През следващите 20 години се очаква термоядреният ракетен двигател DFD да направи небивал пробив в космонавтиката
За да може непосредствено да се пътува в космоса благодарение на импулсни маневри, ракетата би трябвало да набере задоволително скорост, с цел да се придвижи сред точките в Слънчевата система. На днешните свръхтежки химически ракети не им стига запаса от скорост, с изключение на за полет до Луната. Космическите кораби излизат в дълбокия космос не толкоз благодарение на тягата си, а благодарение на голям брой гравитационни маневри. Така да вземем за пример галактическият уред „ Касини “ се форсира по време на полета си към Сатурн благодарение на четири гравитационни катапулта и се забави, употребявайки гравитацията на луната Йо – както е показано в първото изображение. Полетът лиши 7 години, само че такива скорости и периоди не са подобаващи за човешката агресия в космоса.
Ситуацията може да бъде поправена посредством смяна на физическия принцип на реактивното задвижване. И най-обещаващият от тях е термоядреният мотор с магнитно удържане на плазмата – (Direct Fusion Drive – DFD). Изненадващо, моторът, за който се приказва в научнофантастичните галактически беседи, има работещ първообраз 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 основават поле, в което заредените частици се движат от десния до левия край и назад в границите на избрана зона. По принцип това към този момент е задоволително, с цел да се сътвори термоядрен ракетен мотор.
Частиците като че ли се отразяват от намотките, заради което тези индуктивности се назовават магнитни огледала.
Магнитната бутилка
Електромагнитното поле оказва мощно влияние върху частиците на повърхността на въображаемата фигура и не толкоз мощно в нейната сърцевина, тъй че частиците се стремят да заемат позиция в центъра. Подобно поле се назовава магнитна бутилка или магнитен капан, тъй като има „ плътни “ стени и „ свободна “ сърцевина, където частиците могат да се “ насипят “. С увеличението на силата на полето се покачва и температурата на частиците, което би трябвало да докара до реакция на нуклеарен синтез като на Слънцето. След това се стартира да се отделя повече топлота. Силно нагорещените частици се стремят да преобразуват топлинната си сила в кинетична и да отлетят, само че напускането на бутилката не е елементарно – би трябвало да се преодолее бариерата на магнитното огледало. Оказва се, че единствено високоенергийните частици ще могат да образуват реактивна бликам, до момента в който останалите ще се движат в бутилката, до момента в който също се нагреят.
Принстънската настройка на магнитното поле
Подобен принцип на работа може да се види във всеки термоядрен реактор, само че прототипът PFRC-2 (The Princeton Field-Reversed Configurationan) в Лабораторията по физика на плазмата в Принстън има основна разлика. Плазмата в центъра на бутилката е обгърната в пръстен, който самичък по себе си работи като намотка с протичащ в нея ток. Полето вътре в тази намотка е в посока, противоположна на тази във всички останали зони на бутилката.
Пръстенът от плазма се трансформира във въртоп от частици, който е най-трудно да бъде изоставен. В резултат на това мястото в центъра на бутилката може да бъде доста горещо – десетки или стотици милиони градуси по Целзий – до момента в който газът към него е доста по-хладен. Работата с подобен реактор е много лесна, тъй като вероятността плазмата да се раздвижи, да допре металните стени на реактора, да угасне и да разтопи цялата структура е по-малка, в сравнение с при другите реактори.
Магнитната дюза
Да предположим, че наред запалителен едно слънце вътре в ракета, само че реактивната бликам с температура от милиони градуси ще унищожи останалата част от мотора на изхода. При химическите мотори формата на струята се задава от дюзата, която също мощно се нагрява и би трябвало да се охлажда. За да не се бори с прегряването на външната част на мотора, дюзата на DFD съставлява магнитно поле. Това е една голяма намотка, която образува потока от частици, който не допира металните елементи на ракетата.
Термоядреният ракетен мотор
Във вътрешността на ракетата ще се употребяват спомагателни намотки към реактора, с цел да може сигурно да се пресече вероятността плазмата да излезе отвън надзор.
Горивото
Реакцията, която генерира 90% от силата на Слънцето е протон-протонният цикъл. Да напомним, че водородът е формиран от един протон и един електрон. За синтеза на едно ядро на хелия са нужни 4 протона, а електроните се движат настрана от протоните и тяхното присъединяване в тази реакция е доста малко евентуално и на процедура незначително. Но този развой не може да се възпроизведе на Земята. Единственият метод това да стане е квантовото тунелиране на един протон в различен – развой с незначително дребна възможност. Слънцето има 10 на 57-ма степен частици и там този развой протича без проблеми. Всичко това значи, че най-малко към този момент не можем да използваме елементарния водород за гориво. Нещо повече, на нас ние належащо по време на термоядрения синтез да се отделят не кванти светлина или доста леките неутрино без заряд, а частици, които могат да бъдат уловени в магнитния капан.
Ето за какво уместно гориво е деутерият (един протон и един неутрон в ядрото), тритият (един протон и два неутрона, само че най-хубавото гориво е хелий-3 (два протона и един неутрон, като могат да се употребяват и комбинации. Има разновидности и с литий-6 и бор-11. Тритият е радиоактивен и бързо се разпада, а хелий-3 и бор-11са редки и би трябвало да бъдат получени или да се реализира техния рандеман. Деутерият се образува по натурален път във водорода и неговото комбиниране с хелий-3, дребни количества от който има в атмосферата на Земята, се смята за най-перспективното гориво за DFD.
Ако се научим елементарно и относително на ниска цена да реализираме добива на хелий-3 на повърхността на Луната, то това би поставило завършек на всички въпроси по отношение на горивото за термоядрения ракетен мотор.
Има и други способи. Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech) работи върху сходен обект и показа най-общата информация за своето гориво за нуклеарен ракетен мотор. 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 дребни капсули резервират вътре в себе си страничните радиоактивни артикули, само че дават опция за обособяване на всичката топлота от реакцията.
Проблемите и тяхното решение
Всички реактори за термоядрен синтез имат един главен проблем – коефициентът на задържане на плазмата. Колкото по-горещ е газът, толкоз по-активен и безреден е той. А с цел да могат протоните да преодолеят Кулоновата преграда между тях, са нужни високи скорости, а затова и високи температури. В момента най-хубавите реактори могат да задържат плазма с температура към 100 милиона градуса по Целзий за към 20 секунди. Това не е задоволително, с цел да бъде употребена в този ракетен мотор.
На 6-ти юни 2023 година основаната в Обединеното кралство компания Pulsar Fusion, разработчик на термоядрени ракетни мотори, подписа партньорство с Princeton Satellite Systems и Princeton Plasma Physics Laboratory за използване на машинно образование за решение на проблемите на DFD. Принстън разполага с първообраз на реактор, Pulsar Fusion има първообраз на мотор, а невронните мрежи са на всички места и вземат решение все по-голям брой задания, тъй че това съдействие наподобява многообещаващо и перспективно.
Преимуществата
DFD е по едно и също време ракетен мотор и мощен източник на електрическа сила, което е доста потребно при дългите галактически пътешествия. Той може да работи както в непрестанен режим, като електрическите мотори, по този начин и в импулсен режим, като химическите ракети. Специфичният подтик на сходна апаратура би трябвало да бъде от порядъка на 10 000 s, до момента в който характерният подтик на най-ефективните модерни химически ракетни мотори е към 450 s. Това значи, че с цел да се лети до други планети, няма да е належащо да се употребяват продължителни гравитационни маневри, а ще е допустимо да се лети непосредствено посредством ракетно задвижване. Осъществяването на сходна идея би направило плановете за колонизиране на Марс или пътешестване до Титан просто комплицирани, а не безумни.
Удобен интервал за полет до Сатурн ще се отвори през 2046 година и за тази дата е планувано основаването на работеща термоядрена ракета. Ако това се случи, индивидът ще реализира нечуван пробив в космонавтиката.
Според учените на НАСА, термоядрената двигателна сила теоретично може да бъде неведнъж по-мощта от тягата, която се образува при делението на урана, тъй като при реакцията на термоядрения синтез се отделя неведнъж повече сила. Но тази технология е в напълно ранен стадий на своето развиване и се сблъсква с редица проблеми, в това число основаването и удържането на плазмата, както и ефикасното превръщане на освобождаваната сила в ориентирана бликам газове. НАСА е на мнение, че до края на 2030-те години към момента няма да има работещ първообраз на галактически транспортен съд, който се задвижва от термоядрени ракетни мотори.
