През следващите 20 години се очаква термоядреният ракетен двигател DFD да направи небивал пробив в космонавтиката

За да може директно да се пътува в космоса с помощта на импулсни маневри, ракетата трябва да набере достатъчно скорост, за да се придвижи между точките в Слънчевата система. На днешните свръхтежки химически ракети не им стига резерва от скорост, освен за полет до Луната. Космическите кораби излизат в дълбокия космос не толкова с помощта на тягата си, а с помощта на множество гравитационни маневри. Така например космическият апарат „Касини“ се ускори по време на полета си към Сатурн с помощта на четири гравитационни катапулта и се забави, използвайки гравитацията на луната Йо – както е показано в първото изображение. Полетът отне 7 години, но такива скорости и срокове не са подходящи за човешката експанзия в космоса.

Ситуацията може да бъде коригирана чрез промяна на физическия принцип на реактивното задвижване. И най-обещаващият от тях е термоядреният двигател с магнитно удържане на плазмата – (Direct Fusion Drive – DFD). Изненадващо, двигателят, за който се говори в научнофантастичните космически беседи, има работещ прототип в лабораторията по физика на плазмата в Принстън, а ракетата е на един хвърлей разстояние. Нека се спрем малко по-подробно.

Физическият принцип

Магнитните огледала

Две индуктивности създават поле, в което заредените частици се движат от десния до левия край и обратно в рамките на определена зона. По принцип това вече е достатъчно, за да се създаде термоядрен ракетен двигател.

Частиците сякаш се отразяват от намотките, поради което тези индуктивности се наричат магнитни огледала.

Магнитната бутилка

Електромагнитното поле оказва силно въздействие върху частиците на повърхността на въображаемата фигура и не толкова силно в нейната вътрешност, така че частиците се стремят да заемат позиция в центъра. Подобно поле се нарича магнитна бутилка или магнитен капан, защото има „плътни“ стени и „свободна“ вътрешност, където частиците могат да се “ насипят“. С увеличаването на енергията на полето се повишава и температурата на частиците, което би трябвало да доведе до реакция на ядрен синтез като на Слънцето. След това се започва да се отделя повече топлина. Силно нагорещените частици се стремят да преобразуват топлинната си енергия в кинетична и да отлетят, но напускането на бутилката не е лесно – трябва да се преодолее бариерата на магнитното огледало. Оказва се, че само високоенергийните частици ще могат да образуват реактивна струя, докато останалите ще се движат в бутилката, докато също се нагреят.

Принстънската конфигурация на магнитното поле

Подобен принцип на работа може да се види във всеки термоядрен реактор, но прототипът PFRC-2 (The Princeton Field-Reversed Configurationan) в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън има съществена разлика. Плазмата в центъра на бутилката е обвита в пръстен, който сам по себе си действа като намотка с протичащ в нея ток. Полето вътре в тази намотка е в посока, обратна на тази във всички останали зони на бутилката.

Пръстенът от плазма се превръща във водовъртеж от частици, който е най-трудно да бъде напуснат. В резултат на това мястото в центъра на бутилката може да бъде много горещо – десетки или стотици милиони градуси по Целзий – докато газът около него е много по-хладен. Работата с такъв реактор е доста лесна, защото вероятността плазмата да се раздвижи, да докосне металните стени на реактора, да угасне и да разтопи цялата конструкция е по-малка, отколкото при другите реактори.

Магнитната дюза

Да предположим, че благополучно запалим едно слънце вътре в ракета, но реактивната струя с температура от милиони градуси ще унищожи останалата част от двигателя на изхода. При химическите двигатели формата на струята се задава от дюзата, която също силно се нагрява и трябва да се охлажда. За да не се бори с прегряването на външната част на двигателя, дюзата на DFD представлява магнитно поле. Това е една огромна намотка, която формира потока от частици, който не докосва металните части на ракетата.

Термоядреният ракетен двигател

Във вътрешността на ракетата ще се използват допълнителни намотки около реактора, за да може със сигурност да се пресече вероятността плазмата да излезе извън контрол.

Горивото

Реакцията, която генерира 90% от енергията на Слънцето е протон-протонният цикъл. Да напомним, че водородът е съставен от един протон и един електрон. За синтеза на едно ядро на хелия са необходими 4 протона, а електроните се движат отделно от протоните и тяхното участие в тази реакция е много малко вероятно и на практика нищожно. Но този процес не може да се възпроизведе на Земята. Единственият начин това да стане е квантовото тунелиране на един протон в друг – процес с нищожно малка вероятност. Слънцето има 10 на 57-ма степен частици и там този процес протича без проблеми. Всичко това означава, че поне засега не можем да използваме обикновения водород за гориво. Нещо повече, на нас ние необходимо по време на термоядрения синтез да се отделят не кванти светлина или много леките неутрино без заряд, а частици, които могат да бъдат уловени в магнитния капан.

Ето защо подходящо гориво е деутерият (един протон и един неутрон в ядрото), тритият (един протон и два неутрона, но най-доброто гориво е хелий-3 (два протона и един неутрон, като могат да се използват и комбинации. Има варианти и с литий-6 и бор-11. Тритият е радиоактивен и бързо се разпада, а хелий-3 и бор-11са редки и трябва да бъдат получени или да се осъществи техния добив. Деутерият се образува по естествен път във водорода и неговото съчетание с хелий-3, малки количества от който има в атмосферата на Земята, се счита за най-перспективното гориво за DFD.

Ако се научим лесно и сравнително евтино да осъществяваме добива на хелий-3 на повърхността на Луната, то това би сложило край на всички въпроси относно горивото за термоядрения ракетен двигател.

Има и други методи. Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech) работи върху подобен обект и сподели най-общата информация за своето гориво за ядрен ракетен двигател. Използва се уран, който е обогатен над 5% и под 20%. Това са микроскопични частици с керамично покритие, импрегрирани в матрица от циркониев карбид. Тези малки капсули запазват вътре в себе си страничните радиоактивни продукти, но дават възможност за отделяне на всичката топлина от реакцията.

Проблемите и тяхното решение

Всички реактори за термоядрен синтез имат един основен проблем – коефициентът на задържане на плазмата. Колкото по-горещ е газът, толкова по-активен и хаотичен е той. А за да могат протоните да преодолеят Кулоновата бариера помежду си, са необходими високи скорости, а следователно и високи температури. В момента най-добрите реактори могат да задържат плазма с температура около 100 милиона градуса по Целзий за около 20 секунди. Това не е достатъчно, за да бъде използвана в този ракетен двигател.

На 6-ти юни 2023 г. базираната в Обединеното кралство компания Pulsar Fusion, разработчик на термоядрени ракетни двигатели, сключи партньорство с Princeton Satellite Systems и Princeton Plasma Physics Laboratory за прилагане на машинно обучение за решаване на проблемите на DFD. Принстън разполага с прототип на реактор, Pulsar Fusion има прототип на двигател, а невронните мрежи са навсякъде и решават все по-голям брой задачи, така че това сътрудничество изглежда многообещаващо и перспективно.

Преимуществата

DFD е едновременно ракетен двигател и мощен източник на електрическа енергия, което е много полезно при дългите космически пътешествия. Той може да работи както в непрекъснат режим, като електрическите двигатели, така и в импулсен режим, като химическите ракети. Специфичният импулс на подобна инсталация би трябвало да бъде от порядъка на 10 000 s, докато специфичният импулс на най-ефективните съвременни химически ракетни двигатели е около 450 s. Това означава, че за да се лети до други планети, няма да е необходимо да се използват продължителни гравитационни маневри, а ще е възможно да се лети директно чрез ракетно задвижване. Осъществяването на подобна концепция би направило проектите за колонизиране на Марс или пътуване до Титан просто сложни, а не безумни.

Удобен период за полет до Сатурн ще се отвори през 2046 г. и за тази дата е планирано създаването на работеща термоядрена ракета. Ако това се случи, човекът ще осъществи небивал пробив в космонавтиката.

Според учените на НАСА, термоядрената тяга теоретично може да бъде многократно по-мощта от тягата, която се образува при делението на урана, понеже при реакцията на термоядрения синтез се отделя многократно повече енергия. Но тази технология е в съвсем ранен етап на своето развитие и се сблъсква с редица проблеми, включително създаването и удържането на плазмата, както и ефективното преобразуване на освобождаваната енергия в насочена струя газове. НАСА е на мнение, че до края на 2030-те години все още няма да има работещ прототип на космически кораб, който се задвижва от термоядрени ракетни двигатели.