14.04.2025. - Новый двигатель доставит людей до Марса за три месяца

Новый двигатель доставит людей до Марса за три месяца

Некоторые из самых ярких умов мира десятилетиями мечтали о ядерном синтезе. Легко понять почему — воспроизведение внутреннего устройства звезд здесь, на Земле, означало бы получение практически неограниченной чистой энергии. Несмотря на долгую историю попыток и несколько прорывов, мечта еще не воплотилась в реальность, и, вероятно, мы еще через много лет увидим термоядерную электростанцию где-либо на планете.

Проведение этого процесса в космосе может показаться дополнительным усложнением и без того сложной технологии, но теоретически это может произойти раньше, чем на Земле. И это могло бы помочь космическим аппаратам развивать скорость до 500 000 миль (805 000 километров) в час — это больше, чем у самого быстрого объекта, когда-либо построенного, солнечного зонда НАСА Parker, который достиг максимума в 430 000 миль (692 000 километров) в час.

При финансовой поддержке Космического агентства Великобритании британский стартап Pulsar Fusion представил концепцию космической ракеты Sunbird, предназначенной для встречи космических аппаратов на орбите, присоединения к ним и доставки их к месту назначения с головокружительной скоростью с помощью ядерного синтеза.

“Проводить термоядерный синтез на Земле очень неестественно”, - говорит Ричард Динан, основатель и генеральный директор Pulsar. “Термоядерный синтез не подходит для работы в атмосфере. Космос - гораздо более логичное и разумное место для проведения термоядерного синтеза, потому что именно там он и должен происходить”.

На данный момент Sunbird находится на самой ранней стадии строительства, и ему предстоит преодолеть исключительные инженерные трудности, но Pulsar заявляет, что надеется впервые осуществить термоядерный синтез на орбите в 2027 году. Если ракета когда-нибудь заработает, это может в один прекрасный день сократить время полета потенциальной миссии на Марс вдвое.

Всего лишь грамм топлива

Ядерный синтез отличается от ядерного деления, которое приводит в действие современные атомные электростанции. Ядерный процесс основан на расщеплении тяжелых радиоактивных элементов, таких как уран, на более легкие, с использованием нейтронов. Огромное количество энергии, выделяющейся в этом процессе, используется для производства электроэнергии.

Термоядерный синтез работает наоборот: он объединяет очень легкие элементы, такие как водород, в более тяжелые, используя высокую температуру и давление. “Солнце и звезды - это термоядерные реакторы”, - говорит Динан. — Они превращают водород в гелий, а затем, умирая, создают тяжелые элементы, из которых состоит все сущее. В конечном счете, Вселенная состоит в основном из водорода и гелия, а все остальное было приготовлено в звезде путем термоядерного синтеза”.

Термоядерный синтез востребован, потому что при нем выделяется в четыре раза больше энергии, чем при делении, и в четыре миллиона раз больше энергии, чем при использовании ископаемого топлива. Но, в отличие от деления, термоядерный синтез не требует опасных радиоактивных материалов — вместо этого в термоядерных реакторах будут использоваться дейтерий и тритий, тяжелые атомы водорода, у которых есть дополнительные нейтроны. Они будут работать на минимальном количестве топлива и не будут производить опасных отходов.

Однако для запуска термоядерного синтеза требуется много энергии, поскольку необходимо создать условия, аналогичные условиям в ядре звезды, — чрезвычайно высокую температуру и давление, а также эффективное удержание для продолжения реакции. Задача на Земле состояла в том, чтобы создать больше энергии из термоядерного синтеза, чем требуется для запуска, но пока мы едва справляемся с этой задачей.

Но если целью не является выработка электроэнергии, то все становится проще, говорит Динан, — остается только более простая цель - увеличить скорость выхлопа.

Реакции, которые приводят к термоядерному синтезу, протекают внутри плазмы — горячего, электрически заряженного газа. Как и в случае с предполагаемыми реакторами на Земле, в Sunbird будут использоваться сильные магниты для нагрева плазмы и создания условий, при которых топливо, вес которого будет составлять порядка граммов, соединится и расплавится. Но в то время как на Земле реакторы имеют круглую форму, чтобы предотвратить выброс частиц, на Sunbird они были бы линейными, потому что вылетающие частицы приводили бы в движение космический корабль.

Наконец, он не будет производить нейтроны в результате термоядерной реакции, которую реакторы на Земле используют для выработки тепла; вместо этого Sunbird будет использовать более дорогой вид топлива, называемый гелием-3, для производства протонов, которые могут быть использованы в качестве “ядерного выхлопа” для обеспечения движения.

По словам Динана, процесс Sunbird был бы дорогостоящим и непригодным для производства энергии на Земле, но поскольку целью является не получение энергии, процесс может быть неэффективным и дорогостоящим, но все же ценным, поскольку он позволит сэкономить на топливе, уменьшить вес космического аппарата и намного быстрее доставить его к месту назначения.

Сокращение времени в пути

По словам Динана, Sunbirds будут работать аналогично городским велосипедам на стыковочных станциях: “Мы запустим их в космос, и у нас будет зарядная станция, где они смогут посидеть, а затем встретить ваш корабль”, - говорит он. “Вы отключаете свои неэффективные двигатели внутреннего сгорания и используете термоядерный синтез на протяжении большей части своего путешествия. В идеале, у вас должна быть станция где-нибудь рядом с Марсом, и у вас должна быть станция на низкой околоземной орбите, и (солнечные птицы) могли бы просто летать туда и обратно”.

В этом году некоторые компоненты будут продемонстрированы на орбите. “По сути, это печатные платы, которые отправляются на испытания, чтобы убедиться в их работоспособности. Не очень интересно, потому что нет термоядерного синтеза, но мы должны это сделать”, - говорит Динан. “Затем, в 2027 году, мы собираемся отправить небольшую часть Sunbird на орбиту, просто чтобы проверить, что физика работает так, как предполагает компьютер. Это наша первая демонстрация на орбите, где мы надеемся осуществить термоядерный синтез в космосе. И мы надеемся, что Pulsar станет первой компанией, которая действительно достигнет этого”.

По словам Динана, этот прототип обойдется примерно в 70 миллионов долларов, и это будет не полноценная Sunbird, а скорее “эксперимент по линейному синтезу” для подтверждения концепции. По его словам, первый функциональный Sunbird будет готов через четыре-пять лет, при условии обеспечения необходимого финансирования.

Первоначально Sunbirds будут предлагаться для вывода спутников на орбиту, но их истинный потенциал проявится при выполнении межпланетных полетов. Компания приводит несколько примеров миссий, которые может осуществить Sunbird, таких как доставка до 2000 килограммов (4400 фунтов) груза на Марс менее чем за шесть месяцев, отправка зондов на Юпитер или Сатурн за два-четыре года (космический аппарат НАСА Europa Clipper, запущенный в 2024 году к одному из спутников Юпитера, прибудет через 5,5 лет), а также миссия по добыче астероидов, которая завершит полет туда и обратно к астероиду, сближающемуся с Землей, за один-два года вместо трех.

Другие компании работают над термоядерными двигателями для космических полетов, в том числе базирующаяся в Пасадене компания Helicity Space, которая в 2024 году получила инвестиции от аэрокосмического гиганта Lockheed Martin. Базирующаяся в Сан-Диего компания General Atomics и НАСА работают над другим типом ядерного реактора – на основе деления, а не термоядерного синтеза, – который они планируют испытать в космосе в 2027 году. Это также более эффективная двигательная установка для полета на Марс с экипажем по сравнению с существующими вариантами.

По словам Аарона Нолла, старшего преподавателя в области плазменных двигателей для космических аппаратов в Имперском колледже Лондона, который не занимается термоядерным синтезом пульсаров, существует огромный потенциал для использования термоядерной энергии в двигателях космических аппаратов. “Хотя до превращения термоядерной энергии в жизнеспособную технологию производства электроэнергии на Земле еще несколько лет, нам не нужно ждать, пока этот источник энергии начнет использоваться для приведения в движение космических аппаратов”, - говорит он.

Причина, добавляет он, заключается в том, что для выработки энергии на Земле количество выделяемой энергии должно быть больше, чем потребляемая энергия. Но при использовании термоядерной энергии на космическом корабле для создания тяги полезна любая выработка энергии, даже если она меньше, чем подаваемая энергия. Вся эта объединенная энергия, поступающая от внешнего источника питания и термоядерных реакций, будет способствовать увеличению тяги и эффективности двигательной установки.

Однако, добавляет он, существуют значительные технические препятствия на пути внедрения термоядерных технологий в космосе. “Современные конструкции термоядерных реакторов на Земле представляют собой большие и тяжелые системы, требующие инфраструктуры вспомогательного оборудования, такого как накопители энергии, источники питания, системы подачи газа, магниты и вакуумное насосное оборудование”, - говорит он. - Миниатюризация этих систем и придание им легкого веса “ серьезная инженерная задача”.

Бхувана Шринивасан, профессор аэронавтики и астронавтики Вашингтонского университета, который также не имеет отношения к Pulsar, согласен с тем, что ядерный термоядерный двигатель имеет серьезные перспективы для космических полетов: “Он был бы чрезвычайно полезен даже для полета на Луну, поскольку мог бы обеспечить средства для развертывания целой лунной станции. база с экипажем в одной миссии. В случае успеха он превзойдет существующие двигательные технологии не только постепенно, но и значительно”, - говорит она. Однако она также указывает на трудности, связанные с тем, чтобы сделать его компактным и легким, что является дополнительной инженерной задачей, которая в меньшей степени относится к наземной энергетике.

По словам Шринивасана, использование термоядерного двигателя не только позволило бы людям путешествовать дальше в космосе, но и изменило бы правила полетов без экипажа, например, для сбора ресурсов, таких как гелий-3, термоядерного топлива, которое редко встречается на Земле и должно создаваться искусственно, но может быть в изобилии на Луне.“Если мы сможем построить лунную базу, которая могла бы стать отправной точкой для исследования дальнего космоса, доступ к потенциальным запасам гелия-3 может оказаться бесценным”, - говорит она.

“Исследование отдаленных планет, лун и солнечных систем имеет фундаментальное значение для нашей любознательности и исследовательского характера как людей, а также потенциально может принести существенную финансовую и общественную выгоду способами, которые мы, возможно, еще не осознаем”.

Источник