Люди вже встигли побувати на Місяці, та й політ на навколоземну орбіту вже не здається чимось незвичайним. У космосі давно і міцно влаштувалася Міжнародна космічна станція. Проте, якщо ви задумаєтеся про розміри нашої Сонячної системи, не кажучи вже про весь Всесвіт, стане очевидно, що наші кроки в освоєнні міжпланетного та міжзоряного простору - просто пішки під стіл. Для того, щоб злітати на Марс і інші планети, які знаходяться поза досяжністю звичайних ракетних двигунів, NASA розробляє кілька додаткових реактивних двигунів, в тому числі і на енергії сонця.
В принципі, космічний корабель з силовою установкою на термоядерному синтезі повинен відтворити ті ж типи високотемпературних реакцій, які відбуваються в серці сонця. Величезна енергія цих реакцій виробляється двигуном і створює тягу. Використовуючи цей тип рухової установки, космічний корабель може дістатися до Марса всього за три місяці. Звичайним ракетам знадобиться щонайменше сім.
У цій статті ви дізнаєтеся, що таке синтез і що робить NASA для того, щоб кораблі з такими двигунами стали реальністю.
Що таке синтез?
Ми і наша планета багато в чому залежимо від мільйонів ядерних реакцій синтезу, які кожну секунду відбуваються всередині ядра Сонця. Без цих реакцій у нас би не було ні світла, ні тепла, і, найімовірніше, життя. Термоядерний синтез відбувається, коли два атома водню стикаються і створюють більший атом гелію-4, який випускає енергію в процесі цього.
Ось як відбувається ця реакція:
- Два протона в сукупності утворюють атом дейтерію, позитрон і нейтрино.
- Протон і атом дейтерію створюють атом гелію-3 (два протона і один нейтрон) і гамма-промінь.
- Два гелій-3 атома в сукупності утворюють атом гелію-4 (два протони і два нейтрони) і два протона.
Синтез може відбуватися тільки в умовах вкрай гарячої середовища, температура якої вимірюється мільйонами градусів. Зірки, що складаються з плазми, являють собою єдині природні об'єкти, досить гарячі для створення реакції термоядерного синтезу. Плазма, яку часто називають четвертим станом речовини, являє собою іонізований газ, що складається з атомів, позбавлених деякої частини електронів. Реакція синтезу відповідає за створення 85% енергії Сонця.
Високий рівень тепла, необхідний для створення цього типу плазми, призводить до того, що її не можна укласти в контейнер з будь-якого, відомого нам речовини. Проте, плазма добре проводить електрику, що дозволяє утримувати, управляти і прискорювати її за допомогою магнітного поля. Саме це лягло в основу космічного корабля з двигуном на основі синтезу, який NASA хоче побудувати протягом найближчих 25 років. Давайте розглянемо конкретні проекти двигунів на основі термоядерного синтезу.
Політ на енергії синтезу
Реакція термоядерного синтезу вивільняє величезну кількість енергії, саме тому дослідники всіляко намагаються пристосувати її до рухової системи. Корабель на енергії синтезу міг би серйозно вивести вперед NASA в гонці за Марс. Цей тип корабля може скоротити час перебування в дорозі на Марс більш ніж на 50%, тим самим зменшивши шкідливі впливи радіації і невагомості.
Будівництво космічного апарату, що летить на енергії термоядерного синтезу, буде еквівалентно розробці автомобіля на Землі, який може їхати в два рази швидше будь-якого іншого. У ракетобудуванні ефективність використання палива ракетним двигуном вимірюється його питомим імпульсом. Питома імпульс означає одиницю тяги на одиницю палива, споживаного в протягом часу.
Двигун на синтезі може володіти питомим імпульсом в 300 разів більшим, ніж звичайні хімічні двигуни. Звичайний хімічний ракетний двигун має імпульсом приблизно 1300 секунд, що означає наступне: двигун видає 1 кілограм тяги на 1 кілограм палива за 1300 секунд. Ракета на синтезі може володіти імпульсом в 500 000 секунд. Крім того, ракета на синтезі буде використовувати водень як паливо, а значить, зможе поповнюватися при проходженні через космічний простір. Водень присутній в атмосфері багатьох планет, так що все, що буде потрібно космічному апарату для заправки, це занурення в атмосферу і набір палива.
Ракети на синтезі можуть забезпечити більш тривалу тягу, на відміну від хімічних ракет, паливо яких швидко вигорає. Вважається, що рух на синтезі дозволить швидко дістатися в будь-яку точку Сонячної системи і за два роки здійснити поїздку на Юпітер і назад. Давайте розглянемо два поточних проекту NASA зі створення руху на синтезі.
Магнітоплазмове ракета зі змінним питомим імпульсом (VASIMR)
VASIMR є плазмову ракету, яка є попередником ракет на термоядерному синтезі. Але оскільки ракети на синтезі використовуватимуть плазму, дослідники багато дізнаються про цей тип ракети. Двигун VASIMR прекрасний тим, що створює плазму в екстремально гарячих умовах, а після виштовхує, створюючи тягу. Є три основних типи осередків в двигуні VASIMR.
- Передня осередок - пропеллент, зазвичай водень, вводиться в осередок і іонізується, щоб створити плазму.
- Центральна осередок - осередок діє як підсилювач для подальшого нагріву плазми електромагнітної енергією. Радіохвилями додають енергії плазмі, як в мікрохвильовій печі.
- Кормова осередок - магнітне сопло перетворює енергію плазми в струмінь вихлопних газів. Магнітне поле використовується для викиду плазми і захищає космічний корабель, щоб плазма не торкнулася оболонки. Плазма знищила б будь-який матеріал, з яким вступила б у контакт. Температура плазми в соплі становить 100 мільйонів градусів Цельсія. Це в 25 000 разів гаряче, ніж температура газу, який викидається з космічного шаттла.
Під час місії на Марс двигун VASIMR постійно б розганявся протягом першої половини подорожі, а після змінив би напрямок і сповільнювався б другу половину. Ракету на змінної плазмі можна також використовувати для позиціонування супутників на орбіті Землі.
Рух на термоядерному синтезі з динамічним газовим дзеркалом
Одночасно з VASIMR розробляється і система руху на синтезі з динамічним газовим дзеркалом (GDM). У цьому двигуні довгі тонкі мотки дроту зі струмом діють як магніт, оточуючи вакуумну камеру, яка містить плазму. Плазма знаходиться в пастці магнітного поля, створюваного центральною секцією системи. В кожному кінці двигуна знаходяться дзеркальні магніти, які перешкоджають занадто швидкому викиду плазми з двигуна. Зрозуміло, частина плазми повинна просочуватися і забезпечувати тягу.
Як правило, плазма нестійка і її складно утримати, тому перші машини з таким механізмом давалися дуже складно. Динамічне газове дзеркало дозволяє уникнути проблем нестійкості, тому що побудовано довгим і тонким, тому магнітні лінії шикуються по всій довжині системи. Нестабільність контролюється тим, що дозволяє певній кількості плазми протікати через вузьку частину дзеркала.
Хоча багато передових концепції двигунів NASA ще далекі від реалізації. основа для двигуна на енергії синтезу вже закладена. Коли стануть доступні інші технології, які зроблять подорож на Марс можливим, корабель з енергією синтезу буде дуже доречним. В середині 21 століття поїздки на Марс можуть стати такою ж рутиною, як і відправка їжі на МКС.
Як буде працювати двигун на термоядерному синтезі Ілля Хель
Радянські розробки. а що про них писати вони давно застаріли. У цій країні все зупинилося. ледве живе комерційний напрямок та МКС. Всі передові розробки зараз за кордоном розробляються і впроваджуються. а тут не все ракети вдається правильно зібрати. І взагалі як сказали правильно в одному інтерв'ю. космос давно не російський, а належить групі певних товаришів (які заробляють на ньому). Висновки про розвиток нашого космосу робіть самі.