Ракетные двигатели на химическом топливе близки к своему пределу – скорость выброса продуктов сгорания не превышает 5 км/сек, но обладая тягой в сотни тонн они еще долго будут незаменимы для преодоления земного притяжения.
Другой класс так называемых электроракетных двигателей предназначен для работы уже в космосе – их тяга мала, порядка килограмм-силы при 100 кВт потреблении. Их применяют для коррекции орбит или для доускорения спутников при полете к дальним планетам. Это ионные, холловские и другие плазменные двигатели.
Скорость выброса вещества в них уже вырастает до десятков км/сек. Недостаток их в том, что там происходит только однократное ускорение ионов вещества под действием электрического поля, либо выброс из-за сильного нагрев газа – СВЧ или путем пропускания его через атомный реактор, как в аванпроекте Роскосмоса и Росатома.
Работы, проводимые в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, открывают дорогу новому классу электроракетных двигателей с постоянной тягой в десятки тонн.
Физический принцип работы основан на законе Ампера об отталкивании/
притяжении проводников с током.
Для получения силы тяги один из проводников должен свободно выбрасываться в пространство (для выполнения закона сохранения импульса) и быть электрически нейтральным – т. е. надо организовать разряд в плазме (пробой в газе, пробой по поверхности диэлектрика, ее инжекция) как показано на рисунке.
Токи должны быть на уровне сотен килоампер (коэффициент в формуле – 10-7 ). Однако такая схема работает плохо – расстояние между токами быстро растет, сила падает и приобретаемый импульс будет маленьким, а электроды будут быстро разрушатся под действием тока.
В 50-годах прошлого века предложено использовать замкнутые витки с током в магнитном поле. Это уже безэлектродная схема.
Огромное преимущество такого витка – его можно ускорять в длинной структуре, последовательно включая многовитковые обмотки, расположенные по всей длине камеры ускорения. Фактически – это электромагнитная пушка Гаусса, показанная на Рис. в которой роль снаряда выполняет виток с током.
Такая осесимметричная конфигурация витка с током называется компактным тором, или FRC (Field Reversed Configuration).
При токе в замкнутом витке (торе) в плазме 100 кА и в многовитковых обмотках порядка M *килоампер* N витков с диаметром несколько метров сила будет достигать сотен килоньютон (десятки тонн). Это просто линейный электродвигатель, замкнутый ток в одной из его подвижных частей течет в плазме. В токамаках ток в таких «бубликах» достигает мегаампер!
Космический корабль массой несколько сотен тонн с ядерным реактором и таким двигателем сможет достигать Марса за неделю c постоянным ускорением/торможением 0.3 g (сила притяжения на Марсе 0.3 земной). Как тебе такое Илон Маск?
При кажущейся простоте идеи, технически решить проблему получения витка с током в сотни килоампер оказалось очень сложно. Ученым из ФИАНа и Бауманского технического университета это удалось. Соответствующий патент был получен несколько лет назад.
Для проверки нового способа получения и ускорения компактных торов в ФИАНе была создана экспериментальная установка с энергозапасом до 200 кДж.
Скорость движения замкнутого витка с током выросла до десяти км/сек. И это на длине ускорения в десяток сантиметров, а это расстояние надо увеличивать до сотен метров, что бы достичь скорости выброса в тысячи км/сек (в один процент от скорости света).
При такой скорости необходима и быстрая коммутация энергии в обмотках, ведь при прохождении витка с током мимо обмотки, направление тока в последней должна меняться на противоположную. Сначала обмотка притягивает виток, потом – отталкивает. Это упрощенная схема, ускоряющие обмотки можно располагать и на центральном штоке, не показанном на рисунке.
В частотном режим (50-1000 Гц) коммутируемая мощность будет достигать мегаватного диапазона, что будет являться одной из трудно решаемых задач наряду с необходимостью использования сверхпроводников.
Понятие «специфический импульс» как отношение силы тяги к массовому расходу топлива в секунду, в электроракетных двигателях не отражает эффективность двигателей. Расход массы – миллиграммы в секунду. Важны скорость выброса вещества из ракеты .
Попытка провести эксперимент при атмосферном давлении не увенчались успехом. Тем не менее такой электрический ракетный двигатель начнет работать эффективно уже на высотах свыше 70 км, куда его будет доставлять одноступенчатая многоразовая ракета с жидкостным двигателем, типа Falcon . Взлет строго вертикально и возврат на место старта.
Дальнейшее ускорение для достижения 1-ой космической скорости может занимать больше времени чем сейчас, соответственно перегрузки будут меньше. Поскольку тяга двигателей будет больше веса корабля, то он вообще может висеть на одной высоте – и у реактора и у двигателя будет неограниченный режим работы.
Двигатели с общей тягой сотни тонн будет незаменимы в борьбе с астероидной опасностью – за месяцы работы двигателей его траекторию можно будет изменять.
Для энергоснабжения такого корабля необходим атомный реактор.
Термоядерный реактор-коллайдер
Для осуществления термоядерной реакции синтеза необходимо ускорить и столкнуть два компактных тора, то есть использовать ту же самую технологию. Изначально это и было главной целью наших экспериментов.
При одинаковом направлении тока торы будут притягиваться и остановятся в месте встречи с выделением всей запасенной кинетической энергии. В существующих коллайдерах заряженных частиц лишь незначительная часть энергии пучков выделяется в месте столкновения. Схема взаимодействия витков приведена ниже.
Ток в компактных торах достигал несколько десятков килоампер. Tемпература плазмы в месте столкновения превысила несколько кэВ и длительность импульса мягкого рентгеновского излучения – около 1 микросекунды, т. е. на три порядка выше, чем в знаменитой американской Z-machine , где она 1-2 наносекунды, при 20 МДж запасаемой энергии. В нашей установке – 200 кДж.
Такая длительность уже сравнима со временем абляции заряда в термоядерной бомбе (нагрев путем сжатия мягким рентгеновским излучением).
Выделяемые при реакции синтеза быстрые нейтроны можно направлять на природный Уран-238 для осуществления его распада с выделением дополнительной энергии (либо на «дожигание» радиоактивных отходов). Будет еще один реактор ПИК.
Описанная схема также интересна и для осуществления безнейтронной бор-протонной реакции синтеза P + B 11 с выделением трех заряженных альфа частиц, энергию которых можно попытаться напрямую преобразовать в электрическую.
Американским частным компаниям Tri Alpha Energy (tae.com , объем освоенного финансирования с 1998 г.- 500 млн. долларов, включая 50 млн. от Роснано) , и Helion Energy (helionenergy.com ) этого не удалось достичь. С сооснователем TAE Norman Rostoker я встречался в 1998 году, имея только начальную идею. В настоящее время TAE перешла к магнитному удержанию плазмы в FRC .
Два десятка частных компаний, ведущие исследования по термоядерному синтезу, объединены во Fusion Industry Association.
Россия участвует в создании термоядерного реактора ИТЭР через «частную» компанию Росатома – Проектный Центр ИТЭР ( iterrf . ru )
Росатома (институт ТРИНИТИ) уже получил от правительства России 2.6 млрд руб. на реконструкцию двух своих зданий под электроракетные двигатели). Я такие здания с заброшенными установками видел и в Троицке, Протвино, в Курчатнике, ФИАНе. А где калининградский КБ Факел Центр Келдыша? Именно они занимались электроракетными двигателями.
Хорошо бы для экспериментов по термоядерному синтезу привлечь Роскосмос и частный капитал.
России нет в Mission innovation (http://mission-innovation.net – 24 страны мира, с целью перехода на «чистую» энергию). Надо бы создать свою международную коллаборацию для продолжения работ с привлечением Национальных космических и атомных агенств, частных компаний – S 7, SpaceX, Blue Origin , Virgin Galactic и других.
Следующую сотню лет человечеству есть чем заняться.