Как будет работать двигатель на термоядерном синтезе

Человек уже довольно давно побывал на Луне, в космосе прочно обосновалась Международная космическая станция, а полеты на околоземную орбиту и подавно перестали быть чем-то необычным и удивительным. Однако, если задуматься о размерах Солнечной системы или целой Вселенной, станет очевидно, что наш прогресс в освоении межпланетного и межзвездного пространства ничтожно мал. На данный момент Марс и другие планеты находятся вне досягаемости стандартных двигателей, и поэтому NASA разрабатывает дополнительные ракетные двигатели, причем некоторые из них будут работать на солнечной энергии.

Теоретически, воссоздание тех же типов высокотемпературных реакций, которые происходят в самом центре Солнца, будет возможно на космических кораблях с новыми ракетными двигателями на термоядерном синтезе. Благодаря этим реакциям будет обеспечиваться вырабатывание огромного количества энергии, создающей тягу. С помощью подобного типа двигательной установки  добраться до Марса будет возможно всего за 3 месяца. Раньше ракетам на такой путь понадобилось бы около 7 месяцев.

Эта статья поможет Вам узнать больше о самом процессе синтеза и о том, что же делает NASA для воплощения в реальность двигателей на термоядерном синтезе.

Что такое синтез?

Ежесекундно внутри солнечного ядра происходят миллионы ядерных реакций синтеза, от которых зависят как люди, так и вся планета. Исчезни эти реакции – и мы лишились бы света, тепла и даже жизни. Так что же такое термоядерный синтез? Этот процесс происходит при столкновении двух атомов водорода, причем в процессе создается больший атом гелия-4, испускающий энергию.

Вот более точное описание этой реакции:

— сначала два протона образуют атом дейтерия, позитрон и нейтрино;

— далее атом дейтерия и протон в совокупности образуют гамма-луч и атом гелия-3, состоящий из двух протонов и одного нейтрона;

— после чего два атома гелия-3 создают два протона и атом гелия-4, состоящий из двух протонов и двух нейтронов.

Процесс такого синтеза может проходить только в условиях среды, температура которой исчисляется миллионами градусов, то есть крайне горячей. Единственными природными объектами, имеющими достаточную температуру для создания реакции термоядерного синтеза, являются звезды. Состоят они из плазмы (порой называемой четвертым состоянием вещества), которая представляет собой ионизированный газ, лишенный некоторой части электронов. Интересно также, что реакция термоядерного синтеза отвечает за создание большей части (около 85%) энергии Солнца.

В необходимости поддержания подобного уровня температуры и заключается основная проблема, так как плазму невозможно заключить в контейнер из любого известного человечеству вещества. Однако плазма отлично проводит электричество, и благодаря этому становится возможным ее удержание, управление и ускорение с помощью магнитного поля, что и легло в основу нового космического двигателя. Стоит отметить, что NASA хочет построить корабль с двигателем на основе термоядерного синтеза в течении ближайших 25 лет. Однако стоит обратить внимание и на сами проекты двигателей на основе синтеза.

Полет на энергии синтеза

Как было сказано выше, реакция термоядерного синтеза способна высвободить поистине огромное количество энергии, которое исследователи всеми силами пытаются приспособить к двигательной системе космических кораблей. Подобные корабли могли бы очень помочь NASA в гонке за Марс, ведь двигатели на термоядерном синтезе могут вдвое сократить время пути до Красной Планеты, попутно уменьшив вредные для человека воздействия радиации и невесомости.

Представьте, что на Земле стало возможным строительство автомобиля, который может развивать скорость, в два раза большую любого другого. Именно такому проекту эквивалентна разработка космического корабля с двигателем на термоядерном синтезе.

В ракетостроении эффективность использования топлива определяется его удельным импульсом, означающим отношение единицы тяги на единицу пропеллента, потребляемого в единицу времени. Так вот, новейший двигатель на термоядерном синтезе может иметь удельный импульс в 300 раз больший, нежели обычные ракетные двигатели. В среднем, обычный химический ракетный двигатель имеет удельный импульс около 1300 секунд, то есть двигатель выдает один килограмм тяги на один килограмм топлива за 1300 секунд. Ракета на термоядерном синтезе будет обладать импульсом вплоть до 500 000 секунд. Кроме того, планируется, что подобная ракета будет использовать в качестве топлива водород, что поможет пополнять запас топлива прямо при прохождении космического пространства, ведь водород есть в атмосфере многих планет. Все что будет нужно космическому кораблю для набора топлива – это погружение в атмосферу.

Следовательно, космические корабли на термоядерном синтезе смогут обеспечить куда более длительную тягу, чем химические ракеты, топливо которых выгорает крайне быстро. На данный момент считается, что движение на термоядерном синтезе сможет помочь невероятно быстро попасть в любую точку Солнечной системы: так, предполагается, что полет до Юпитера и обратно займет всего два года.

Существует два проекта NASA по созданию движения на синтезе, давайте их рассмотрим.

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR)

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR) является своеобразным предшественником ракет на термоядерном синтезе. Так как ракеты на синтезе будут использовать плазму, исследователям придется изучить этот тип вещества, и в этом им поможет VASIMR. Двигатель VASIMR хорош тем, что способен создавать плазму в невероятно горячих условиях, а после выталкивать ее, создавая тягу. В данном типе двигателей есть три основных вида ячеек:

— передняя ячейка, в которую вводится пропеллент (как правило, водород) и впоследствии ионизируется с целью создания плазмы;

— центральная ячейка, действующая в качестве усилителя для последующего нагрева плазмы с помощью электромагнитной энергии. Данный процесс очень похож на процессы, происходящие в микроволновой печи;

— кормовая ячейка, в которой магнитное сопло будет преобразовывать плазменную энергию в выхлопные газы. Для выброса плазмы будет использоваться магнитное поле, которое также поможет защитить сам космический корабль, ведь плазма способна уничтожить любой материал, с которым вступает в контакт. Температура плазмы составляет около ста миллионов градусов по Цельсию, а это в 25 000 раз горячее газа, выбрасываемого из космических шаттлов.

Использовать VASIMR придется следующим образом: первую половину пути двигатель должен постоянно разгоняться, а во вторую – замедляться. Кроме того, во второй половине пути необходимо изменить направление двигателя. Стоит также отметить, что подобную ракету будет можно (и даже нужно) использовать для позиционирования спутников на орбите Земли.

Движение на термоядерном синтезе с динамическим газовым зеркалом (GDM)

Помимо VASIMR NASA разрабатывает и новую систему движения на термоядерном синтезе с динамическим газовым зеркалом (GDM). В этом двигателе плазма будет контролироваться несколько иначе: тонкие мотки проволоки с током будут воздействовать на вакуумную камеру с плазмой подобно магниту. Таким образом, плазма будет находиться в своеобразной ловушке магнитного поля, создаваемого центральной ячейкой системы GDM. На концах двигателя будут находиться зеркальные магниты, благодаря которым слишком быстрый выброс плазмы из двигателя будет невозможен. Но, конечно, часть плазмы будет просачиваться, обеспечивая таким образом необходимую тягу.

Первые двигатели с подобным механизмом давались очень сложно, ведь плазма неустойчива и удержать ее совсем непросто. Однако динамическое газовое зеркало позволит избежать подобных проблем, так как оно построено длинным и тонким, а, следовательно, магнитные линии выстраиваются по всей длине системы. Кроме того, нестабильность контролируется тем, что определенное количество плазмы может протекать через узкую часть зеркала.

Уже в 1998 году был проведен эксперимент, в котором была продемонстрирована способность GDM производить плазму одновременно с работающей системой впрыска плазмы (данная система работает подобно передней ячейке VASIMR). Эта система вводит газ в GDM и в дальнейшем нагревает его микроволновой антенной, работающей на частоте 2,45 ГГц. Данный эксперимент проводился для обоснования самой концепции GDM. Кроме того, сейчас исследователи работают над полноразмерной системой двигателя с подобным механизмом.

И хотя на данный момент многие передовые концепции двигателей NASA еще очень далеки от реализации, основы для двигателей на термоядерном синтезе заложены. Подобные корабли на энергии синтеза придутся как нельзя кстати именно в то время, когда станут доступны другие технологии для быстрого перемещения в межпланетном и межзвездном пространстве. Таким образом, со временем полеты на Марс или Юпитер могут стать обычной рутиной даже для простых жителей Земли.