הדור הבא של Spacecraft Propulsion: Fusion ו- Antimatter Technologies

המונחים: the Limits of Chemical Propulsion

הגעת האנושות לחלל נקבעה על ידי מגבלות של הדחף הכימי.מכאן V ועד לפקון הכבד, כל טיל שהושק על אותו עיקרון בסיסי: דחף בוער לייצר דחף.בעוד מערכות אלה העבירו אותנו לירח וחוקרים רובוטיים מופקדים על פני מערכת השמש, הם בסופו של דבר מתאימים באופן בסיסי למהירויות העמוקות העומדות בפני מאדים, לעתים קרובות, צורך באנרגיה מתקדמת יותר, או בדלקים חדשים, ולכן הם זקוקים לקרינה מהירה יותר, בדרך כלל, או לקרינה מהירה יותר, או לקרינה סולרית, או לכדי כוח, או לכדי כוח עצום, או לכדי כוח עצום, או יותר, בדרך כלל, ונדרשת, כדי לפתוח יותר, כדי להגיע לקרינה מתקדמת יותר, כדי להגיע לקרינה מהירה יותר, על פני השמש – לעתים קרובות יותר, כדי להגיע לקרינה מתקדמת יותר, או לקרינה מתקדמת יותר, או לקרינה מתקדמת יותר, על פני השמש, על פני השמש – יש צורך באופן משמעותי, על פני השמש – לעתים קרובות, על פני השמש, כלומר, כלומר, על פני השטח של מטוסים מסוכנים, על פני השמש, על פני השמש, לעתים קרובות, כלומר, על פני השמש, כלומר, כלומר, על פני השמש, כלומר, על פני השמש, לעתים קרובות, יש צורך באופן טבעי, כדי למנוע יותר,

שני המועמדים המבטיחים ביותר הם FLT:0 פיזור הנטומנטלציה של 1 (FLT:2antimatter PropulsionFLT 3: שניהם מציעים שיפורים של שליטה על טילים כימיים במונחים של דחף ספציפי (מדד יעילות הדלק) ומשימות אנרגיה.N עדיין תפעוליות, אך עשרות שנים של מחקר עברו מדע בדיוני למושגים סבירים, כיצד ניתן להמשיך לחקור את האתגרים הנוכחיים של טכנולוגיה זו, כיצד ניתן להמשיך אתגרי מחקר זה, אך כיום, אך גם כן, כיצד ניתן להמשיך את האתגרים הנוכחיים, כיצד ניתן עדיין לבצע את המחקר, אך ורק את העבודה, אך גם כן, אך גם כן, אך ורק את המשימות הקיימות, אך ורק את המחקר, כיצד ניתן היה יכול היה יכול היה יכול היה יכול היה לבחון את האתגרים הנוכחיים, אך ורק את המחקר, אך ורק אתגרי הטכנולוגיה, כיצד ניתן עדיין תפעוליים, אך גם כן, אך עשרות שנים.

פיוז'ן: הכוח של העתיד

פיוז'ן מונע לרתום את אותה התגובה הגרעינית שמעצימה את השמש: ההיתוך של גרעינים קלים לתוך אלה כבדים יותר, שחרור כמויות עצומות של אנרגיה.במנוע היתוך, פלזמה של איזוטופים מימן - בדרך כלל deuterium וטריטימטום, או דהוריום ו-Helium-3 - מחומם למיליונים עד שהניטריטיסים שלהם אלקטרוסטטיים, וממזגים את הגרעין הניאקנטי יכול להיות סחף אנרגיה.

היתרון המרכזי של רקטות כימיות הוא FLT:0 דחיסות האנרגיה של דחיסות FLT:1; מסה שווה של דלק היתוך מכיל בערך 10 מיליון פעמים האנרגיה הכימית של דחף טילים קונבנציונלי.זה מתורגם לדחפים מסוימים פוטנציאליים בטווח של 10,000 עד 100,000 שניות - בהשוואה ל -450 שניות עבור המנועים הכימיים הטובים ביותר ו -900 שניות למשימות חלליות גרעיניות, כלומר זמנים קצרים יותר ונוסעים נמוכים יותר.

כיצד פועל פיוז'ן

מנועי פיוז'ן מחולקים באופן קונספטואלי לשתי גישות עיקריות: אלה המגבילים את פלזמה המרשימה באופן מגנטי ואלה המשתמשים במגבלות לא רצויות.

(FLT:0 Magnetic Limitment fusion (MCFura): 1 סטלארטורים ו- tokamaks משתמשים בשדות מגנטיים חזקים כדי להכיל פלזמה חמה מספיק זמן עבור תגובות היתוך להתרחש.עבור הנטומנטציה, האתגר הוא לאפשר הפעלה רציפה או דומפט עם החילוץ דחף ישיר - או על ידי venting את מוצרי ההיתוך באמצעות nozzle מגנטי או באמצעות אנרגיה כדי למנוע היתוך נפרד.
(ה) היתוך:0 (ICFalph): 1 אגן קטן של דלק היתוך הם דחוסים ומחוממים על ידי לייזרים או חלקיקים כדי לגרום למיקרו-תוצאות.הפלזמה המתקבלת מכוונת על ידי נופי מגנטי לייצר דחף.

מושגים מתקדמים כוללים גם את תצורה של רזולוציה מגנטית:0 (FLT:0) תצורה של תצורה של תצורה של שדה-התצורות (FRC), ו-FLT:2Z-pinchofLT 3.The Z-pinch משתמש זרם חשמלי אינטנסיבי העובר דרך עמודה פלזמה, אשר צובט עצמו עד לתנאי היתוך - מושג אשר צבר תשומת לב מחודשת הודות לניסויים קומפקטיים, גבוהים.

מחקר ופרויקטים

מחקר ההנעה של פיוז'ן נמשך בנאס"א, מחלקת האנרגיה של ארה"ב וחברות פרטיות.

(FLT:0) מעבדת הפיזיקה של הנסיכהטון פלאסמה (PPPL)אנדרט (PPPPL) 1:1 וספין-offFLT שלה:2 Princeton Fusion SystemsFLT:3 מפתחים רקטת היתוך קומפקטית המבוססת על התצורה המוגברת של השדה.ה-ה-ה-Sli Fusion Drive (DFD) שואפת ל- 1-10MW של כוח היתוך עם דחף ספציפי של - 10,000 שניות - למשך פרק זמן קצר עד ליום.
פרויקט קומפקטית של מרטין (CFR)FLT:1, אם כי מושעה בשנים האחרונות, הציע מערכת היתוך בקנה מידה קטן עם הגבלת פלזמה גבוהה שניתן להשתמש בו עבור כוח ארצי וחילונית כוח חלל. כור במשקל טיסה יהיה שינוי משחק, אבל hurdles טכניים להישאר.
(FLT:0) NASAA's Pulsed Fission-Fusion (PuFF) LT:1, שפותח במרכז טיסה החלל מרשל, משתמש בגישה היברידית של היתוך כדי להשיג דחף גבוה ספציפי על ידי דחיסת דלק היתוך עם פיצוצים של סדקים.
(FLT:0) אוניברסיטת Fusion-Driven RocketFLT 1:1 - עיצוב Z-pinch - יצר כותרות בשנת 2013 כאשר הוא הראה אבטיפוס עבודה המסוגל להשיג ייצור נויטרונים באמצעות היתוך, אם כי בעבודה נמוכה.עקב אחר-און התמקדה בסקאלה את הרעיון לרמות הנעה.

בעוד ששום טיל היתוך לא טס, ההתקדמות היציבה במחקר אנרגיה של היתוך - כולל פריצת הדרך האחרונה ב-National Ignition Facility Facility Facility (NIF) להשגת רווח באנרגיה נטו בניסוי של היתוך - מספק בסיס חזק לאופטימיות.

יתרונות ואתגרים של פיוז'ן

(ב) ויקרא י"ד:

דחף ספציפי מאוד (10,000 עד 100,000 שניות) מאפשר מעבר בין כוכבי לכת מהיר.
יחס גבוה לחמאס לעומת כורי פשידות.
דלק אבונדנטי: ניתן להוציא את הדהריום ממי הים; הליום 3 ניתן לשקוע משטח הירח או מענקי גז.
סיכון קרינה מופחת בהשוואה לנפיחות (ללא פסולת רדיואקטיבית ארוכת ימים; רוב מוצרי ההיתוך הם קצרי זמן או ניהולי).

(ב) ויקרא י"ד:

ביצוע תגובה של היתוך מבוקרת בגורם צורה קומפקטי וקל משקל הוא קשה במיוחד.
ניהול חום: מנוע היתוך מייצר חום אינטנסיבי כי יש לנקות אותו בחלל. רדיטור מסה יכול לשלוט במערכת הכוללת.
עיצוב nozzle מגנטי: המרת פלזמה עתירה גבוהה ביעילות לתוך דחף ללא היתוך ה nozzle היא בעיה הנדסית לא פתורה.
נזק Neutron מ deuterium-tritium היתוך חומרים לאורך זמן; השימוש בדלקים מתקדמים (למשל, deuterium-hlium 3) מקטין נויטרוונים אך דורש טמפרטורות גבוהות יותר להצית.

למרות המכשולים האלה, מחקרים עצמאיים רבים של נאס"א והצוות של ESA מתקדמים מציעים כי חללית בעלת כוח אוויר:0fusion-powered ניתן לבנות בתוך 20-30 שנה,3FLT:1 עם השקעה מתמשכת של כמה מיליארד דולר - חלק קטן ממה שהושקע על ידי כוח ההיתוך יבשתי.

המונחים: the Ultimate Energy Source

אם היתוך מייצג קפיצת ענק קדימה, מניעת חומרים היא קפיצה קוונטית.כאשר חלקיק של חומר פוגש את האנטי-חומר שלה - מקביל אלקטרון ו positron, או פרוטון ואנטיפרוטון - הם להשמיד לחלוטין, להמיר את כל המסה שלהם לאנרגיה באמצעות E=mc2. זה הוא FLT:0 תהליך אנרגיה יעיל ביותר המרה ביקום הידוע LT1, 000 גרם של אנרגיה אחת של 010 טון של חומר כימי של 010 טון של 10 טון של אנרגיה.

בתיאוריה, טיל אנטי-חומר יכול להשיג דחפים ספציפיים מעל מיליון שניות.זה יכול להאיץ חללית למהירויות סובייקטיביות (שבריר משמעותית של מהירות האור), לפתוח לא רק את מערכת השמש אלא הכוכבים הקרובים ביותר.

מדע האנטי-חומר Annihilation

[החומר] נוצר באופן טבעי בהתנגשות קרניים קוסמיות ובמאגר חלקיקים כמו הדאונדר הגדול של CERN. for Propulsion, התגובות המעשיות ביותר כרוכות FLT:0אנטיפרוטונים FLT:1 (המקבילה האנטי-חומר של פרוטונים) בהשמדתם עם פרוטונים רגילים במטרה מימן.

מושגים שונים של נטייה משתמשים באנטי-חומר בדרכים שונות:

(ב) מנוע האנטי-חומר: ⁇ 1 (האנטיפרוטונים) מוזרק לתוך תא תגובה המכיל זרם של מימן דחף גרעיני.ההההשמדה מחמם את הדחף למיליונים של מעלות, יצירת פלזמה שגורש באמצעות עקש מגנטי.
(FLT:0) Antimatter-catalyzed fusionture:FLT 1 1 כמות זעירה של אנטיפרוטונים (על סדר מיקרוגרם) משמש כדי לעורר ולהאיץ את תגובות ההיתוך. גישה היברידית זו מפחיתה את כמויות עצומות של אנטיחומר אחר צורך, מה שהופך אותו יותר אפשרי בטווח הקרוב.
(FLT:0) מנועים מונעים על ידי חשמלית: FLT:1 פוסיטיס (אנטיאלקטרוניקה) להשמיד עם אלקטרונים לייצר קרני גמא, בעוד פחות יעיל מאשר כריתת אנטיפרוטון (כי קרני גמא קשה לכוון), psitron הם קלים יותר לייצר ויכולים להיות מאוחסנים יותר בבטחה.

ייצור ואתגרי אחסון

המכשול הגדול ביותר למניעה נגד חומרים הוא FLT:0 הפקה ונפח של 1Felo: [החומרים הנוכחיים] מייצרים אנטיפרוטונים בקצב של כ-1 ננוגרם בשנה – ובמחיר של מעל 100 מיליארד דולר לגרם.

(ה) אין אפשרות ליצור קשר עם חומר רגיל.יש לכלול אותו במלכודת פן מגנטית (FLT:0) ⁇ FLT:1 או FLT:2 Diamond ⁇ sFLT 3: 3 כי levitate Charge Antiparticles בטמפרטורות Cryogenic.

חששות בטיחות הם משמעותיים.כישלון של צריכת החשמל במהלך ההשקה ישחרר אנרגיה שווה לפיצוץ גרעיני – אם כי כמויות קטנות של אנטי-חומר מעורב (מילרמות) יניבו תשואה דומה לפיצוץ כימי קונבנציונלי, לא פצצה גרעינית.

סטטוס מחקר וסיכויים עתידיים

מחקר הנטומנטציה של אנטי-חומר הוא תיאורטי במידה רבה המכון של נאס"א למושגים מתקדמים (NIAC) מימן מספר מחקרים, כולל מאמר 2012 על FLT:0antimatter-catalyzed היתוך עבור נסיעות עמוק-מרחבי (FLT:2 Antimatter Research GroupFLT:3 באוניברסיטת קליפורניה, Riverside, עבד על נפיחות גבוהה של CLP-NCRIRED) אך עדיין קיים מודל של ניהול חומרים אנטי-NCR.

מחקר ESA משנת 2019 בחן את האפשרות של aFLT:0 (המשימה הבין-כוכבית המונעת על ידי ESA) , וקבע כי עם 100 מיליגרם של positron - מאוחסנים במלכודת רב-טון - חללית יכולה להגיע 10% של מהירות האור בתוך 50 שנים.

בעוד מושגים אלה נשארים רחוק מהמציאות ההנדסית, הם נלקחים ברצינות על ידי מדענים מונעים כי הפיזיקה היא קול.צוואר הבקבוק הוא רק אחד ייצור והכילה - בעיות הנדסיות, בעיקרון, ניתן לפתור עם מספיק השקעה.

ניתוח השוואתי: Fusion vs. Antimatter

ביצועים Metrics

The two technologies occupy different spots on the performance spectrum:

Metric	Chemical	Nuclear Thermal	Fusion	Antimatter
Specific impulse (s)	~450	~900	10,000–100,000	>1,000,000
Energy density (MJ/kg)	~10	~3,000	~300,000,000	9×10¹³
Thrust-to-weight	High	Moderate	Low–Moderate	Low (beam engine)
Development timeline	Operational	Tested 1960s	20–30 years	>50 years

פיוז'ן מציעה נתיב מציאותי קרוב למחצית הדרך למסעות בין כוכבי לכת מהירים.אנטיחומר, בעוד חזק בהרבה, דורש פריצות דרך בייצור ואחסון שלא יגיעו במשך עשרות שנים – אם אי פעם.עבור משימות למאדים ולכוכבי הלכת החיצוניים, היתוך הוא המטרה המעשית יותר.עבור משימות בין כוכביות ומשימות כוכבים בסופו של דבר, רק אנטי-חומר (או חלופות אקזוטיות כמו Warp) יכול לספק אנרגיה.

אחריות המשימה

(FLT:0)Mars (משימות אנושיות): היתוך 1 יכול לקצץ זמן נסיעה מ 6-9 חודשים עד 30-90 ימים, צמצום החשיפה לקרינה וזן פסיכולוגי של צוות.אנטימחומר הוא overkill for Mars, אבל מנוע קטן נגד חומרים אנטי-חומריים-קטליוז יכול להיות מפותח ראשון כאבן מדרגות.
(FLT:0)Jupiter ו- Saturn (מאחזים מאוישים ומצוותים): פשטות 1 היתוך פרושה מאפשרת העברות ישירות, מהירות לפלנטה החיצונית, מה שהופך משימות מבוכות המופעלות על ידי גרעיני לאירופה או טיטאן, עלול לשלוח בדיקות ל-Heliopause בחודשים האחרונים.
(FLT:0 מברקים בין-כוכביים: FLT:1) A 100 ק"ג בדיקה מואצת ל-0c על ידי אנטי-חומר יכול להגיע לענן האוורט (Oort Cloud) ב- 50 שנים ו-Alpha Centauri ב- 45 שנים.

הדרך Ahead: Need Breakthrough

לא היתוך ולא מניעת חומרים נוגדים לא יתרחשו ללא מחקר מתמשך וממוקד.הצרכים הדחופים ביותר הם:

(FLT:0) עבור היתוך:FLT:1 עיצוב כור במשקל טיסה שיכול לקיים ignition בחבילה קומפקטית.התקדמות במוליכים סופר-מסלולים בטמפרטורה גבוהה (עבור מגנטים), ייצור תוספים (עבור עיצובים מדויקים של דלק), וחומרים (עבור רכיבים מבוססי פלזמה) הם קריטיים.
(FLT:0) עבור אנטי-חומר: 1FLT 1 A 1,000-fold-fold עלייה בשיעור הייצור, באופן אידיאלי באמצעות מאיץ ייעודי או מערכת איסוף ממקורות המבוססים על חלל (למשל, לכודים נגד חומר בחגורת הקרינה של כדור הארץ).
(FLT:0) עבור שניהם: ⁇ FLT:1 השקעה בינלאומית משמעותית מימון נוכחי למניעה מתקדמת הוא חלק זעיר מתקציב החלל העולמי - אולי 100-200 מיליון דולר בשנה על פני כל המושגים.תוכנית ממוקדת על היתוך בלבד תדרוש כמה מיליארד דולר מעל שני עשורים.

ישנם גם סוגיות מדיניות ובטיחות. מתקני ייצור אנטי-חומר ייווצרו כמויות גדולות של חלקיקים משניים, הדורשים הגנה זהירה.הפעלת אנטי-חומר למסלולם תדרוש סטנדרטים של הסתה קפדנית.טיפולים השולטים בחומרים גרעיניים בחלל (למשל, מגבלות הסכם החלל החיצון על כלי נשק וניסויים מסוכנים) עשויים להיות חייבים להיות מחזרים.

מסקנה: עתיד המופעל על ידי הכוכבים

פיוז'ן ומניעה נגד חומרים מייצגים את שתי האפשרויות בעלות האנרגיה הגבוהה ביותר באופק לחלליות.פיוז'ן היא הדרך הקרובה והסבירה יותר להנדסת מכונות – כזו שיכולה לחולל מהפכה במסעות בין כוכבי לכת בתוך חיינו.אנטיחומר הוא הפרס האולטימטיבי, המפתח להגיע לכוכבים, אך היא דורשת קפיצות טכנולוגיות שעשויות לקחת דורות כדי להשיג.

(ב) מה שגורם כימי לא יעביר אותנו למאדים במהירות או בשלום, ובוודאי לא ייקח אותנו למערכת השמש החיצונית או מעבר לכך, ההחלטה להשקיע בהנעה מתקדמת אינה מותרת; זה הכרחי אם האנושות תתכוון להפוך לציוויליזציה חללית או משוחררת, בעשור הבא של מחקר - במעבדות כמו MarsFLT:0-Princetonma PhysicsFalure, 1Fread: 1Fer 5) 5DNY, 5DNYNYYYYYYY LT 5A:

המדע נשמע, הפיזיקה ברורה, מה שנשאר הוא הרצון לבנות את העתיד.