Термоядерный ракетный двигатель отправит США в глубокий космос

Огромный аппарат под названием Decade Module Two (DM2) в течение 10 лет использовался Агентством по сокращению военной угрозы (DTRA) для исследований в области воздействия ядерных взрывов. В 2009 году военные исследования были закончены и DM2 передали Университету Алабамы.

Теперь специалисты из Университета Алабамы в Хантствилле, НАСА, Boeing используют бывшую военную установку для сборки устройства Charger-1 Pulsed Power Generator. Когда 50-тонный Charger-1 соберут, это будет одна из самых крупных и мощных импульсных энергетических систем в мире.

Гигантская зажигалка

Термоядерный синтез – это слияние атомных ядер, которое освобождает большое количество энергии. Американские ученые планируют использовать термоядерный синтез с участием атомов тяжелого водорода, дейтерия, и изотопов лития. Энергию, необходимую для сжатия атомов, т.е. зажигания термоядерной реакции, планируется высвобождать с помощью мощного импульсного устройства, которое по действию чем-то похоже на удар молнии.

Зажечь термоядерную реакцию в установке Charger-1 должен мощнейший электрический импульс, энергию для которого накапливают конденсаторы. В настоящее время идет монтаж проводов из лития-6 и дейтерида лития, проводящих импульс и превращающихся в плазму, которая будет сжиматься Z-пинч эффектом.

Работа Z-пинч эффекта

Пинч-эффект - это сжатие плазмы в результате взаимодействия тока разряда с магнитным полем. Если ток протекает вдоль оси цилиндрического плазменного столба, то его называют Z-пинчем. Z-пинч можно наблюдать, например, при ударе молнии в трубчатый громоотвод. Данный эффект используется для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах, и в НАСА на него возлагают большие надежды.

Разряд установки Charger-1 может производить плазму, которая сжимается собственным магнитным полем и при размере в палец может заключать в себе 20% от всей энергии, которую потребляет человечество в текущий момент времени. Разумеется, главная цель разработчиков термоядерного ракетного двигателя – получить на выходе больше энергии, чем было потрачено на инициацию термоядерного синтеза. Хотя, надо сказать, команда Charger 1 не надеется, что им удастся этого достичь, но в любом случае огромная установка даст большое количество ценной научной информации, которая пригодится для разработки первого прототипа термоядерного ракетного двигателя. Бывший военный модуль DM2 в 500-наносекундном электрическом импульсе выдает до 1 тераватта мощности - около 6% от потребления электроэнергии в мире.

Двигатель

Проблема космических кораблей на химическом горючем известна: нужно сжечь тысячи тонн топлива, чтобы транспортировать всего десятки тонн полезного груза. С такими ракетами серьезно говорить об освоении Солнечной системы не приходится.

Слева направо показана эволюция научной программы по созданию Z-пинч двигателя: через 9 лет вместо одного нынешнего накопительного модуля DM2 будет испытываться полноценное кольцо из 8 модулей. Еще через 2 года будут испытываться одновременно 2 кольца

Термоядерная силовая установка – совсем другое дело. Термоядерной ракете вместо тысяч нужно всего несколько тонн топлива. Более того, с помощью ядерного ракетного двигателя, например, на Марс можно было бы долететь не за 6 месяцев, а за 6 недель. Все это одним махом решает проблему длительного пребывания в напичканном опасностями космосе, а также уменьшает сложность систем жизнеобеспечения и защиты космического корабля.

Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто

Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто: "Представьте, что в задней части ракеты взрывается заряд, эквивалентный 1 тонне тротила. Именно такой двигатель мы и делаем".

Двигатель корабля на Z-пинче работает просто

Двигатель корабля на Z-пинче работает просто: в параболическую камеру сгорания подаются два компонента топлива и мощный электрический импульс из конденсаторов превращает их в плазму. Магнитное поле большой силы сжимает плазму и зажигает реакцию термоядерного синтеза. В результате образуется расширяющаяся в камере сгорания плазма, которая имеет массу всего 0,02 кг, но ее начальная кинетическая энергия достигает 1 ГДж.

Плазма, раздувающаяся как своеобразный воздушный шарик, в итоге сжимается Z-пинч эффектом, выбрасывается из магнитного сопла и создает реактивную тягу.

Основная функция Z-пинч эффекта – это защищать двигатель от разрушения и направлять очень большие токи (в мегамперы) через плотную плазму в течение очень короткого времени – около 10-6 секунды.

На выходе получается реактивная тяга в 3812 ньютон-секунд за импульс при частоте 10 импульсов в секунду и удельном импульсе 19436 секунд.

В НАСА рассчитывают на то, что количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, будет в 3 раза больше количества энергии, необходимого для зажигания. Это означает, что за 100 наносекунд до начала следующего импульса конденсаторам необходимо "сбросить" в камеру сгорания 333 МДж энергии. Это весьма сложная проблема - даже учитывая высокую эффективность конденсаторов (80%), необходимо будет решить задачу создания накопителей, которые смогут очень быстро заряжаться и разряжаться.