Флориан Нойкарт, доцент Лейденского института, предложил новый метод космического движения — магнитный плазменный привод (MFPD). Эта концепция сочетает в себе двигательную установку ядерного синтеза, ионную двигательную установку и другие технологии и, как ожидается, позволит достичь высокой плотности энергии и топливной эффективности.
Флориан Нойкарт представляет плазменный привод магнитного синтеза, революционный метод движения, сочетающий в себе технологии ядерного синтеза и ионные технологии. Он обладает огромной плотностью энергии и многочисленными преимуществами, которые могут по-новому взглянуть на освоение космоса, хотя по-прежнему существуют проблемы с поддержанием реакций ядерного синтеза в космосе.
Миссии на Луну, миссии на Марс, роботы-исследователи внешней Солнечной системы, миссии к ближайшим звездам и даже космические корабли, преследующие межзвездные объекты, проходящие через нашу систему. Если вы думаете, что это похоже на описание грядущей эры освоения космоса, вы правы! В настоящее время существует множество планов и предложений по отправке астронавтов и/или зондов во все эти пункты назначения для проведения некоторых из самых прибыльных научных исследований, когда-либо проводившихся. Естественно, профиль этих миссий сопряжен с различными проблемами, не последней из которых является вопрос продвижения.
Короче говоря, человечество достигло пределов возможностей обычных (химических) двигателей. Отправка миссий на Марс и в другие места в дальнем космосе требует передовых двигательных технологий, которые обеспечивают высокое ускорение (дельта-v), удельный импульс (Isp) и топливную экономичность. Флориан Нойкарт, профессор Лейденского университета, в недавней статье предположил, что будущие миссии могут опираться на новую концепцию двигательной установки, называемую плазменным приводом магнитного синтеза (MFPD). Это устройство сочетает в себе аспекты различных методов движения для создания системы с высокой плотностью энергии и значительно более высокой топливной эффективностью, чем традиционные методы.
Как люди могут путешествовать к ближайшей звездной системе при нашей жизни? Источник изображения: Marsh Maomi/Shenjiang Project
Флориан Нойкарт — доцент Лейденского института передовых компьютерных наук (LIACS) Лейденского университета и член правления швейцарской компании-разработчика квантовых технологий TerraQuantum AG. Препринт его статьи был недавно опубликован в Интернете и в настоящее время находится на рассмотрении Elsevier.
Зачем нужны передовые технологии движения?
Нойкат считает, что технологии, которые могут превзойти традиционные химические двигатели (CCP), имеют решающее значение в современную эпоху освоения космоса. В частности, эти технологии должны обеспечить большую энергоэффективность, тягу и возможность выполнения длительных миссий.
Это особенно актуально для миссий на Марс и в другие места за пределами системы Земля-Луна, поскольку эти миссии представляют серьезную угрозу здоровью, безопасности и благополучию астронавтов. Даже если Земля и Марс сближаются каждые 26 месяцев (оппозиция Марса), полет на Марс в одну сторону займет до девяти месяцев. В сочетании с наземными операциями, которые могут длиться до года, и обратным путешествием продолжительностью в 9 месяцев, миссия на Марс может продлиться до 900 дней! В этот период астронавты будут подвергаться воздействию высоких уровней космической и солнечной радиации, не говоря уже о вреде для их тел, вызванном длительной микрогравитацией.
В результате НАСА и другие космические агентства активно исследуют другие методы движения. Как и в предыдущей статье. Сколько времени занимает путешествие до ближайшей звезды? Они включают в себя концепции экономии топлива, такие как электрическое или ионное движение, в которых электромагнитные поля используются для ионизации инертного топлива, такого как ксенон, и ускорения его через сопло для создания тяги. Однако эти концепции обычно производят меньшую тягу и должны полагаться на мощные источники энергии (солнечные батареи или ядерные реакторы) для создания большей тяги.
Изображение художника космического зонда ИКАРОС в полете, первого космического корабля, успешно продемонстрировавшего технологию солнечного паруса в межпланетном пространстве. Источник: Анджей Мирецкий
Солнечные паруса — еще один вариант, который может генерировать устойчивое ускорение, не требуя при этом топлива (тем самым экономя массу). Однако миссии, оснащенные этой технологией, имеют ограниченную тягу и должны работать ближе к Солнцу. Поворотом этой идеи является использование лазерных массивов гигаваттного класса (ГВт) для ускорения оснащенного парусом космического корабля до релятивистских скоростей (доли скорости света). Однако для реализации этой концепции требуется дорогая инфраструктура и огромное количество энергии.
Ядерная и термоядерная двигательная установка
Другая популярная концепция — ядерная тепловая двигательная установка (NTP), которую НАСА и Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) в настоящее время разрабатывают в виде демонстрационной ракеты для маневренных лунных операций (DRACO). Этот метод основан на том, что ядерный реактор нагревает топливо (например, жидкий водород), заставляя его расширяться через сопло для создания тяги. Преимущества NTP включают высокую плотность энергии и высокое ускорение, но он также сталкивается со многими техническими проблемами и проблемами безопасности, связанными с обращением и запуском ядерных материалов.
Космический корабль с позитронным реактором будет напоминать художественную концепцию эталонного космического корабля миссии на Марс. Источник: НАСА
Существуют также концепции двигательной установки, в которых используются реакции ядерного синтеза, такие как реакции дейтерия-трития (D-T) и дейтерия-водорода 3 (D-He3), которые ученые-теоретики изучают на протяжении десятилетий. Эти методы открывают потенциал для достижения высокой тяги и чрезвычайно высокого удельного импульса, но также создают технические проблемы, главными из которых являются способы обращения с необходимым топливом и достижения устойчивых и контролируемых термоядерных реакций. Есть и более экзотические концепции, такие как движение на антивеществе и варп-двигатели Алькубьерре, но ни одна из них не осуществима в обозримом будущем.
Революционная концепция Ньюкарта
Предложение Ньюкарта сочетает в себе термоядерное движение, ионное движение и другие концепции. Как он объяснил Universe Today по электронной почте:
«MFPD — это двигательная система, используемая для освоения космоса, которая использует управляемые реакции ядерного синтеза в качестве основного источника энергии для производства как тяги, так и, возможно, электричества. Идея системы заключается в использовании огромной энергии, генерируемой реакциями ядерного синтеза (обычно с участием изотопов водорода или гелия), для производства высокоскоростных частиц выхлопных газов, которые могут производить, согласно третьему закону Ньютона, генерацию тяги. Магнитное поле используется для ограничения и управления плазмой, образующейся в результате реакции термоядерного синтеза, для обеспечения управляемости. При этом концепция МФПД предусматривает также возможность преобразования части термоядерной энергии в электрическую для поддержания бортовой системы корабля и возможной системы управления реакцией».
Художественная концепция двухрежимной ядерной тепловой ракеты на низкой околоземной орбите. Источник: НАСА
Разработку концепции Ньюарт начал с реакции синтеза дейтерия-трития (DT), поскольку это одна из наиболее изученных и понятных реакций, обеспечивающая четкую и знакомую основу для разработки основных принципов и механики MFPD. Кроме того, Нойкарт добавил, что реакция DT имеет относительно низкую температуру воспламенения и высокое сечение по сравнению с другими концепциями, что делает ее хорошей «отправной точкой». Таким образом, они обеспечивают полезный эталон для измерения и сравнения характеристик таких теоретических двигательных систем.
Однако конечной целью MFPD является использование безнейтронного синтеза (p-B11), при котором очень небольшая часть энергии, выделяемой в результате реакции, переносится нейтронами. Напротив, ненейтронные реакции выделяют энергию в виде заряженных частиц (обычно протонов или альфа-частиц), что значительно снижает уровень производимого нейтронного излучения.
Преимущества технологии декомпозиции мультимедиа
Преимущества такой системы очевидны: она сочетает в себе высокий удельный импульс с огромной плотностью энергии и способность обеспечивать как тягу, так и мощность от одного источника энергии. Нойкерт сказал, что другие преимущества включают следующее:
Высокий удельный импульс: МФПД может обеспечивать высокий удельный импульс, вызывая огромные изменения скорости (дельта-v) космического корабля, что полезно для выполнения миссий к далеким небесным телам.
Высокоэнергетическое топливо: термоядерное топливо (например, изотопы водорода) имеет удивительно высокую плотность энергии, что позволяет расширять миссии, не требуя большого количества топлива.
Более низкая массовая доля: конструкции космических кораблей могут уменьшить массовую долю хранилища топлива, обеспечивая выделение большей массы для научных инструментов или дополнительных технологий.
Двойное назначение. Многоцелевой двигатель — это больше, чем просто двигательная установка; он также обеспечивает питание систем и инструментов космического корабля, что имеет решающее значение для длительных миссий.
Адаптивность: возможность регулировать тягу и удельный импульс, обеспечивая универсальность для различных этапов миссии, таких как ускорение, крейсерский режим и замедление.
Сокращение времени в пути. Большая устойчивая тяга может значительно сократить время в пути до отдаленных пунктов назначения, снижая риски, связанные с воздействием космической радиации и управлением бортовыми ресурсами.
Радиационная защита. Несмотря на сложную задачу, можно спроектировать собственные магнитные поля и физические структуры, которые будут использовать плазму и магнитные поля для обеспечения определенной степени радиационной защиты космического корабля и экипажа.
Независимость от близости к Солнцу: в отличие от солнечных парусов или солнечных электрических двигателей, Многоцелевой многополевой двигатель не зависит от близости к Солнцу; следовательно, возможно выполнение миссий за пределами Солнечной системы и за ее пределами.
Минимизированный риск ядерного загрязнения: поскольку для термоядерного синтеза обычно требуется меньше радиоактивного материала, чем для ядерно-тепловых или ядерно-электрических концепций, и он потенциально делает остановку реактора более безопасной, многофункциональные топливные элементы могут быть разработаны так, чтобы минимизировать риск радиоактивного загрязнения.
Влияние и проблемы
Что касается влияния этой системы на освоение космоса, Нуекарт подчеркнул, что она может преодолевать большие космические расстояния за более короткое время, расширять масштабы миссий (быстрые путешествия к другим планетам Солнечной системы и межзвездные миссии), снижать риски долгосрочных космических миссий (воздействие радиации и микрогравитации), производить революцию в конструкции космических кораблей, одновременно обеспечивая двигательную установку и электроэнергию, а также расширять исследовательские возможности человека.
Помимо этого, он предвидит дополнительный потенциал для технологий в области материаловедения, физики плазмы и производства энергии, которые также найдут применение здесь, на Земле. Развитие системы может также способствовать международному сотрудничеству, объединяя экспертов и ресурсы из разных областей для достижения общих целей геологоразведки.
Конечно, ни одно предложение по технологии следующего поколения не будет полным без некоторых оговорок и дополнений. Например, по словам Нуэката, основной задачей технологии двигательной установки MFPD является достижение и поддержание стабильных термоядерных отношений в космосе. На Земле исследователи добились значительного прогресса в области магнитного удержания (MCF) и инерционного термоядерного синтеза (ICF). Первый включает в себя реактор токамак, который использует магнитные поля для удержания термоядерного синтеза в форме плазмы, а второй использует лазеры для сжатия и нагрева топливных листов DT. Однако подобные эксперименты в космосе не проводились, что поднимает вопросы о том, как система справляется с теплом, выделяемым в результате реакции, образующимся излучением и воздействием на структуру космического корабля. Несмотря на это, космические ядерные испытания (вышеупомянутый демонстратор DRACO) начались. Учитывая преимущества термоядерной технологии, она вряд ли останется на чертежной доске слишком долго. В конечном счете, по словам Нуэката, исследования многотопливных двигателей направлены на то, чтобы проложить путь к межзвездным исследованиям и (когда-нибудь) межзвездным исследованиям:
«Нельзя отрицать, что в процессе реализации концепции мультимедиа-каталитического разложения возникнет множество проблем и научных препятствий, но потенциальные выгоды огромны. Достижение надежного, эффективного и действенного термоядерного двигателя может переопределить границы достижимых целей и подтолкнуть человечество в новую эру исследований, открытий и понимания Вселенной. Я надеюсь, что это исследование посеет семена любопытства, инноваций и решимости для ученых, инженеров и исследователей во всем мире». указывая путь к нашему межзвездному будущему».
Адаптировано из статьи, первоначально опубликованной на сайте Universe Today.