Термоядерный ракетный двигатель отправит США в глубокий космос

Команда американских ученых использует особенную установку для испытания ядерного оружия, чтобы разработать термоядерный ракетный двигатель, который сделает Солнечную систему "задним двором" человечества.


Огромный аппарат под названием Decade Module Two (DM2) в течение 10 лет использовался Агентством по сокращению военной угрозы (DTRA) для исследований в области воздействия ядерных взрывов. В 2009 году военные исследования были закончены и DM2 передали Университету Алабамы.

Теперь специалисты из Университета Алабамы в Хантствилле, НАСА, Boeing используют бывшую военную установку для сборки устройства Charger-1 Pulsed Power Generator. Когда 50-тонный Charger-1 соберут, это будет одна из самых крупных и мощных импульсных энергетических систем в мире.

Гигантская зажигалка

Термоядерный синтез – это слияние атомных ядер, которое освобождает большое количество энергии. Американские ученые планируют использовать термоядерный синтез с участием атомов тяжелого водорода, дейтерия, и изотопов лития. Энергию, необходимую для сжатия атомов, т.е. зажигания термоядерной реакции, планируется высвобождать с помощью мощного импульсного устройства, которое по действию чем-то похоже на удар молнии.

 Зажечь термоядерную реакцию в установке Charger-1 должен мощнейший электрический импульс, энергию для которого накапливают конденсаторы. В настоящее время идет монтаж проводов из лития-6 и дейтерида лития, проводящих импульс и превращающихся в плазму, которая будет сжиматься Z-пинч эффектом.  

 Работа Z-пинч эффекта

Пинч-эффект - это сжатие плазмы в результате взаимодействия тока разряда с магнитным полем. Если ток протекает вдоль оси цилиндрического плазменного столба, то его называют Z-пинчем. Z-пинч можно наблюдать, например, при ударе молнии в трубчатый громоотвод. Данный эффект используется для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах, и в НАСА на него возлагают большие надежды.

Разряд установки Charger-1 может производить плазму, которая сжимается собственным магнитным полем и при размере в палец может заключать в себе 20% от всей энергии, которую потребляет человечество в текущий момент времени. Разумеется, главная цель разработчиков термоядерного ракетного двигателя – получить на выходе больше энергии, чем было потрачено на инициацию термоядерного синтеза. Хотя, надо сказать, команда Charger 1 не надеется, что им удастся этого достичь, но в любом случае огромная установка даст большое количество ценной научной информации, которая пригодится для разработки первого прототипа термоядерного ракетного двигателя. Бывший военный модуль DM2 в 500-наносекундном электрическом импульсе выдает до 1 тераватта мощности - около 6% от потребления электроэнергии в мире.

Двигатель

Проблема космических кораблей на химическом горючем известна: нужно сжечь тысячи тонн топлива, чтобы транспортировать всего десятки тонн полезного груза. С такими ракетами серьезно говорить об освоении Солнечной системы не приходится.  

 Слева направо показана эволюция научной программы по созданию Z-пинч двигателя: через 9 лет вместо одного нынешнего накопительного модуля DM2 будет испытываться полноценное кольцо из 8 модулей. Еще через 2 года будут испытываться одновременно 2 кольца

 Термоядерная силовая установка – совсем другое дело. Термоядерной ракете вместо тысяч нужно всего несколько тонн топлива. Более того, с помощью ядерного ракетного двигателя, например, на Марс можно было бы долететь не за 6 месяцев, а за 6 недель. Все это одним махом решает проблему длительного пребывания в напичканном опасностями космосе, а также уменьшает сложность систем жизнеобеспечения и защиты космического корабля.  

 


Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто

Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто: "Представьте, что в задней части ракеты взрывается заряд, эквивалентный 1 тонне тротила. Именно такой двигатель мы и делаем".


Двигатель корабля на Z-пинче работает просто

Двигатель корабля на Z-пинче работает просто: в параболическую камеру сгорания подаются два компонента топлива и мощный электрический импульс из конденсаторов превращает их в плазму. Магнитное поле большой силы сжимает плазму и зажигает реакцию термоядерного синтеза.

В результате образуется расширяющаяся в камере сгорания плазма, которая имеет массу всего 0,02 кг, но ее начальная кинетическая энергия достигает 1 ГДж.

Плазма, раздувающаяся как своеобразный воздушный шарик, в итоге сжимается Z-пинч эффектом, выбрасывается из магнитного сопла и создает реактивную тягу.

Основная функция Z-пинч эффекта – это защищать двигатель от разрушения и направлять очень большие токи (в мегамперы) через плотную плазму в течение очень короткого времени – около 10-6 секунды.

На выходе получается реактивная тяга в 3812 ньютон-секунд за импульс при частоте 10 импульсов в секунду и удельном импульсе 19436 секунд.

 В НАСА рассчитывают на то, что количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, будет в 3 раза больше количества энергии, необходимого для зажигания. Это означает, что за 100 наносекунд до начала следующего импульса конденсаторам необходимо "сбросить" в камеру сгорания 333 МДж энергии. Это весьма сложная проблема - даже учитывая высокую эффективность конденсаторов (80%), необходимо будет решить задачу создания накопителей, которые смогут очень быстро заряжаться и разряжаться. В качестве топлива Z-пинч двигателя планируется использовать дейтерий и литий-6, которые производят полезные побочные продукты (например, тритий), повышающие выход энергии. Охлаждать двигатель будет жидкость фтор-литий-бериллий (FLiBe), которая к тому же способна поглощать гамма-лучи и нейтроны. Параболическое магнитное сопло будет состоять из 8 колец сверхпроводящих магнитных катушек на основе иттрия. Они создают внутри сопла начальное магнитное поле и направляют в конденсаторы электрический ток, индуцированный в процессе расширения плазмы. Позже эта энергия будет использована для следующего импульса.

Термоядерная ракета

Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбите.  

 Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбит

Несущей конструкцией корабля будет центральная ферма с радиаторами, отводящими тепло от двигателей. На одном конце фермы будет расположен двигатель, а на другом - обитаемый отсек и спускаемый аппарат или друга полезная нагрузка.

Сопло двигателя будет иметь диаметр 13,6 м, его планируется изготовить из углеродного композита – в любом случае сопло радиации не боится, а от плазмы сопло защищает магнитное поле. Сложнее с конденсаторами, которые необходимо защитить от гамма-излучения и нейтронов. Их придется закрыть достаточно тяжелой радиационной защитой, которая одновременно будет защищать и экипаж, к тому же удаленный от активной зоны на безопасное расстояние с помощью длинной фермы.

Максимальная тяга Z-пинч корабля сравнима с традиционными ракетами, но перегрузка при ускорении такого крупного корабля будет совсем небольшой – менее 1 g, что обеспечит комфорт при многодневном разгоне и торможении.

При массе полезной нагрузки в 150 тонн, общая масса корабля составит почти 600 тыс. тонн. Это, ненамного больше МКС весом 400 тонн, однако возможности у Z-пинч корабля будут совсем другие: за 1,5 суток максимальной тяги двигателя Z-пинч корабль достигнет Марса через 90 дней. Если полная тяга продлится 8,7 суток, то до Марса можно будет добраться всего за 30 дней! При этом корабль за вдвое меньшее время полета доставит на 35-55% больше полезного груза, чем сравнимая химическая ракета.

В целом, США по силам собрать корабль с сухим весом около 390 тонн. Это сравнимо с МКС, а учитывая, что в США активно ведется разработка мощнейшей ракеты-носителя SLS, способной выводить на низкую околоземную орбиту до 130 тонн груза, сборка Z-пинч корабля - задача вполне решаемая.

Решить проблемы

В любом случае, до сборки пока далеко. Еще предстоит решить ряд сложных технических задач по созданию Z-пинч двигателя. С помощью установки Charger 1, ученые должны оценить безопасность и пригодность для использования в качестве топлива лития-6, эффективность работы МГД-генераторов, надежность магнитного сопла, антирадиационной защиты и т.д. Все это ученые планируют сделать в течение ближайших 11 лет. Надо отметить, что в НАСА параллельно работает множество программ по обеспечению полетов вглубь Солнечной системы: решаются проблемы сохранения здоровья экипажа межпланетного корабля, отрабатываются системы посадки, оборудование для работы на поверхности планет и астероидов и т.д. Таким образом, подготовка к освоению нашей звездной системы уже идет полным ходом.