного синтеза как на Солнце. Потом выделяется еще больше тепла. Очень разогретые частицы стремятся преобразовать свою тепловую энергию в кинетическую и улететь, но покинуть бутылку не просто — нужно преодолеть барьер магнитного зеркала. Получается, что сформировать реактивную струю получится только у частиц с высокой энергией, а остальные будут путешествовать по бутылке, пока не нагреются.
Принстонская конфигурация реверсивного поля
Похожий принцип работы можно заметить у любого термоядерного реактора, однако у прототипа PFRC-2 (The Princeton Field-Reversed Configurationan) в лаборатории физики плазмы в Принстоне есть характерное отличие. Плазма в центре бутылки заворачивается в кольцо, которое само работает как катушка с током. Поле внутри этой катушки идет в обратном направлении по сравнению со всеми остальными местами в бутылке.
Рисунок 3.16 из документа «Разработка плана полета для миссии на Титан с использованием Direct Fusion Drive»: Конфигурация реверсивного поля
Кольцо из плазмы становится водоворотом частиц, покинуть который сложнее всего. В итоге, это место в центре бутылки может быть очень горячим — десятки и сотни миллионов градусов, а газ вокруг него гораздо холоднее. Управлять таким реактором довольно просто, ведь вероятность того что плазма взбунтует, коснется металлических стенок реактора, сама погаснет и расплавит всю конструкцию — ниже чем у других реакторов.
Рисунок 3.19 из документа «Разработка плана полета для миссии на Титан с использованием Direct Fusion Drive»: Схема вращающегося поля PFRC-2. Внешняя антенна производит вращающиеся магнитные поля. Азимутально вращающееся электрическое поле создает токовое кольцо в плазме
Магнитный раструб
Предположим, мы безопасно зажгли Солнце внутри ракеты, но реактивная струя температурой в миллионы градусов разрушит остальные части двигателя на выходе. В химических двигателях форму реактивной струе придает раструб, который тоже сильно нагревается и его нужно охлаждать. Чтобы не бороться с перегревом внешней части двигателя, раструб DFD состоит из магнитного поля. Это большая катушка, формирующая поток частиц, которые не касаются металлических деталей ракеты.
Рисунок 3.4 из документа «Разработка плана полета для миссии на Титан с использованием Direct Fusion Drive»: Магнитное сопло
Термоядерная ракета
Внутри ракеты будут использоваться дополнительные катушки вокруг реактора, чтобы точно пресечь шансы выхода плазмы из-под контроля.
Рисунок 3.17 из документа «Разработка плана полета для миссии на Титан с использованием Direct Fusion Drive»: Компоновка двигателя PFRC-2
Топливо
Реакция, дающая 90% энергии Солнца это протон-протонный цикл. Водород это один протон и один электрон. Для синтеза одного ядра гелия требуется 4 протона, а электроны бегают отдельно и участвуют в процессе синтеза с небольшой вероятностью. Но на земле такой процесс не получается воспроизвести. Единственное за счет чего он работает — квантовое туннелирование одного протона в другой с очень низким шансом. На солнце 10 в 57 степени частиц и редкие шансы выпадают часто, а у нас топливо ограничено. Кроме того, хорошо, если во время синтеза выделялись не гамма-кванты света или очень легкие нейтрино без заряда, а частицы которые останутся в магнитной ловушке. В результате подходящим топливом может быть дейтерий (один протон и один нейтрон), тритий (один протон и два нейтрона), гелий-3 (два протона и одни нейтрон) и их комбинации. Есть еще варианты с литием-6 и бором-11. Третий радиоактивен и быстро распадается, гелий-3, литий-6 и бор-11 редки и их надо еще добыть. Дейтерий образуется естественным путем в водороде и его сочетание с гелием-3, который есть в атмосфере Земли считается самым перспективным топливом. Если бы получилось легко и относительно дешево добывать гелий-3 на поверхности Луны, это бы закрыло вопрос о топливе для термоядерного двигателя.
Основные реакции ядерного синтеза с выделением энергии (в Мега электрон-вольтах). p — протон, n — нейтрон, гамма — фотон, D — дейтерий, T — тритий, He — гелий, Li — литий, B — бор. Цифра сверху слева — общее число протонов и нейтронов в ядре, например у трития 3. Цифра снизу слева — заряд ядра, т. е. число протонов, например у трития 1, а у гелия-3 это 2. Чем выше заряд ядра, тем сильнее кулоновский барьер, который необходимо преодолеть для реакции
Проблемы и их решение
У всех реакторов термоядерного синтеза одна главная проблема — коэффициент удержания плазмы. Чем горячее газ, тем он активнее и более хаотичен. А для того чтобы протоны преодолели кулоновский барьер между друг другом требуются большие скорости, а значит и большие температуры. Сейчас лучшие реакторы могут удерживать плазму температурой около 100 миллионов градусов в районе 20 секунд. Этого мало для использования в качестве ракетного двигателя.
6 июня 2023 года британские Pulsar Fusion, разработчики ракетных двигателей термоядерного синтеза, вступили в партнерство с Princeton Satellite Systems и Принстонской лабораторией физики плазмы для применения машинного обучения с целью решения проблем DFD. В Принстное есть прототип реактора, у Pulsar Fusion прототип двигателя, а нейросети сейчас есть везде и решают все больше прикладных задач, так что коллаборация выглядит очень перспективно.
Преимущества
DFD одновременно и ракетный двигатель и мощный источник электроэнергии, что очень полезно в долгих космических путешествиях. Он может работать как в непрерывном режиме как электрические двигатели, так и в режиме импульса наподобие химических ракет, так и в импульсном режиме как в концепции взрыволетов. Удельный импульс такой установки должен быть порядка 10 000 с, в то время как удельный импульс самых эффективных современных химических ракетных двигателей в районе 450 с. Это значит что для полетов к другим планетам не нужно будет использовать долгие гравитационные маневры, можно будет лететь напрямую на ракетной тяге. Воплощение такого концепта в жизнь сделает проекты колонизации Марса или путешествия на Титан просто сложными вместо безумных. Но и рядовая космонавтика изменится до неузнаваемости. Корабль Союз-МС с ракетой Союз-2 при тех же массах конструкции и топлива с DFD вместо РД-107А на одной заправке смог бы 5 раз слетать до Титана и обратно, по крайней мере по запасу скорости.
Удобное окно полета к Сатурну откроется в 2046 году и работающую термоядерную ракету планируют создать к этому сроку. Если так и случится, человек откроет дверь в космическое пространство с ноги.
