Команда американських учених використовує особливу установку для випробування ядерної зброї, щоб розробити термоядерний ракетний двигун, який зробить Сонячну систему «заднім двором» людства.

Величезний апарат під назвою Decade Module Two (DM2) протягом 10 років використовувався Агентством по скороченню військової загрози (DTRA) для досліджень в області впливу ядерних вибухів. У 2009 році військові дослідження були закінчені і DM2 передали Університету Алабами.

Тепер фахівці з Університету Алабами в Хантствіллі, НАСА і Boeing використовують колишню військову установку для збірки пристрою Charger-1 Pulsed Power Generator. Коли 50-тонний Charger-1 зберуть, це буде одна з найбільших і найпотужніших імпульсних енергетичних систем у світі.

 Гігантська запальничка

Термоядерний синтез — це злиття атомних ядер, яке звільняє велику кількість енергії. Американські вчені планують використовувати термоядерний синтез за участю атомів важкого водню, дейтерію, і ізотопів літію. Енергію, необхідну для стиснення атомів, тобто запалювання термоядерної реакції, планується вивільняти за допомогою потужного імпульсного пристрою, який за дією чимось схожий на удар блискавки.

Запалити термоядерну реакцію в установці Charger-1 повинен найпотужніший електричний імпульс, енергію для якого накопичують конденсатори. В даний час йде монтаж проводів з літію-6 і дейтериду літію, що проводять імпульс і перетворюються на плазму, яка буде стискатися Z-пінч ефектом.

 Робота Z-пінч ефекту

Пінч-ефект — це стиснення плазми в результаті взаємодії струму розряду з магнітним полем. Якщо струм протікає вздовж осі циліндричного плазмового стовпа, то його називають Z-Пінч. Z-пінч можна спостерігати, наприклад, при ударі блискавки в трубчастий громовідвід. Даний ефект використовується для стабілізації плазми в термоядерних реакторах, і в НАСА на нього покладають великі надії.

Розряд установки Charger-1 може виробляти плазму, яка стискається власним магнітним полем і при розмірі в палець може містити в собі 20% від усієї енергії, яку споживає людство в поточний момент часу. Зрозуміло, головна мета розробників термоядерного ракетного двигуна — отримати на виході більше енергії, ніж було витрачено на ініціацію термоядерного синтезу. Хоча, треба сказати, команда Charger 1 не сподівається, що їм вдасться цього досягти, але в будь-якому випадку величезна установка дасть велику кількість цінної наукової інформації, яка стане в нагоді для розробки першого прототипу термоядерного ракетного двигуна. Колишній військовий модуль DM2 в 500-наносекундному електричному імпульсі видає до 1 тераватта потужності — близько 6% від споживання електроенергії в світі.

 Двигун

Проблема космічних кораблів на хімічному пальному відома: потрібно спалити тисячі тонн палива, щоб транспортувати всього десятки тонн корисного вантажу. З такими ракетами серйозно говорити про освоєння Сонячної системи не доводиться.

 Зліва направо показана еволюція наукової програми по створенню Z-пінч двигуна: через 9 років замість одного нинішнього накопичувального модуля DM2 буде випробовуватися повноцінне кільце з 8 модулів. Ще через 2 роки будуть випробовуватися одночасно 2 кільцяТермоядерна силова установка — зовсім інша справа. Термоядерній ракеті замість тисяч потрібно всього кілька тонн палива. Більш того, за допомогою ядерного ракетного двигуна, наприклад, на Марс можна було б долетіти не за 6 місяців, а за 6 тижнів. Все це одним махом вирішує проблему тривалого перебування в повному небезпек космосі, а також зменшує складність систем життєзабезпечення та захисту космічного корабля.

Кандидат технічних наук фахівець в області аерокосмічної техніки Росс Кортез, що бере участь в проекті Charger-1, описує термоядерний ракетний двигун дуже просто

Кандидат технічних наук фахівець в області аерокосмічної техніки Росс Кортез, що бере участь в проекті Charger-1, описує термоядерний ракетний двигун дуже просто: «Уявіть, що в задній частині ракети вибухає заряд, еквівалентний 1 тонні тротилу. Саме такий двигун ми і робимо».

Двигун корабля на Z-пінч працює просто

Двигун корабля на Z-пінч працює просто: в параболічну камеру згоряння подаються два компоненти палива і потужний електричний імпульс з конденсаторів перетворює їх в плазму. Магнітне поле великої сили стискає плазму і запалює реакцію термоядерного синтезу. В результаті утворюється плазма, що розширюється в камері згоряння, яка має масу всього 0,02 кг, але її початкова кінетична енергія досягає 1 ГДж.

Плазма, роздувається як своєрідний повітряна кулька, в результаті стискається Z-пінч ефектом, викидається з магнітного сопла і створює реактивну тягу.

Основна функція Z-пінч ефекту — це захищати двигун від руйнування і направляти дуже великі струми (в мегампери) через щільну плазму протягом дуже короткого часу — близько 10-6 секунди.

На виході виходить реактивна тяга в 3812 ньютон-секунд за імпульс при частоті 10 імпульсів в секунду і питомому імпульсі 19436 секунд.

У НАСА розраховують на те, що кількість енергії, що виділяється при реакції синтезу, буде в 3 рази більше кількості енергії, необхідної для запалювання. Це означає, що за 100 наносекунд до початку наступного імпульсу конденсаторів необхідно «скинути» в камеру згоряння 333 МДж енергії. Це дуже складна проблема — навіть враховуючи високу ефективність конденсаторів (80%), необхідно буде вирішити завдання створення накопичувачів, які зможуть дуже швидко заряджатись та розряджатись.

В якості палива Z-пінч двигуна планується використовувати дейтерій та літій-6, які виробляють корисні побічні продукти (наприклад, тритій), що підвищують вихід енергії. Охолоджувати двигун буде рідина фтор-літій-берилій (FLiBe), яка до того ж здатна поглинати гамма-промені і нейтрони. Параболічне магнітне сопло буде складатися з 8 кілець надпровідних магнітних котушок на основі ітрію. Вони створюють всередині сопла початкове магнітне поле і направляють в конденсатори електричний струм, індукований в процесі розширення плазми. Пізніше ця енергія буде використана для наступного імпульсу.

Термоядерна ракета

Проект Z-пінч корабля, розроблений в 2010 році, припускає, що це буде апарат довжиною 125 м (в два рази довше МКС), тому збирати його доведеться на орбіті.

Проект Z-пінч корабля, розроблений в 2010 році, припускає, що це буде апарат довжиною 125 м (в два рази довше МКС), тому збирати його доведеться на орбітіНесучою конструкцією корабля буде центральна ферма з радіаторами, що відводять тепло від двигунів. На одному кінці ферми буде розташований двигун, а на іншому — населений відсік і спусковий апарат або інше корисне навантаження.

Сопло двигуна буде мати діаметр 13,6 м, його планується виготовити з вуглецевого композиту — в будь-якому випадку сопло радіації не боїться, а від плазми сопло захищає магнітне поле. Складніше з конденсаторами, які необхідно захистити від гамма-випромінювання і нейтронів. Їх доведеться закрити досить важким радіаційним захистом, який одночасно буде захищати і екіпаж, до того ж віддалений від активної зони на безпечну відстань за допомогою довгої ферми.

Максимальна тяга Z-пінч корабля порівнянна з традиційними ракетами, але перевантаження при прискоренні такого великого корабля буде зовсім невелике — менше 1 g, що забезпечить комфорт при багатоденному розгоні і гальмуванні.

При масі корисного навантаження в 150 тонн, загальна маса корабля складе майже 600 тис. тонн. Це, ненабагато більше МКС вагою 400 тонн, однак можливості у Z-пінч корабля будуть зовсім інші: за 1,5 доби максимальної тяги двигуна Z-пінч корабель досягне Марса через 90 днів. Якщо повна тяга триватиме 8,7 діб, то до Марса можна буде дістатися всього за 30 днів! При цьому корабель за вдвічі менший час польоту доставить на 35-55% більше корисного вантажу за порівняну хімічну ракету.

В цілому, США під силу зібрати корабель з сухим вагою близько 390 тонн. Це порівнянно з МКС, а враховуючи, що в США активно ведеться розробка найпотужнішою ракети-носія SLS, здатної виводити на низьку навколоземну орбіту до 130 тонн вантажу, складання Z-пінч корабля — завдання цілком вирішуване.

 

Вирішити проблеми

У будь-якому випадку, до збірки поки далеко. Ще належить вирішити ряд складних технічних завдань по створенню Z-пінч двигуна. За допомогою установки Charger 1, вчені повинні оцінити безпеку і придатність для використання в якості палива літію-6, ефективність роботи МГД-генераторів, надійність магнітного сопла, антирадіаційного захисту і т.д. Все це вчені планують зробити протягом найближчих 11 років. Треба відзначити, що в НАСА паралельно працює безліч програм із забезпечення польотів вглиб Сонячної системи: вирішуються проблеми збереження здоров’я екіпажу міжпланетного корабля, відпрацьовуються системи посадки, обладнання для роботи на поверхні планет і астероїдів і т.д. Таким чином, підготовка до освоєння нашої зоряної системи вже йде повним ходом.