Люди вже встигли побувати на місяці, та і політ на навколоземну орбіту вже не здається чимось надзвичайним. У космосі давно і міцно влаштувалася Міжнародна космічна станція. Проте, якщо ви замислитеся про розміри нашої Сонячної системи, не говорячи вже про увесь Всесвіт, стане очевидно, що наші кроки в освоєнні міжпланетного і міжзоряного простору – просто пішки під стіл. Для того, щоб злітати на Марс і інші планети, які знаходяться поза досяжністю звичайних ракетних двигунів, NASA розробляє декілька додаткових реактивних двигунів, у тому числі і на енергії сонця.
В принципі, космічний корабель з силовою установкою на термоядерному синтезі повинен відтворити ті ж типи високотемпературних реакцій, які відбуваються в серці сонця. Величезна енергія цих реакцій виробляється двигуном і створює тягу. Використовуючи цей тип рухової установки, космічний корабель може дістатися до Марса всього за три місяці. Звичайним ракетам знадобиться щонайменше сім.
У цій статті ви дізнаєтеся, що таке синтез і що робить NASA для того, щоб кораблі з такими двигунами стали реальністю.
Що таке синтез?
Ми і наша планета багато в чому залежимо від мільйонів ядерних реакцій синтезу, які кожну секунду відбуваються усередині ядра Сонця. Без цих реакцій у нас би не було ні світла, ні тепла, і, найімовірніше, життя. Термоядерний синтез відбувається, коли два атоми водню стикаються і створюють більший атом гелія- 4, який випускає енергію в процесі цього.
От як відбувається ця реакція:
Два протони в сукупності утворюють атом дейтерію, позитрон і нейтрино.
Протон і атом дейтерію створюють атом гелія- 3(два протони і один нейтрон) і гамма-промінь.
Два гелія- 3 атоми в сукупності утворюють атом гелія- 4(два протони і два нейтрони) і два протони.
Синтез може відбуватися тільки в умовах украй гарячого середовища, температура якого вимірюється мільйонами градусів. Зірки, що складаються з плазми, є єдиними природними об’єктами, досить гарячими для створення реакції термоядерного синтезу. Плазма, яку часто називають четвертим станом речовини, є іонізованим газом, що складається з атомів, позбавлених деякої частини електронів. Реакція синтезу відповідає за створення 85 % енергій Сонця.
Високий рівень тепла, необхідний для створення цього типу плазми, призводить до того, що її не можна укласти в контейнер з будь-якої, відомої нам речовини. Проте, плазма добре проводить електрику, що дозволяє утримувати, управляти і прискорювати її за допомогою магнітного поля. Саме це лягло в основу космічного корабля з двигуном на основі синтезу, який NASA хоче побудувати впродовж найближчих 25 років. Давайте розглянемо конкретні проекти двигунів на основі термоядерного синтезу.
Політ на енергії синтезу
Реакція термоядерного синтезу вивільняє величезну кількість енергії, саме тому дослідники всіляко намагаються пристосувати її до рухової системи. Корабель на енергії синтезу міг би серйозно вивести вперед NASA в гонці за Марс. Цей тип корабля може скоротити час перебування в дорозі на Марс більш ніж на 50 %, тим самим зменшивши шкідливі дії радіації і невагомості.
Будівництво космічного апарату, що летить на енергії термоядерного синтезу, буде еквівалентне розробці автомобіля на Землі, який може їхати в два рази швидше за будь-який інший. У ракетобудуванні ефективність використання палива ракетним двигуном вимірюється його питомим імпульсом. Питомий імпульс означає одиницю тяги на одиницю пропелента, споживаного впродовж часу.
Двигун на синтезі може мати питомий імпульс в 300 разів більшим, ніж звичайні хімічні двигуни. Звичайний хімічний ракетний двигун має імпульс приблизно 1300 секунд, що означає наступне: двигун видає 1 кілограм тяги на 1 кілограм палива за 1300 секунд. Ракета на синтезі може мати імпульс в 500 000 секунд. Крім того, ракета на синтезі використовуватиме водень як паливо, тобто зможе поповнюватися при проходженні через космічний простір. Водень є присутнім в атмосфері багатьох планет, так що все, що буде треба космічному апарату для заправки, це занурення в атмосферу і набір палива.
Ракети на синтезі можуть забезпечити тривалішу тягу, на відміну від хімічних ракет, паливо яких швидко вигорає. Вважається, що рух на синтезі дозволить швидко дістатися у будь-яку точку Сонячної системи і за два роки здійснити поїздку на Юпітер і назад. Давайте розглянемо два поточні проекти NASA із створення руху на синтезі.
Магнітоплазменна ракета зі змінним питомим імпульсом(VASIMR)
VASIMR є плазмовою ракетою, яка є попередником ракет на термоядерному синтезі. Але оскільки ракети на синтезі використовуватимуть плазму, дослідники багато що дізнаються про цей тип ракети. Двигун VASIMR прекрасний тим, що створює плазму в екстремально гарячих умовах, а після виштовхує, створюючи тягу. Є три основні типи комірчини в двигуні VASIMR.
Передня комірчина – пропелент, зазвичай водень, вводиться в комірчину і іонізується, щоб створити плазму.
Центральна комірчина – діє як підсилювач для подальшого нагріву плазми електромагнітною енергією. Радіохвилями додають енергії плазмі, як в мікрохвильовій печі.
Кормова комірчина – магнітне сопло перетворить енергію плазми в струмінь вихлопних газів. Магнітне поле використовується для викиду плазми і захищає космічний корабель, щоб плазма не торкнулася оболонки. Плазма знищила б будь-який матеріал, з яким вступила б в контакт. Температура плазми в соплі складає 100 мільйонів градусів Цельсія. Це в 25 000 разів гарячіше, ніж температура газу, який викидається з космічного шатлу.
Під час місії на Марс двигун VASIMR постійно б розганявся впродовж першої половини подорожі, а після змінив би напрям і сповільнювався б другу половину. Ракету на змінній плазмі можна також використати для позиціонування супутників на орбіті Землі.
Рух на термоядерному синтезі з динамічним газовим дзеркалом
Одночасно з VASIMR розробляється і система руху на синтезі з динамічним газовим дзеркалом(GDM). У цьому двигуні довгі тонкі мотки дроту із струмом діють як магніт, оточуючи вакуумну камеру, що містить плазму. Плазма знаходиться в пастці магнітного поля, що створюється центральною секцією системи. У кожному кінці двигуна знаходяться дзеркальні магніти, які перешкоджають занадто швидкому викиду плазми з двигуна. Зрозуміло, частина плазми повинна просочуватися і забезпечувати тягу.
Як правило, плазма нестійка і її складно утримати, тому перші машини з таким механізмом давалися дуже складно. Динамічне газове дзеркало дозволяє уникнути проблем нестійкості, тому що побудовано довгим і тонким, тому магнітні лінії вибудовуються по усій довжині системи. Нестабільність контролюється тим, що дозволяє певній кількості плазми протікати через вузьку частину дзеркала.
У 1998 році у рамках експерименту було продемонстровано, як GDM робить плазму в процесі роботи системи уприскування плазми, яка працює аналогічно передній комірчині VASIMR. Вона вводить газ в GDM і нагріває його мікрохвильовою антеною, працюючою на частоті 2,45 ГГц. Цей експеримент проводиться для підтвердження обґрунтованості концепції GDM. Дослідники також розробляють повнорозмірну систему двигуна з цим механізмом.
Хоча багато передових концепцій двигунів NASA ще далекі від реалізації, основа для двигуна на енергії синтезу вже закладена. Коли стануть доступні інші технології, які зроблять подорож на Марс можливою, корабель з енергією синтезу стане в пригоді. В середині 21 століття поїздки на Марс можуть стати такою ж рутиною, як і відправка їжі на МКС.