Термоядерні двигуни обіцяють революцію в ракетній справі

Ракета рухається, відкидаючи частину власної маси (ракетне паливо) геть від себе. Двигуни звичайних ракет для створення реактивної тяги використовують хімічні реакції. Хоча цей принцип є на сьогодні звичним та загальнопоширеним, з погляду відношення маси ракетного палива та тяги, яку воно створює, існують набагато ефективніші концепції ракетних двигунів, які науковці досліджують вже десятиліттями.

Термоядерні реакції, що живлять Сонце та інші зірки, одного дня можуть бути використані для створення ракетних двигунів для польоту до планет Сонячної системи і навіть міжзоряних подорожей.

Однією з альтернатив, яку вже використовують у космічних апаратах, є так званий іонний ракетний двигун. У ньому електрично заряджене ракетне паливо (іонізований газ) розганяється і викидається назовні електростатичним полем. Швидкість речовини, що викидається з сопла, сягає 210 км/сек, тоді як у хімічних ракетних двигунів, що використовують реакцію окиснення, вона не перевищує 3-4,5 км/сек. Як наслідок, питомий імпульс у нього значно більший, ніж у звичайної ракети.

Однак існує ще ефективніша концепція ракетного двигуна, в якій паливом слугує нагріта до мільйонів градусів термоядерна плазма. Такий двигун не просто набагато ефективніший. Він ще й продукує багато електроенергії, яку можна використовувати для різних корисних цілей.

Термоядерні реактори, що створюють зараз на Землі (найвідоміший з них – Міжнародний експериментальний термоядерний реактор ITER у Франції), дуже громіздкі. Але тепер дослідники, яких фінансує НАСА, взялися розробити компактний двигун, який можна встановити на борту ракети.

«Ця технологія дає змогу не лише набагато швидше дістатися до Марса чи Плутона, а й потенційно здійснювати міжзоряні мандрівки», – розповідає керівник проекту, президент компанії Princeton Satellite Systems у м. Плейнсборо (Нью-Джерсі) Майкл Палюшек.

Великі реактори синтезу, які будують у світі, зокрема ITER, здатні генерувати сотні мегаватів енергії. Натомість дослідники з Princeton Satellite Systems створюють реактор, який продукуватиме усього десятки мегаватів. Менша потужність означає менший розмір і, отже, можливість запуску в космос на борту ракети.

Окрім того, що такий реактор менший, він ще й набагато дешевший. Прототип такого двигуна, за підрахунками його розробників, коштуватиме усього $20 млн, тоді як вартість великих термоядерних реакторів сягає $20 млрд.

Компанія Палюшека поставила собі за мету створити ракетний двигун, який розвиватиме 1 кіловат потужності на 1 кг маси. Термоядерна ракета потужністю 10 мегаватів, отже, важитиме усього 10 метричних тонн. «Вона матиме 1,5 метра в діаметрі й від 4 до 8 метрів завдовжки», – розповідає Майкл Палюшек.

Під час термоядерного синтезу атоми за дуже високої температури та тиску зливаються докупи (це відбувається у високотемпературній плазмі). При цьому виділяється величезна кількість енергії. Термоядерний реактор, який розробляє Princeton Satellite Systems, використовуватиме низькочастотні радіохвилі, щоб нагрівати суміш дейтерію та гелію-3 до стану плазми, яку згодом утримуватимуть у кільці за допомогою магнітного поля.

Частина цієї плазми вириватиметься назовні через сопло ракети. При цьому вона досягатиме дуже високої швидкості вихлопу – приблизно 25.000 км/сек. Великий питомий опір означатиме високу швидкість ракети. Якщо пілотована подорож до Марса і назад за сьогоднішніх технологій триватиме близько двох років, то шість 5-мегаватних термоядерних двигунів зможуть виконати таку місію усього за 310 днів. Зменшення тривалості польоту дасть змогу знизити ризик радіаційного опромінення астронавтів під час польоту в космосі, а також зменшити кількість їжі, води та інших припасів, які вони візьмуть із собою.

Крім того, реактори синтезу зможуть генерувати велику кількість електроенергії для наукових інструментів та комунікаційних пристроїв. Якщо зонду НАСА «Нові горизонти» знадобилось дев’ять років, аби дістатися Плутона, причому в його розпорядженні під час польоту над карликовою планетою було 200 ватів енергії і швидкість передачі даних сягала до тисячі бітів на секунду, то 1-мегаватна термоядерна ракета зможе виконати таку подорож за чотири роки, надати в розпорядження апаратурі 500 кіловатів енергії, а передавачі на її борту відправлятимуть дані зі швидкістю 1 млн бітів за секунду. Крім того, така місія зможе навіть посадити роботизований зонд на Плутоні і дистанційно підживлювати його, випромінюючи на нього енергію.

«З енергетичним потенціалом термоядерних двигунів реальністю стають просто неймовірні наукові дослідження, які ніколи не вдалося б здійснити з теперішніми технологіями. Наприклад, запуск посадкового зонда на Європу, супутник Юпітера, з буром на борту, який буритиме її лід у пошуках позаземного життя», – каже Майкл Палюшек. З таким двигуном гіпотетично можливою стає навіть міжзоряна подорож до найближчої зоряної системи Альфа Центаври, відстань до якої становить 4,3 світлового року. Хоча така подорож триватиме від 500-700 років.

Ідея ракетного двигуна на термоядерній тязі з’явилася ще у 1960-ті. Але дизайн, який дає змогу стабільно утримувати плазму, американський фізик Семюель Коен створив усього десять років тому.

Недолік реактора, який розробляє Princeton Satellite Systems, полягає в тому, що радіохвилі не проникають глибоко у плазму. Як наслідок, ракета такої конструкції, щоб розвивати достатню потужність, повинна нести на борту одразу кілька таких реакторів. Інший недолік полягає в тому, що такі реактори не зовсім безпечні для екіпажу, адже випромінюють радіацію. Крім того, гелій-3, який планують використовувати як паливо, – це рідкісна і дуже дорога речовина.

Princeton Satellite Systems – не єдина компанія, яка намагається створити невеликий реактор синтезу. Поряд з нею працюють такі компанії, як Helion Energy у Редмонді (Вашингтон), що також намагається з’єднати дейтерій та гелій-3, а також Tri Alpha Energy у м. Футхіл Ренч (Каліфорнія), яка прагне синтезувати протони і бор. Дослідники з Princeton Satellite Systems ще не продемонстрували реакції синтезу на практиці, але планують зробити це між 2019 та 2020 рр.