Космический космический двигатель следующего поколения: технологии синтеза и антиматерии

Введение: Пределы химического движения

Достижение человечества в космосе было определено ограничениями химического движения. От Сатурна V до Falcon Heavy каждая запущенная ракета полагается на один и тот же основной принцип: сжигание топлива для генерации тяги. В то время как эти системы доставили нас на Луну и отправили на орбиту роботизированных исследователей по всей Солнечной системе, они принципиально плохо подходят для дальних космических путешествий, которые лежат впереди. Миссия на Марс с химическим движением занимает месяцы, подвергает экипажи опасному излучению и требует огромных масс топлива - часто 80% или более от общего веса транспортного средства при запуске. Чтобы действительно открыть Солнечную систему - и в конечном итоге достичь звезд - нам нужно новое поколение двигательных технологий с значительно более высокой эффективностью и плотностью мощности.

Два наиболее перспективных кандидата — это термоядерная тяга и движитель антиматерии . Оба предлагают порядковые улучшения по сравнению с химическими ракетами с точки зрения конкретного импульса (мера топливной эффективности) и плотности энергии. Ни один из них еще не работает, но десятилетия исследований переместили их из научной фантастики в правдоподобные инженерные концепции. В этой статье исследуется, как работает каждая технология, состояние текущих исследований, проблемы, которые остаются, и миссии, которые они могли бы позволить.

Fusion Propulsion: Powering the Future (альбом)

Сплавная тяга использует ту же ядерную реакцию, которая питает Солнце: слияние легких атомных ядер в более тяжелые, высвобождая огромное количество энергии. В термоядерном двигателе плазма изотопов водорода — обычно дейтерия и трития или дейтерия и гелия-3 — нагревается до миллионов градусов, пока ядра не преодолеют свое электростатическое отталкивание и не сольются. Получающееся ядро гелия и нейтрон уносят кинетическую энергию, которая может быть направлена на получение тяги.

Ключевым преимуществом перед химическими ракетами является плотность энергии : равная масса термоядерного топлива содержит примерно в 10 миллионов раз больше химической энергии обычного ракетного топлива. Это приводит к потенциальным специфическим импульсам в диапазоне от 10 000 до 100 000 секунд — по сравнению с ~ 450 секундами для лучших химических двигателей и ~ 900 секундами для ядерных тепловых ракет. Для миссий в глубоком космосе это означает значительно более короткое время перемещения и меньшую массу запуска.

Как работает движитель сплава

Сплавные двигатели концептуально разделены на два основных подхода: те, которые ограничивают сплавляющуюся плазму магнитным путем, и те, которые используют инерционное удержание.

  • Магнитный удерживающий синтез (MCF): Стеллаторы и токамаки используют сильные магнитные поля для содержания горячей плазмы достаточно долго для возникновения реакций синтеза. Для движения задача состоит в том, чтобы обеспечить непрерывную или импульсную работу с прямой тягой извлечения — либо путем вентиляции продуктов синтеза через магнитное сопло или с помощью энергии синтеза для нагрева отдельного топлива.
  • Инерциальный удерживающий синтез (ICF): Малые гранулы термоядерного топлива сжимаются и нагреваются лазерами или пучками частиц, чтобы вызвать микровзрывы. Полученная плазма направляется магнитным соплом для получения тяги. Фьюжн-ракета на основе ICF по существу является контролируемой серией крошечных термоядерных взрывов, вырывающихся из задней части космического корабля.

Передовые концепции также включают в себя конфигурации магнитного зеркала , конфигурации с обратным полем (FRC) и Z-пинч . Z-пинч использует интенсивный электрический ток, проходящий через плазменную колонку, которая ущемляет себя до условий синтеза — концепция, которая получила новое внимание благодаря компактным высокопроизводительным экспериментам.

Текущие исследования и проекты

Исследования по движению топлива ведутся в НАСА, Министерстве энергетики США и частных компаниях.

  • Лаборатория физики плазмы Принстонского университета (PPPL) и ее побочный продукт Princeton Fusion Systems разрабатывают компактную термоядерную ракету на основе конфигурации, обращенной вспять. Концепция Direct Fusion Drive (DFD) направлена на ~1-10 МВт мощности термоядерного синтеза с конкретным импульсом ~10 000 секунд — достаточно для 30-дневного круглого полета на Марс.
  • Проект компактного термоядерного реактора (CFR) Lockheed Martin, хотя и застопорился в последние годы, предложил небольшую термоядерную систему с высокобета-плазменным удерживанием, которая может использоваться как для наземной энергии, так и для космических двигателей.
  • Концепция НАСА Pulsed Fission-Fusion (PuFF), разработанная в Центре космических полетов Маршалла, использует гибридный подход к расщеплению для достижения высокой тяги и высокого удельного импульса путем сжатия термоядерного топлива взрывами деления.
  • Ракета с синтезом, разработанная Вашингтонским университетом , — Z-pinch дизайн — получила заголовки в 2013 году, когда она продемонстрировала рабочий прототип, способный достигать производства нейтронов с помощью синтеза, хотя и с низкой мощностью.

Хотя ни одна термоядерная ракета не летала, устойчивый прогресс в исследованиях термоядерной энергии, включая недавний прорыв в Национальном объекте зажигания (NIF), обеспечивающий чистый прирост энергии в эксперименте по термоядерному синтезу, обеспечивает прочную основу для оптимизма.

Преимущества и проблемы слиянийного движения

Преимущества:

  • Очень высокий удельный импульс (от 10 000 до 100 000 секунд) обеспечивает быстрый межпланетный транзит.
  • Высокое соотношение мощности к массе по сравнению с реакторами деления.
  • Обильное топливо: дейтерий может быть извлечен из морской воды; гелий-3 может быть добыт с лунной поверхности или газовых гигантов.
  • Снижение радиационной опасности по сравнению с делением (отсутствие долгоживущих радиоактивных отходов; большинство побочных продуктов синтеза являются недолговечными или управляемыми).

Проблемы:

  • Поддержание управляемой реакции синтеза в компактном, легком форм-факторе чрезвычайно сложно. Текущие эксперименты по синтезу имеют строительный размер, а не размер космического корабля.
  • Управление теплом: термоядерный двигатель генерирует интенсивное тепло, которое должно излучаться в космосе. Масса радиатора может доминировать в общей системе.
  • Конструкция магнитного сопла: эффективное преобразование высокотемпературной плазмы в тягу без плавления сопла является нерешенной инженерной проблемой.
  • Повреждение нейтронов при синтезе дейтерия-трития со временем разрушает материалы; использование передовых видов топлива (например, дейтерия-гелия-3) уменьшает нейтроны, но требует более высоких температур для воспламенения.

Несмотря на эти препятствия, многочисленные независимые исследования НАСА и ESA-Advanced Concepts Team предполагают, что космический корабль с термоядерным двигателем может быть построен в течение 20-30 лет с устойчивыми инвестициями в несколько миллиардов долларов — небольшая часть того, что было потрачено на термоядерную энергию, связанную с Землей.

Движение антивещества: конечный источник энергии

Если слияние представляет собой гигантский скачок вперед, то движение антиматерии является квантовым скачком. Когда частица материи встречает своего антиматерию-собрата — электрон и позитрон, или протон и антипротон — они полностью аннигилируют, преобразуя всю свою массу покоя в энергию через E=mc2. Это самый эффективный процесс преобразования энергии в известной Вселенной ; один грамм антиматерии, реагирующей с граммом материи, высвобождает около 9×1013 джоулей — эквивалент энергии 21 килотонны ТНТ, или химическая энергия 100 000 метрических тонн ракетного топлива.

Теоретически, ракета-антивещество может достигать определенных импульсов, значительно превышающих 1 миллион секунд. Она может разогнать космический корабль до релятивистских скоростей (значительная доля скорости света), открывая не только Солнечную систему, но и ближайшие звезды.

Наука об уничтожении антивещества

Антиматерия естественным образом создается при столкновениях космических лучей и внутри ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа. Для движения наиболее практичными реакциями являются антипротоны (антиматерия протонов) аннигилирующие с обычными протонами в водородной мишени. Аннигиляция дает ливень пионов, мюонов, гамма-лучей и других высокоэнергетических частиц. В ракетном двигателе эти частицы направляются магнитным соплом для получения тяги.

Различные концепции движения используют антиматерию по-разному:

  • Бинарный двигатель антивещества: Антипротоны вводятся в реакционную камеру, содержащую поток водородного топлива.Аннигиляция нагревает топливо до миллионов градусов, создавая плазму, которая выталкивается через магнитное сопло. Эта концепция достигает умеренной тяги с чрезвычайно высокой Isp.
  • Антиматтер-катализаторный синтез: Для запуска и ускорения реакций синтеза используется небольшое количество антипротонов (порядка микрограммов). Этот гибридный подход уменьшает огромное количество антивещества, в противном случае необходимое, что делает его более осуществимым в ближайшей перспективе.
  • Позитронные двигатели: Позитроны (антиэлектроны) аннигилируют с электронами для получения гамма-лучей. Хотя они менее эффективны, чем антипротонное аннигиляции (потому что гамма-лучи трудно направлять), позитроны легче производить и могут храниться более безопасно.

Проблемы производства и хранения

Единственным самым большим препятствием для движения антиматерии является стоимость производства и объем. Текущие ускорители частиц производят антипротоны со скоростью около 1 нанограмма в год — и со стоимостью, превышающей 100 миллиардов долларов за грамм. Для питания скромной межпланетной миссии потребуются килограммы антиматерии. Даже миссия на уровне миллиграмма потребует улучшения производства на несколько порядков.

Хранение столь же пугающе. Антивещество не может контактировать с нормальной материей. Оно должно содержаться в магнитных ловушках для пеннинга или радиочастотных ловушках , которые левитируют заряженные античастицы при криогенных температурах. Сами ловушки массивны, энергоемки и склонны к сбоям. Передовые концепции предлагают хранение замороженных антиводородных гранул в магнитных бутылках, но такая система не была продемонстрирована вне лабораторных условий.

Проблемы безопасности значительны. Неудача сдерживания при запуске приведет к выбросу энергии, эквивалентной ядерному взрыву, хотя небольшие количества антиматерии (миллиграммы) будут давать выходы, аналогичные обычному химическому взрыву, а не ядерной бомбе. Тем не менее, общественное восприятие и нормативные препятствия огромны.

Статус исследований и перспективы на будущее

Исследования движения антивещества в значительной степени теоретически. Институт перспективных концепций НАСА (NIAC) профинансировал несколько исследований, в том числе статью 2012 года о синтезе, катализируемом антивеществом для путешествий в глубоком космосе. Исследовательская группа Antimatter в Калифорнийском университете, Риверсайд, работала над хранением позитронов высокой плотности. CERN продолжает производить антивещество для фундаментальной физики (эксперимент ALPHA), но не существует специализированного производственного объекта, ориентированного на движение.

В исследовании ЕКА 2019 года рассматривалась возможность межзвездной миссии-предшественника, управляемой позитронами , придя к выводу, что с 100 миллиграммами позитронов, хранящихся в многотонной ловушке, космический корабль может достичь 10% скорости света в течение 50 лет. Это далеко за пределами любой другой предлагаемой двигательной системы. Более недавнее исследование НАСА изучало использование антиматерии для ускорения 100-килограммового зонда до Альфа Центавра через 40 лет, требуя около 1 грамма антипротонов и системы лучевого излучения для восстановления гамма-лучей.

Хотя эти концепции остаются далекими от инженерной реальности, они серьезно воспринимаются учеными-двигателями, потому что физика здорова. Узкое место - это чисто производственные и сдерживающие - инженерные проблемы, которые, в принципе, могут быть решены с достаточными инвестициями.

Сравнительный анализ: Fusion vs. Antimatter

Метрики производительности

The two technologies occupy different spots on the performance spectrum:

MetricChemicalNuclear ThermalFusionAntimatter
Specific impulse (s)~450~90010,000–100,000>1,000,000
Energy density (MJ/kg)~10~3,000~300,000,0009×1013
Thrust-to-weightHighModerateLow–ModerateLow (beam engine)
Development timelineOperationalTested 1960s20–30 years>50 years

Слияние предлагает реалистичный путь к быстрому межпланетному путешествию. Антиматерия, хотя и значительно более мощная, требует прорывов в производстве и хранении, которые могут не прибыть в течение десятилетий — если вообще когда-либо. Для миссий на Марс и внешние планеты слияние является более практичной целью. Для межзвездных миссий-предшественников и возможного звездного полета только антиматерия (или экзотические альтернативы, такие как варп-двигатели) может обеспечить необходимую энергию.

Применимость миссии

  • Марс (человеческие миссии): Ракета-фьюжн может сократить время в пути с 6-9 месяцев до 30-90 дней, уменьшая радиационное воздействие и психологический стресс экипажа. Антиматерия является излишним для Марса, но небольшой двигатель с антиматерией-катализированным термоядерным синтезом может быть разработан сначала в качестве ступеньки.
  • Юпитер и Сатурн (роботизированные и с экипажем форпосты): Сплавная тяга обеспечивает прямую, быструю передачу на внешние планеты, что делает возможными миссии криоботов с ядерной установкой на Европу или Титан. Антиматерия может отправить зонды в гелиопаузу в течение нескольких месяцев.
  • Межзвездные предшественники: 100-килограммовый зонд, ускоренный до 0,1с антиматерией, может достичь облака Оорта через ~50 лет и Альфа Центавра через ~45 лет. Лазерные паруса с термоядерным двигателем являются альтернативными подходами, но антиматерия обеспечивает самую высокую плотность мощности.

Оригинальное название: The Road Ahead: Necessary Breakthroughs

Ни синтез, ни движение антиматерии не будут происходить без постоянных, целенаправленных исследований. Наиболее насущными потребностями являются:

  • Для термоядерного синтеза: Конструкция реактора с летным весом, способного выдержать воспламенение в компактной упаковке. Все достижения в высокотемпературных сверхпроводниках (для магнитов), аддитивном производстве (для точных конструкций топливных гранул) и материаловедении (для плазменных компонентов) имеют решающее значение.
  • Для антиматерии: Увеличение производительности в 1000-1,000,000 раз, в идеале с использованием специального ускорителя или системы сбора из космических источников (например, захваченной антиматерии в радиационных поясах Земли).
  • Для обоих: Для крупных международных инвестиций. Текущее финансирование перспективных двигателей составляет крошечную часть глобального космического бюджета — возможно, 100-200 миллионов долларов в год по всем концепциям. Для одной только программы термоядерного движения потребуется несколько миллиардов долларов в течение двух десятилетий.

Существуют также вопросы политики и безопасности. Производственные мощности по производству антивещества будут создавать большое количество вторичных частиц, требующих тщательного экранирования. Запуск антиматерии на орбиту потребует строгих стандартов сдерживания. Возможно, потребуется пересмотреть договоры, регулирующие ядерные материалы в космосе (например, ограничения Договора по космосу на оружие и опасные эксперименты).

Оригинальное название: A Future Powered by the Stars

Сплав и движение антиматерии представляют собой два варианта с самой высокой энергией на горизонте для космических аппаратов. Сплав - это более близкий, более инженерно-осуществимый путь - тот, который может революционизировать межпланетные путешествия в течение нашей жизни. Антиматерия - это конечный приз, ключ к достижению звезд, но он требует технологических скачков, которые могут занять поколения для достижения.

Несомненно, что химическое движение не доставит нас на Марс быстро или безопасно, и оно, конечно, не доставит нас во внешнюю Солнечную систему или за ее пределы. Решение инвестировать в передовую двигательную установку не является роскошью; это необходимость, если человечество намерено стать космической цивилизацией. Следующее десятилетие исследований — в лабораториях, таких как , , программа NIAC НАСА и CERN — определит, увидят ли дети, рожденные сегодня, когда-нибудь отправятся на Марс космический корабль с термоядерным двигателем, или же зонд, управляемый антиматерией, однажды отправит обратно изображения инопланетного мира от Альфа Центавра.

Наука здорова, физика ясна, а остается воля строить будущее.