Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

12 February
Испытания двигателя BE-4, созданного в США для замены русского РД-180
Испытания двигателя BE-4, созданного в США для замены русского РД-180

Последние 50 лет лучшие умы мира бьются над задачей увеличения тяги ракетных двигателей. Мечта о быстрых путешествиях хотя бы в пределах Солнечной системы заставляет изобретать все новые схемы двигателей, часть из которых ближе к фантастике, чем к реальности. В конце 50-ых годов родилась гениальная по своей сути идея использовать для двигателей энергию, благодаря которой светят звезды - термоядерную энергию синтеза.

Основой любого ракетного двигателя является реактивная тяга, которую создает выбрасываемое в окружающее пространство вещество, называющееся рабочим телом. Из сопла Лаваля обычных ракет выбрасываются газообразные продукты сгорания топлива. В электроракетном двигателе рабочим телом служит поток плазмы, разогоняемый электромагнитным полм. В ядерном это гелий или водород, разогретый энергией цепной реакции деления ядер урана или плутония.

Классическая схема жидкостного ракетного двигателя
Классическая схема жидкостного ракетного двигателя

Сила тяги зависит от скорости, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла. Можно поднять температуру, тем самым увеличив скорость движения молекул. Однако термостойкость земных материалов и прочность конструкции ракеты имеют свои пределы. Поэтому лучше использовать более легкие молекулы, потому как при одной и той же энергии скорость их движения будет больше. Поэтому ядерные двигатели гораздо легче, так как используют легкое топливо, что является их большим преимуществом.

В 1897 году русский ученый Циолковский вывел закономерность, определяющую максимальную скорость одноступенчатой ракеты. Например, для того чтобы разогнать ракету конечной массой 10 т до скорости выше второй космической (11,21 км/с) с помощью современных ракетных двигателей с импульсом около 3000 м/с, нужно более 400 т топлива и окислителя.

Но даже если установить множество мощных двигателей на ракету-носитель, все равно будет практически невозможно достичь скорости, превышающей удельный импульс более чем в 4-5 раз. Лучшие в наше время химические ракетные двигатели (водород+кислород) только приближаются к скорости 4500 м/с, а способы улучшения их характеристик уже закончились. Ядерные ракетные двигатели позволят увеличить температуру до десятков тысяч градусов, а скорость движения молекул — свыше 20 км/с, но даже с такими мощностями полет космического корабля до ближайших планет за пределами Солнечной системы занял бы годы. "Бороздить просторы Вселенной" по-быстрому не получится.

1. Классический термоядерный двигатель

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

На фото самый правдоподобный вариант проекта «Орион». Этот межпланетный корабль рассчитан на старт с орбиты, вывод в космос должен был осуществляться ракетой-носителем Сатурн-V.

Существуют способы поднять температуру не просто на некоторое значение, а на несколько порядков. При термоядерной реакции температура плазмы составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов. Тогда при реакции гелия-3 и дейтерия удельный импульс превышает цифру 22000 км/с, что позволяет разогнать корабль до 30% от скорости света. Конечно, торможение в вакууме тоже потребует топлива, но этой тяги и предполагаемого количества топлива хватит для отправки беспилотников к нашим ближайшим соседям - звездной системе Альфа Центавра.

2. Магнитный ракетный двигатель

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Самый простой вариант такого двигателя - так называемый пробкотрон, состоящий из двух магнитных катушек, размещенных на расстоянии друг от друга. При достаточно большом размере в установке может проходить термоядерная реакция, выделяющая немного больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Этот перспективный двигатель имеет две проблемы, сильно снижающие перспективность этого направления. Первая - это неизбежные потери плазмой энергии поперек магнитного поля, которые для установок большой длины будут весьма ощутимыми. Вторая проблема состоит в том, что даже для пары дейтерия и трития в пропорции 1:1 минимальная длина двигателя составит более 1 км, и это не предел, а МКС ведь не резиновая. На сегодняшний день этот двигатель в целом мало изучен и требует подведения большого количества энергии в вакууме.

3. Инерциальный термоядерный двигатель

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Поскольку запуск реакции и ее самоподдержание здесь принципиально невозможно, реактор должен быть не только двигателем, но и источник энергии для самого себя, а это, по расчетам, не менее 1 ГВт - по мощности это целый энергоблок АЭС. В ближайшем будущем вряд ли будут созданы мощнейшие лазеры, способные эффективно бомбардировать мишени такого двигателя.

4. Токамак - энергия плазмы в замкнутом пространстве

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса
Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Токамак - это установка в виде полого кольца с магнитными катушками для удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Сейчас строится крупнейший токамак в мире - ИТЭР - для проведения испытаний и оценки мощности будущего двигателя. Диаметр тора реактора достигает 20 метров, а высота - 60 метров. Вес реактора свыше 20 000 тонн, объем плазмы внутри 840 кубометра, и самое главное - температура: она будет достигать 150 млн. градусов Цельсия.

Важнейшее преимущество токамака перед всеми иными концепциями - максимальная отработанность этого типа двигателя, и нынешний уровень развития максимально близок к теоретическому, ближе чем у других двигателей. Расчеты показывают, что токамак с сильным магнитным полем, работающий на смеси дейтерия и трития, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя несколько таких токамаков, можно получить тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 км/с, при этом расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, используемого как дополнительное рабочее тело, — около 26 г/с. Корабль «сухой» массой 565 т, несущий 35 т дейтерия и 600 т водорода, сможет разогнаться до скорости 65 км/с, затормозить, снова разогнаться до этой скорости и снова затормозить. Такие параметры позволяют уложить длительность экспедиции к Сатурну в два года.

______________________________________________________________________________________

Полный бак, пожалуйста.

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Выбор топлива - "тяжелая" проблема. Пока что реально осуществимой является реакция в смеси дейтерия и трития 1:1. Но тритий в природе не встречается, его необходимо получать искусственно. Необходимые количества при этом составят десятки тонн, что во много раз превышает возможности его производства за всю историю. Кроме того, он радиоактивен, и потому нагревает сам себя, а это усложняет его транспортировку и хранение. Поэтому логичным представляется производство трития из лития прямо в двигателе, как это планируется делать на термоядерных электростанциях. Но за один проход через реактор успевает прореагировать лишь доля процента термоядерного топлива. В электростанции вся отработанная плазма собирается, и тритий может быть использован повторно. Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, нужно произвести сотни новых, что, увы, невозможно: один термоядерный нейтрон может произвести только два атома трития.

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Использование смеси дейтерия и гелия-3 позволяет максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, так как «горение» такой смеси дает куда меньше нейтронов и больше быстрых заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совершенно безопасен. Но его на Земле нет. Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его в количестве десятков тонн — еще более сложная задача. Теоретически гелий-3 можно добывать на Луне, но для этого потребуется создание мощной космической инфраструктуры (для чего как раз очень пригодился бы термоядерный ракетный двигатель).

Топ-4 перспективных термоядерных двигателей: до края галактики за полчаса

Поэтому первые термоядерные ракетные двигатели будут работать либо на чистом дейтерии, либо на дейтерии с небольшой примесью трития. Дейтерий относительно дешев и доступен практически в неограниченных количествах. Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Даже небольшая примесь этого изотопа может позволить существенно повысить термоядерную мощность реактора.

______________________________________________________________________________________

Еще больше интересных статей - подписывайся!