Термоядерні двигуни обіцяють революцію в ракетобудуванні

Ракета рухається, відкидаючи частину власної маси (ракетне паливо) геть від себе. Двигуни звичайних ракет для створення реактивної тяги використовують хімічні реакції. Хоча цей принцип є сьогодні звичним і загальнопоширеним, з точки зору відношення маси ракетного палива і тяги, яку вона створює, існують набагато більш ефективні концепції ракетних двигунів, які вчені досліджують вже десятиліттями, пише Scientific American.
Однією з альтернатив, яку вже використовують у космічних апаратах, є так званий іонний ракетний двигун. У ньому електрично заряджене ракетне паливо (іонізований газ розганяється і викидається назовні електростатичним полем. Швидкість речовини, що викидається з сопла, досягає 210 км/с, тоді як у хімічних ракетних двигунів, що використовують реакцію окислення, вона не перевищує 3-4,5 км/с. Як наслідок, питома імпульс у нього значно більший, ніж у звичайної ракети.
Однак існує ще більш ефективна концепція ракетного двигуна, в якому паливом служить нагріта до мільйонів градусів термоядерна плазма. Такий двигун не просто набагато ефективніше. Він ще й продукує багато електроенергії, яку можна використовувати для корисних цілей.
Термоядерні реактори, які створюють зараз на Землі (найвідоміший з них – Міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER у Франції), дуже громіздкі. Але тепер дослідники, яких фінансує НАСА, взялися розробити компактний двигун, який можна встановити на борту ракети.
«Ця технологія дає можливість не тільки значно швидше дістатися до Марса чи Плутона, але і потенційно здійснювати міжзоряні подорожі», – розповідає керівник проекту, президент компанії Princeton Satellite Systems р. Плейнсборо (Нью-Джерсі) Майкл Палюшек.
Великі реактори синтезу, які будують у світі, зокрема ITER, здатні генерувати сотні мегават енергії. Натомість дослідники з Princeton Satellite Systems створюють реактор, який буде продукувати лише десятки мегават. Менша потужність означає менший розмір і, отже, можливість запуску в космос на борту ракети.
Крім того, що такий реактор менше, він ще й набагато дешевше. Прототип такого двигуна, за підрахунками його розробників, буде коштувати всього $20 млн, тоді як вартість великих термоядерних реакторів досягає $20 млрд.
Компанія Палюшека поставила собі за мету створити ракетний двигун, який буде розвивати 1 кіловат потужності на 1 кг маси. Термоядерна ракета потужністю 10 мегават, отже, буде важити всього 10 метричних тонн. «Вона буде мати 1,5 метра в діаметрі і від 4 до 8 метрів завдовжки», – розповідає Майкл Палюшек.
Під час термоядерного синтезу атоми за дуже високої температури і тиску зливаються воєдино (це відбувається у високотемпературній плазмі). При цьому виділяється величезна кількість енергії. Термоядерний реактор, який розробляє Princeton Satellite Systems, використовують низькочастотні радіохвилі, щоб нагріти суміш дейтерію і гелію-3 до стану плазми, яку згодом будуть утримувати в кільці з допомогою магнітного поля.
Частина цієї плазми виривається назовні через сопло ракети. При цьому вона буде досягати дуже високій швидкості вихлопу – приблизно 25.000 км/сек. Велике удільне опір означатиме високу швидкість ракети. Якщо пилотируемое подорож на Марс і назад при сьогоднішніх технологіях триватиме близько двох років, шість термоядерних двигунів зможуть виконати таку місію всього за 310 днів. Зменшення тривалості польоту дозволить знизити ризик радіаційного опромінення астронавтів під час польоту в космосі, а також зменшити кількість їжі, води та інших припасів, які вони візьмуть з собою.
Крім того, реактори синтезу зможуть генерувати велику кількість електроенергії для наукових інструментів і комунікаційних пристроїв. Якщо зонду НАСА «Нові горизонти» було дев’ять років, щоб дістатися до Плутона, причому в його розпорядженні під час польоту над карликовою планетою було 200 ватт енергії і швидкість передачі даних доходила до тисячі бітів у секунду, то 1-мегаватна термоядерна ракета зможе виконати таку подорож за чотири роки, надати в розпорядження апаратурі 500 кіловат енергії, а передавачі на її борту будуть відправляти дані зі швидкістю 1 млн бітів у секунду. Крім того, така місія зможе навіть посадити роботизований зонд на Плутоні і дистанційно підживлювати його, випромінюючи на нього енергію.
«З енергетичним потенціалом термоядерних двигунів реальної стають просто неймовірні наукові дослідження, які ніколи не вдалося б здійснити з теперішніми технологіями. Наприклад, запуск садивного зонда на Європу, супутник Юпітера, з буром на борту, який буде бурити її лід у пошуках позаземного життя», – говорить Майкл Палюшек.
З таким двигуном гіпотетично можливої стає навіть міжзоряна подорож до найближчої зоряної системи Альфа Центавры, відстань до якої становить 4,3 світлового року. Хоча така подорож триватиме від 500 до 700 років.
Ідея ракетного двигуна на термоядерної тязі з’явилася ще в 1960-ті. Але дизайн, який дає можливість стабільно утримувати плазму, американський фізик Семюел Коен створив всього десять років тому.
Недоліки
Недолік реактора, який розробляє Princeton Satellite Systems, полягає в тому, що радіохвилі проникають глибоко в плазму. Як наслідок, ракета такої конструкції, щоб розвивати достатню потужність, повинна нести на борту відразу кілька таких реакторів. Інший недолік полягає в тому, що такі реактори не зовсім безпечні для екіпажу, адже випромінюють радіацію. Крім того, гелій-3, який планують використовувати як паливо, – це рідкісне і дуже дороге речовина.
Princeton Satellite Systems – не єдина компанія, яка намагається створити невеликий реактор синтезу. Поруч з нею працюють такі компанії, як Helion Energy в Редмонді (Вашингтон), що також намагається з’єднати дейтерій і гелій-3, а також Tri Alpha Energy в р. Футхил Ренч (Каліфорнія), яка прагне синтезувати протони і бор. Дослідники з Princeton Satellite Systems ще не продемонстрували реакції синтезу на практиці, але планують зробити це між 2019 і 2020 рр ..