PopularEditorialNewBest

Через термояд к звёздам

17В закладки

Пилотируемые полёты к другим звёздам, увы, относятся к области не особо твёрдой научной фантастики, т.к. плохо сочетаются с современными физическими теориями. Однако отправка к ближайшим звёздам автоматических исследовательских аппаратов является вполне реалистичной задачей. Нужно только создать двигатели, «немного» лучше современных…

Исследовательская установка ГДЛ, возможный прототип ТЯРД. Фото взято отсюда

Ранее я уже писал об одном из возможных вариантов двигателей для таких аппаратов — о двигателях на осколках деления. Но и про более известные термоядерные ракетные двигатели (ТЯРД) написать стоит. В конце концов, у них значительно больше шансов стать реальностью уже при нашей жизни…

Для начала нужно понять: что не так с уже существующими ракетными двигателями. Зачем нам ещё какие-то?

А не так с ними удельный импульс и/или энергопотребление.

Как мы знаем, скорость ракеты определяется формулой Циолковского, которая гласит, что ракета разгонится до скорости, равной удельному импульсу (измеренному в единицах скорости), умноженному на натуральный логарифм отношения массы полностью заправленной ракеты к массе ракеты с пустыми баками:

ΔV = Vsp⋅ln(M/m)

Формально мы можем при сколь угодно низком удельном импульсе получить сколь угодно высокую скорость. Но в реальности логарифм — это функция, которая возрастает ну очень медленно. Натуральный логарифм числа 10 (ракета изначально на 90% состоит из топлива) — это 2,3026. Числа 100 (ракета изначально на 99% состоит из топлива) — 4,6052. Числа 1000 (ракета изначально на 99,9% состоит из топлива) — 6,9078… Из-за этого на практике скорость ракеты не может превышать удельный импульс более чем в 3-4 раза, ну самое большее — в 5 раз. Причём даже трёхкратное превосходство скорости над удельным импульсом удаётся получить лишь для многоступенчатых ракет, не говоря уж про четырёхкратное или, тем более, совсем запредельное пятикратное. Условно можно принять, что предельная скорость, доступная ракете с определённым типом двигателей — это четыре удельных импульса.

Лучшие жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) – водородные – могут обеспечить удельный импульс в 4,5 км/с. Это даёт нам 18 км/с ограничения скорости для классических ракет. Достаточно чтобы покинуть Солнечную систему и отправиться изучать галактику! Ведь третья космическая скорость – это «всего лишь» 16,65 км/с. Но если мы хотим дожить до получения научных результатов, то этого хватит лишь для изучения Пояса Койпера, но никак не для других звёзд…

Ядерные ракетные двигатели, испытанные в прошлом веке, разгоняли водород по крайней мере до 8,5 км/с, что даёт оценку максимальной скорости космического аппарата в 34 км/с. Лучше, чем ЖРД, но всё равно не сильно лучше…

Ситуация улучшается при переходе к плазменным и, особенно, ионным ракетным двигателям. Ионный двигатель JPL NEXIS обеспечивает удельный импульс в 80 км/с, что даёт оценку максимальной скорости ракеты в 320 км/с. Европейцы со своей концепцией ионного двигателя Dual-Stage 4-Grid (DS4G) обещают получить 19 300 секунд или 190 км/с удельного импульса. Это уже 760 км/с потенциальной скорости ракеты! Для межзвёздного полёта ещё мало: до нашей любимой Альфы Центавра более 1700 лет лететь придётся. Но ведь ионные двигатели и близко ещё не подошли к каким-либо фундаментальным пределам.

Чертёж и фотография прототипа ионного двигателя DS4G

Однако тут мы сталкиваемся с проблемой энергопотребления, а точнее – энергетической ценой тяги… DS4G должен будет создавать тягу в 2,5 Н (255 гс) при потребляемой мощности в 250 кВт! По 100 кВт на 1 Н тяги! Причём это явно очень оптимистичная оценка, т.к. она достижима лишь при КПД в 95%, а пока их прототип показал лишь 34%… Дальнейший рост удельного импульса приведёт к ещё большему росту расхода электроэнергии. Даже имея технологию космических АЭС большой мощности, подобных проекту «Нуклон-АП», мы не сможем себе позволить такие огромные энергетические расходы. DS4G будет расходовать в год 415 кг рабочего тела. Даже если ресурс АЭС в режиме непрерывной максимальной мощности составит нереальные 30 лет (не забываем, что ни о какой перезагрузке топлива речи тут не идёт), всё равно двигатель едва успеет израсходовать лишь 12,5 тонн. Чтобы получить указанные выше 760 км/с, космический аппарат с таким двигателем должен будет с пустыми баками весить всего лишь 230 кг. Полагаю, достаточно очевидно, что АЭС на 250 кВт, 250 кВт ионный двигатель и бак на 12,5 тонн рабочего тела (про научное оборудование вообще молчим) все вместе будут весить далеко не 230 кг, и, скорее всего, даже не 2300 кг…

Чтобы хоть кто-то из заставших запуск имел шансы дожить до получения научных данных, нам нужно увеличить удельный импульс в десятки раз. При этом нужно получить значительную тягу без расхода большой электрической мощности! Желательно, чтобы рабочее тело само и выделяло энергию для своего разгона… Тут-то нам на помощь и приходит термоядерный синтез: «горящее» термоядерное топливо само нагревает себя до температуры в сотни миллионов градусов, а где столь высокие температуры – там и возможность получить огромный удельный импульс.

Есть два почти не пересекающихся направления термоядерных исследований: магнитные плазменные ловушки и инерциальный синтез. Начнём с первых.

Магнитные ловушки, в свою очередь, тоже разделяются на два направления: открытые магнитные ловушки и, соответственно, закрытые. Вновь начнём с первых.

Открытые магнитные ловушки – это такие колбаски или сардельки из магнитных силовых линий. Простейшей и исторически первой ловушкой такого типа является пробкотрон.

Схема пробкотрона и график распределения магнитного поля в нём вдоль оси

Простейший пробкотрон — это просто две магнитные катушки, расположенные на одной оси на определённом расстоянии друг от друга. Магнитное поле внутри катушек больше, чем между ними. Плазма диамагнитна, т.е. стремится в те области, где магнитное поле меньше, а потому удерживается в пространстве между катушек-пробок. Принцип тут следующий:

  • заряженная частица, попадая в магнитное поле под углом к силовой линии, испытывает силу Лоренца, которая заставляет частицу вращаться вокруг магнитной силовой линии;
  • чем выше магнитное поле – тем выше частота вращения частицы;
  • если частица движется из области со слабым полем в область с сильным полем, то она должна увеличивать частоту своего вращения;
  • энергия на увеличение частоты вращения берётся из энергии движения частицы вдоль силовой линии поля, т.е. частица всё время замедляет своё движение из области слабого поля в область сильного;
  • в какой-то момент частица окончательно останавливает своё движение в область сильного поля, а затем начинает двигаться назад в область слабого поля, замедляя при этом вращение.

Говорят, что частицы плазмы отражаются от пробок. В английском языке эти пробки вообще называются «magnetic mirrors», т.е., в дословном переводе, «магнитные зеркала».

Более сложные пробкотроны могут иметь дополнительные катушки посередине между пробками, создающие область относительно однородного поля. Это позволяет значительно увеличить расстояние между пробками, а значит и объём удерживаемой плазмы.

Пробкотрон с дополнительными катушками посередине

Главная проблема пробкотрона заключается в том, что частица, движущаяся строго вдоль магнитной силовой линии, силы Лоренца не испытывает, а потому совершенно свободно пролетает любые пробки. Более того, частица, движущаяся под небольшим углом к силовым линиям поля, хоть и испытывает силу Лоренца (а потому замедляется при движении в сторону пробки) не успевает остановиться до достижения центра магнитной катушки и тоже улетает прочь. Плазма в пробкотроне имеет весьма небольшую плотность, а потому столкновения ионов в ней бывают хоть и не часто, но всё-таки бывают. В результате столкновений любой ион рано или поздно начнёт двигаться под достаточно малым углом к силовым линиям и убежит из ловушки.

Впрочем, мы же тут термоядерный ракетный двигатель делаем, нам и нужно чтобы плазма вырывалась из ловушки с огромной скоростью!

Проблема «всего лишь» в том, что мы хотим, чтобы плазма сама себя нагревала… Для этого термоядерное топливо, попав в ловушку, должно провести там определённое время, причём измеряемое секундами. Идея просто снизить плотность плазмы, чтобы в ней было меньше столкновений, а потому частицы реже попадали на траектории, позволяющие улететь, не работает: именно при столкновениях термоядерные реакции и происходят, мы ради них это всё и затевали! При этом, увы, лишь одно из тысяч столкновений приводит к реакции ядерного синтеза, а остальные — просто к отскакиванию ионов друг от друга. Расчёты показывают, что пробкотрон, в котором условие саморазогрева, «горения», термоядерного топлива будет выполняться, должен иметь многокилометровые размеры. И даже тут есть сомнения, получится ли: в результате различных процессов (тех же столкновений, например) плазма имеет свойство немного двигаться и поперёк магнитного поля. И чем длиннее наша установка – тем больше плазмы мы будем терять между пробками, а не из-за их «дырявости». Многокилометровый пробкотрон даже в теории находится на самой грани работоспособности, а на практике может оказаться и неработоспособен вовсе: никто не проверял, не строил таких «монстров».

Нужно придумать, как задержать плазму в пространстве между пробок, не увеличивая при этом длину ловушки сверх нескольких сотен метров. И тут есть как минимум три неплохо отработанных в лабораториях направления: газодинамическая ловушка, многопробочная (она же ловушка с гофрированным полем) и амбиполярная ловушка.

Современные открытые магнитные ловушки в представлении Ефима Давидовича Бендера, сотрудника ИЯФ СО РАН. На переднем плане газодинамическая ловушка (ГДЛ), на среднем — амбиполярная (можно отличить от предыдущей по положению стопы), на заднем — ловушка с гофрированным полем

Газодинамическая ловушка является прямым развитием пробкотрона с дополнительными катушками посередине. В классическом пробкотроне ионы плазмы свободно «бегают» между пробками, лишь иногда сталкиваясь. И чем реже столкновения – тем лучше он удерживает плазму. Но что если мы, напротив, заставим частицы плазмы сталкиваться очень часто? Тогда ион, который из-за одного столкновения начал двигаться почти параллельно силовой линии и должен был бы улететь, не успеет это сделать, т.к. другое столкновение уведёт его с этой траектории! Потери плазмы будут происходить только за счёт частиц вблизи пробок, а плазма в центральной части будет надёжно удерживаться. Что-то подобное вытеканию сжатого газа из бутылки с маленьким горлышком. Если мы сделаем ловушку с большим отношением магнитного поля в пробке к магнитному полю в центре (его называют пробочным отношением, и в аналогии с бутылкой это отношение диаметра бутылки к диаметру горлышка), а также с большой относительно диаметра длиной, то потери окажутся небольшими по сравнению с общим объёмом плазмы. На практике ловушка выглядит так:

Схема устройства установки ГДЛ (ГазоДинамическая Ловушка), чья фотография приведена в начале статьи

Как видим, в ней есть весьма длинный относительно диаметра плазмы участок с однородным полем, который заканчивается мощными магнитами с малым диаметром – теми самыми пробками.

Инжекторы нейтральных атомов, т.е. устройства, которые выбрасывают поток водорода в виде обычного, неионизированного, газа со скоростью более 1000 км/с, создают горячую плазму в центральной части установки. Т.к. изначально газ не ионизирован, он свободно проникает внутрь магнитного поля, но в центре установки сталкивается с уже имеющейся там плазмой, ионизируется за счёт столкновений, и тоже становится плазмой, которая удерживается магнитным полем. Т.к. газ вырывался из инжектора с огромной скоростью, образовавшаяся из него плазма имеет огромную температуру, в данной реальной установке – около 10 кэВ. Но потенциально возможны и более высокие температуры.

Да, температуру в ядерной физике принято измерять в электронвольтах (эВ) и килоэлектронвольтах (кэВ). Я тоже, в основном, буду использовать кэВ, лишь иногда дополняя их кельвинами. Желающие могут сделать пересчёт используя простое соотношение:

1 кэВ = 11 600 000 К

Как уже говорилось выше, «термоядерное топливо, попав в ловушку, должно провести там определённое время, причём измеряемое секундами». И в случае газодинамической ловушки это время можно примерно оценить по несложной формуле:

t ~ L(R/Vi)

где L — это длина нашей установки от пробки до пробки, R – пробочное отношение, т.е. отношение магнитного поля в пробке к магнитному полю в центральной части, Vi – это средняя тепловая скорость ионов.

При температуре 10 кэВ средняя скорость ионов дейтерия (одного из основных видов термоядерного топлива) составляет 1200 км/с.

Магнитное поле в центральной части ловушки, если мы собираемся удерживать им плотную термоядерную плазму, должно быть где-то 2-3 Тл. Рекордное поле, которое удалось получить с помощью сверхпроводящих (т.е. потребляющих очень мало энергии) магнитных катушек находится на уровне 45 Тл. Есть проекты магнитов на 50-60 Тл, но скорее всего ещё больше получить без огромных энергозатрат уже невозможно. Таким образом пробочное отношение может достигать величины где-то 20.

Несложный расчёт показывает, что уже при длине газодинамической ловушки в 60 метров время удержания в ней термоядерной плазмы достигает секунды. В установке длиной метров 300 уже можно зажечь термоядерную плазму! Правда дейтерий-тритиевую… Но об этом позже.

Установка с гофрированным полем, она же многопробочная, представляет собой просто множество пробкотронов, стоящих один за другим. Магнитное поле там выглядит примерно вот так:

Профиль магнитного поля в многопробочной ловушке
L — длина ловушки, l — расстояние между пробками

Видно, что пробочное отношение тут получается малым: поле в небольших зазорах между катушками не успевает сильно «разойтись» в стороны, так что пробочное отношение составляет лишь 1,5-2,0. Зато поле всюду можно сделать большим, что означает возможность удерживать очень плотную и горячую плазму, имеющую высокое давление.

В целом, идея многопробочной ловушки схожа с таковой у газодинамической: пусть частица и улетела из первого пробкотрона, в одном из последующих она наверняка столкнётся с какой-нибудь другой частицей и покинет ту траекторию, которая позволяла ей проходить через пробки. На практике подобные ловушки выглядят примерно вот так:

Схема установки ГОЛ-3, содержащей более полусотни магнитных пробок

Идут работы по объединению двух принципов вместе – по созданию газодинамической ловушки, где на концах будет располагаться не по одной пробке, а более чем по десятку.

Внешний вид установки ГОЛ-NB, объединяющей газодинамическую и многопробочную схемы
Схема установки ГОЛ-NB

Многопробочная схема, а также её сочетание с газодинамической, как и чисто газодинамическая ловушка, потенциально даёт возможность «зажечь» плазму при длине в пределах нескольких сотен метров. Хотя, как видно по масштабной линейке на схеме выше, реальные установки в десятки раз меньше нужного размера, и экстраполяция их результатов на размеры термоядерного двигателя может приводить к большим ошибкам.

Теперь пора перейти к амбиполярной ловушке, в конце концов её уже десятки лет предлагают на роль двигателя, пусть даже у ряда экспертов в отношении этого «имеются большие сомнения«.

Схема амбиполярной ловушки АМБАЛ-М и график распределения магнитного поля в ней вдоль оси

Хотя конструкций подобных ловушек предложено много, в целом идея у них общая: если мы на концах установки сделаем маленькие дополнительные магнитные ловушки (у АМБАЛ-М со схемы вверху это обычные пробкотроны), в которых будем поддерживать более плотную плазму, чем в основном объёме ловушки, то эта более плотная плазма не будет пускать плазму основного объёма наружу. В результате амбиполярной (совместной для электронов и ионов) диффузии из концевых ловушек в основной объём будут образовываться электрические поля, запирающие ионы внутри ловушки.

Разумеется, маленькие дополнительные ловушки на концах будут непрерывно и очень активно терять плазму, нам нужно будет тратить энергию и рабочее тело на поддержание там высокой плотности. Но если основной объём ловушки достаточно большой, то потери плазмы через дополнительные ловушки на концах могут оказаться не такими уж и большими по сравнению с тем количеством плазмы, которое удаётся надёжно удерживать. Вновь оценки говорят о том, что при длине в несколько сотен метров возможно «зажигание» плазмы. Хотя реальные установки, как видно по схеме выше, едва дотягивают до десятков метров длины.

На описанных выше вариантах список на самом деле не заканчивается. Например, несколько лет назад запустили Спиральную Магнитную Открытую Ловушку (СМОЛА):

Фотография плазменной установки СМОЛА
Схема устройства и распределение магнитного поля в установке СМОЛА

Установка принципиально отличается от описанных выше наличием спирального закручивания магнитного поля. И хотя установка слишком мала как по размерам, так и по величине магнитного поля, чтобы делать сколько-нибудь надёжную экстраполяцию на большие масштабы, о ней уже заявляют как о возможном прообразе термоядерных реакторов, плазменных и термоядерных ракетных двигателей. «Поживём — увидим».

Так или иначе, у нас есть перспективы создать установку длиной в несколько сотен метров, в которой можно было бы «сжигать» термоядерное топливо и получать поток плазмы, разогнанной до огромных скоростей.

Какое же топливо нам выбрать для нашего термоядерного ракетного двигателя? Вариантов немного: дейтерий (он же водород-2), тритий (водород-3) и гелий-3. Они могут вступать в следующие реакции:

  1. D + T → 4He + n (3,5 МэВ + 14,1 МэВ = 17,6 МэВ)
  2. D + 3He → 4He + p (3,6 МэВ + 14,7 МэВ = 18,3 МэВ)
  3. D + D → T + p (1,0 МэВ + 3,0 МэВ = 4,0 МэВ)
  4. D + D → 3He + n (0,8 МэВ + 2,5 МэВ = 3,3 МэВ)

В скобках указаны энергии первой и второй частиц, образовавшихся в ходе реакции, а также суммарное энерговыделение в реакции. D – это дейтерий, T – тритий, n – это нейтрон, а p – протон, ядро обычного водорода-1.

Отдельно стоит добавить ещё пару реакций:

  1. 6Li + n → 4He + T (+4,8 МэВ)
  2. 7Li + n → 4He + T + n (-2,5 МэВ)

Хоть они и не являются термоядерными, но они позволяют производить в больших объёмах тритий, а пятая реакция ещё и дополнительную энергию (шестая реакция энергию потребляет).

Итак, вариантов у нас немного. Но какой же выбрать?

График зависимости сечения различных термоядерных реакций от температуры
На графике есть ряд дополнительных реакций, имеющих малое сечение
.

Из графика, приведённого выше, совершенно очевидно, что с огромным отрывом лучше всего идёт реакция номер один из нашего списка: D-T. И лучше всего она идёт при температуре около 60 кэВ или 700 000 000 К. Такой температуре соответствует средняя скорость ионов плазмы около 2 680 км/с и возможность получить на выходе из магнитного сопла Лаваля плазменную струю, разогнанную до 3 400 км/с. Почти в 20 раз выше, чем в проекте ионного двигателя DS4G!

Но тут есть пара проблем…

Первая – нейтроны. Да, существуют проекты, чьи авторы предполагают использование их импульса для создания тяги и полезную утилизацию их энергии:

Схема ТЯРД с полезным использованием нейтронов

Но давайте вспомним, что длина ловушки у нас – сотни метров… Да, открытая ловушка состоит из множества одинаковых блоков, магнитных катушек, которые можно по отдельности доставить на орбиту и собрать там на лёгком каркасе. Но улавливатель нейтронов диаметром с длину ловушки – это ведь сплошная конструкция большой толщины! Сложно себе даже представить, сколько она будет весить, и как её создать в космосе… Да и идея авторов преобразовать нагрев этого улавливателя в электричество, а затем питать им ионный двигатель, стоящий на выходе ТЯРД, вызывает огромное количество вопросов. Например, сколько миллисекунд продержатся сетки ионного двигателя под напором термоядерной плазмы с температурой в сотни миллионов градусов?

Так что на практике пользы от нейтронов для термоядерного ракетного двигателя не будет. А вот вреда – сколько угодно! Нейтроны будут нагревать сверхпроводящие магнитные катушки и вызывать их деградацию, а значит нам потребуется толстая и, соответственно, тяжёлая защита, а также мощная тяжёлая система охлаждения, поддерживающая сверхнизкие температуры даже под натиском потока тепла от нейтронов. Разумеется, быстрые нейтроны создают угрозу не только для магнитов, но и для всех электронных систем космического аппарата.

Втора проблема заключается в том, что термоядерные ловушки могут удерживать плазму лишь вплоть до определённого её давления. А чем выше температура плазмы – тем и давление выше. Поэтому чем сильнее мы нагреваем плазму – тем ниже должна быть её плотность, ибо только так можно сохранить приемлемое давление. Интенсивность термоядерных реакций зависит не только от температуры, но и от плотности плазмы. Причём от плотности зависимость квадратичная… С учётом ограничения по давлению (а заодно и разного энерговыделения разных реакций) графики зависимости термоядерной мощности от температуры получаются такими:

Зависимости мощности термоядерных реакций от температуры

Как видим, оптимальная для D-T реакции температура резко «уехала» на уровень порядка 13 кэВ или 150 000 000 К. Это даёт нам уже около 1 240 км/с средней скорости ионов и от силы 1 570 км/с скорости потока на выходе сопла. Вроде и не мало, но для полёта к другим звёздам уже сильно недостаёт…

На графике вполне неплохо смотрится некий «катализированный» D-D синтез… Что это такое? Это просто совокупность всех четырёх реакций синтеза, что мы написали выше. Реакции 3 и 4, идущие с равной вероятностью, рождают тритий и гелий-3, которые можно не отделять от исходного дейтерия, а оставить в плазме и дать им там «сгореть» в реакциях 1 и 2. Гелий-3 очень неохотно вступает в реакцию при низкой температуре, а потому в относительно холодной плазме он будет накапливаться, вытесняя из неё дейтерий. Этим объясняется, почему «катализированный» D-D синтез поначалу идёт хуже, чем «чистый» D-D. Но уже начиная примерно с 15 кэВ дополнительное энерговыделение от реакций 1 и 2 перевешивает снижение концентрации дейтерия и «катализ» начинает работать. Однако, увы, не в случае ТЯРД… Это в наземной установке вся плазма, что покинула реактор, просто превращается в нейтральный газ, остужается, откачивается насосами и затем, после очистки от лишних примесей, может быть снова отправлена в «топку». В случае же ракетного двигателя плазма выбрасывается в космос, и всё, что не успело сгореть за несколько секунд, безвозвратно теряется.

Поэтому термоядерный ракетный двигатель на чистом дейтерии неизбежно будет использовать «чистый» D-D синтез. Его оптимальная температура близка к 15 кэВ, при этом средняя скорость ионов составит 1 470 км/с, а скорость на выходе из сопла гипотетически может достигнуть 1 900 км/с. Чуть лучше, чем у D-T (из-за чуть более высокой температуры и меньшей средней массы иона), ровно в десять раз лучше, чем у DS4G, но для звездолёта всё равно мало.

Впрочем, такой двигатель мог бы использоваться для освоения Солнечной Системы! Благо запасы дейтерия у нас практически безграничны, он из всех видов термоядерного топлива имеет с большим отрывом минимальную цену, безопасен и относительно прост в хранении. Для межпланетных полётов удельный импульс двигателя можно даже снизить! Если напускать в область сопла обычный (не тяжёлый, а потому совсем уж дешёвый и легкодоступный) водород, то можно ценой снижения удельного импульса многократно повысить тягу. Так, например, если двигатель будет питаться по массе на 5% дейтерием (напускаемым в реактор) и на 95% обычным водородом (напускаемым в сопло), то при снижении теоретического максимального удельного импульса до 425 км/с получим рост тяги в 4,47 раза. Во сколько раз снизили удельный импульс – примерно во столько же раз подняли тягу.

Впрочем, у нас ещё остаётся проблема нейтронов… Да, нейтроны D-D реакции имеют энергию «всего лишь» 2,5 МэВ, против 14,1 МэВ у нейтронов D-T (впрочем, немного нейтронов 14,1 МэВ мы всё равно получим, т.к. часть трития будет успевать «сгореть» в реакторе), да и на их долю приходится только около трети энерговыделения, против 80% у D-T, но это всё равно мощный поток быстрых нейтронов. Нам всё ещё потребуется очень серьёзная нейтронная защита, пусть и не столь массивная, как в случае использования трития.

Но вернёмся к звездолётам… У нас ещё осталась реакция номер два! Как видим, смесь дейтерия с гелием-3 лучше всего «горит» при тех самых 60 кэВ, о которых мы так мечтали в самом начале. А значит тут снова становятся возможными 3 400 км/с удельного импульса! А следом за ними и скорость космического аппарата до 13 600 км/с. Или же до 4,5% от скорости света. Долгожители, заставшие в младенчестве старт звездолёта, могут увидеть фотографии, сделанные при пролёте Альфы Центавра!

Впрочем, остаётся вопрос, где взять гелий-3… На Земле его почти нет. Основным методом его производства является предварительное производство трития, а затем ожидание его распада (среднее время жизни почти 18 лет). Метод не очень-то подходящий для создания вещества в объёмах многих тысяч тонн… А ведь нам именно тысячи тонн и нужны!

Давайте вспомним, что реактор на открытой ловушке будет иметь длину в несколько сотен метров. Ну где-то так метров 300 ориентировочно. Вспоминаем, что это в разы больше МКС, которая имеет массу за 400 тонн…

МКС, самый большой рукотворный объект в космосе, имеет ширину 109 метров

Разумеется, масса реактора на погонный метр длины может быть меньше, чем у МКС, т.к. у него не будет всевозможных «лишних» ответвлений. Но в любом случае его масса составит сотни тонн. 200-300 тонн в лучшем случае. Учитывая, что нам нужен не только реактор, но и всё остальное, что обычно бывает на космических аппаратах, в том числе система связи, рассчитанная на дальность эдак в пять световых лет, 300 тонн выглядят как весьма оптимистичная оценка «сухой» массы.

Чтобы аппарат с «сухой» массой 300 тонн разогнался до четырёх удельных импульсов, запас топлива на борту должен составить 16 080 тонн! И 10 080 из них придутся на гелий-3. В принципе, такое количество можно добыть из лунного реголита. Но, чтобы было понятно, насколько это много, сообщу, что такого количества хватило бы на 20-30 лет электроснабжения всей Земли при 100% переходе на термоядерные электростанции!

Можно ли сделать термоядерный двигатель как-то компактнее? Можно! Ведь мы до сих пор рассмотрели только открытые ловушки… Если взять закрытую ловушку, например токамак, то размеры, а с ними и минимальная возможная масса, резко уменьшаются.

Принципиальная схема токамака

Открытые ловушки, в силу неизбежных потерь плазмы вдоль оси, прямо таки просятся на роль ракетного двигателя. Да и авторам таких ловушек очень выгодно преобразовать их огромный недостаток в преимущество, это облегчает получение финансирования. Поэтому большинство проектов ТЯРД основаны именно на открытых ловушках. Но закрытые ловушки подходят для этого ни чуть не хуже, а скорее даже лучше!

Но как вообще в принципе можно получить тягу из «бублика» токамака, если плазма из него никуда не уходит? На самом деле, увы, уходит… Уходит поперёк магнитного поля. И чтобы если не прекратить, то по крайней мере организовать это движение, современные токамаки имеют диверторную конфигурацию магнитного поля, где есть сепаратриса, разделяющая область удержания плазмы и область, в которой плазма не задерживается, а быстро направленно уходит в специальное приёмное устройство — дивертор.

Диверторная конфигурация магнитного поля в токамаке, имеющая сепаратрису
Вся плазма, которая пересекла сепаратрису, практически мгновенно уходит в дивертор

В существующих установках дивертор охлаждает плазму, превращает в нейтральный газ и откачивает из вакуумной камеры. Но потенциально эту плазму можно собрать, направить в щели между магнитными катушками, а затем — выбросить в космос!

Ранее развитие идей токамаков как ТЯРД сдерживали имеющиеся сверхпроводники. Дело в том, что для удержания плазмы с тем же давлением классическому токамаку нужно в несколько раз более сильное магнитное поле, чем в случае открытых магнитных ловушек. А с ростом магнитного поля сверхпроводники резко ухудшают свои характеристики… Для зажигания D-T плазмы их потенциала хватало, но вот в случае гелия-3 – уже никак.

Казалось бы, проблему могут решить так называемые сферические токамаки, которые при равном поле на оси могут удерживать плазму примерно с тем же давлением, что и в случае открытой ловушки.

Если что, сферический токамак – это не что-то принципиально другое, а токамак примерно такой конфигурации:

Схема устройства сферического токамака

Как видим, никаких принципиальных отличий нет, просто «дырка» в нашем «бублике» сделана минимально возможной, а «толщина» — наоборот, как можно больше. Граница между классическими токамаками и сферическими достаточно условна.

Ну так в чём проблема сферических токамаков, почему «казалось бы»? Да потому что магнитное поле в токамаке неоднородно по его сечению, оно усиливает при движении к «дырке» нашего «бублика». И если для классических токамаков этот эффект относительно мал, то у сферических поле, в котором находится внутренняя часть витков магнитных катушек, в несколько раз выше поля на оси плазменного жгута. Т.е. используя старые сверхпроводники мы не сможем создать в сферическом токамаке большое поле на его оси.

К счастью, в начале 21-го века был налажен выпуск высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, способных работать при огромных магнитных полях.

Катушка высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения

Это позволило создать реалистичные проекты ТЯРД на базе сферических токамаков. Уменьшение размеров по сравнению с сотнями метров открытых ловушек просто поразительное:

Проект термоядерного двигателя для пилотируемой миссии к Сатурну

Более того, т.к. характеристики этих сверхпроводников ежегодно улучшаются, можно рассчитывать на значительное уменьшение массы будущих реакторов относительно проектов пятнадцатилетней давности! Ведь в этом проекте 2/3 массы реактора – это масса сверхпроводящих магнитов.

Разумеется, т.к. двигатель проектировался под пилотируемый полёт внутри Солнечной Системы, там есть упомянутый выше напуск водорода в сопло, так что удельный импульс по проекту «всего» 347 км/с:

Схема ТЯРД на базе сферического токамака

Зато тяга должна быть аж 2,83 тонн-силы! Даже для огромного пилотируемого корабля, вдвое больше МКС, это весьма солидный показатель.

Проект пилотируемого космического корабля Discovery II на базе ТЯРД

Если же мы не хотим тягу, а хотим удельный импульс, то мы знаем, что нам делать: просто убрать напуск водорода в сопло, что позволит получить УИ более 3000 км/с.

Но всё-таки и 3000 км/с, даже чуть более — это мало для звездолёта. Да, мы можем получить 4-5% скорости света, но всё равно результат полёта космического аппарата увидят лишь немногие из тех, кто был младенцем при запуске, а уж о его создателях и говорить не приходится… Можно ли ещё больше? Можно!

Ведь до сих пор мы говорили только о синтезе в магнитных плазменных ловушках, а про инерциальный синтез совсем позабыли… А ведь именно он обещает самый высокий удельный импульс, потенциально аж 20 000 км/с. А значит скорость космического аппарата сможет достичь 80 000 км/с или более 26% от скорости света!

В чём идея этого чудесного направления синтеза? А идея простая: давайте не будем удерживать долгое время «жиденькую» плазму мощными магнитными полями, а просто создадим плазму, которая в десятки раз плотнее свинца! Тогда удерживать её никак не нужно будет, она успеет прореагировать быстрее, чем инерция позволит ей разлететься. Гарантия 100%: проверено в термоядерном оружии!

Принципиальная схема термоядерного реактора с инерциальным удержанием

Можно, конечно, натурально взрывать термоядерные боеголовки для создания тяги. Но это совсем другая история… А мы сейчас об идее сжимать маленький кусочек замороженного термоядерного топлива лучами мощных лазеров или, быть может, ионных ускорителей. Работает это так:

  1. Мощный поток энергии направляется со всех сторон на шарик из замороженного топлива, покрытого сверху материалом, который хорошо поглощает излучение;
  2. Поглотив энергию оболочка превращается в раскалённую плазму и с огромной скоростью разлетается во все стороны. Одновременно она давит на термоядерное топливо, создавая в нём волну сжатия;
  3. Термоядерное топливо равномерно сжимается в шарик всё меньшего размера, при этом его плотность возрастает в тысячи раз, одновременно увеличивается и температура;
  4. В сжатом и разогретом шарике начинаются термоядерные реакции, которые будут продолжаться пока он не разлетится в стороны, либо пока не кончится термоядерное топливо.

Вполне очевидной кажется идея светить на шарик ядерного топлива со всех сторон огромной кучей лазеров. Но, увы, «это так не работает». Свет даже от пары сотен лазеров невозможно распределить по поверхности шарика достаточно равномерно. Ведь при сжатии шарика в десятки раз даже самые мельчайшие неоднородности возрастают до недопустимого уровня, не давая возможности получить достаточно плотную и горячую плазму. Поэтому на практике поступают иначе: вокруг крупинки термоядерного топлива сооружают «домик» – хольраум (hohlraum) с несколькими небольшими отверстиями для прохода лазерных лучей. Пройдя через отверстия лучи нагревают внутреннюю стенку хольраума до огромной температуры, при которой она начинает ярко светиться мягким рентгеновским излучением. И вот уже это рентгеновское излучение, приходящее со всех сторон очень и очень равномерно, воздействует на термоядерное топливо.

Хольраум, покрытое оболочкой замороженное топливо и лазерные лучи

Увы, но масса хольраума оказывается заметно больше массы термоядерного топлива, а значит 20 000 км/с, полученные в расчёте, что плазма на 100% состоит из продуктов термоядерной реакции дейтерия и гелия-3, уже не реализуемы. Да и прореагировать на 100% топливо не может… Тем не менее удельный импульс в 7 000 — 8 000 км/с потенциально возможен, а с ним возможно и достижение скорости в 10% от световой.

Осталось только превратить это во что-то компактное:

Один из залов с лазерами установки National Ignition Facility

Ну а пока лазеры для термоядерного синтеза занимают огромные залы, а подходящих ионных ускорителей на замену им просто не существует, остаётся довольствоваться теми возможностями, которые дают нам более компактные и лёгкие установки с магнитным удержанием.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

70
Войдите, чтобы видеть ещё 161 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Исключительная Гвинн Шотвелл
Вечность назад

Занятная статья. Мне обычно такое чтиво сложно осилить, потому что как правило автор после нескольких понятных абзацев уносится на "крыльях своих знаний" в такие тёмные дебри и пятиэтажные формулы что сразу теряет связь с читателем. Читатель(то бишь я) ещё чего-то пыжится понять, уловить ускользнувшую нить, но автор прёт все дальше и дальше, как локомотив потерявший вагоны, пока не скрывается в тумане за горизонтом. После таких статей остаётся только впечатление обманутого ребёнка которого обещали сводить в зоопарк, а на деле показали стаю дворовых собак за забором. Тут же все понятно и последовательно, человеческим языком. Под конец немного галопом-по-Европам, но это даже хорошо, потому что основные идеи и сложности понятны, а мозг уже и без того плавится. Так что зашло в самый раз. Спасибо.

Расточительная Эллен Рипли
Вечность назад

Вау!

Кричащий Starman
Вечность назад

В любом случае, хочется искренне поблагодарить автора за столь подробный обзор идей использования термоядерного синтеза в ракетных движителях. Сдовольствием поставил "зеленую галочку". :)

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.