дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

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

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

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

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

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.

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.

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).

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!