Історія розвитку ракетних двигунів — це історія гонитви за найбільшим питомим імпульсом і потужністю. Також було б непогано, щоб двигун був простим, а робоче тіло — безпечним. У цьому лабіринті взаємовиключних вимог на сьогодні найкращим рішенням з усіх придуманих є термоядерний двигун.
Види термоядерних реакцій
На перший погляд, термоядерний ракетний двигун (ТЯРД) дуже схожий на ядерний. В обох випадках використовується теплова енергія, що утворюється при перетворенні атомів одних хімічних елементів на інші. З тією лише різницею, що у ядерному двигуні великі атоми розпадаються на дрібніші, а у термоядерному — навпаки, з маленьких атомів утворюються більші. Традиційно вважається, що термоядерний двигун буде потужнішим за ядерний, але тут варто розібратись у тому, про які ж саме термоядерні реакції йдеться.
Перше, що треба з’ясувати відносно термоядерних ракетних двигунів — це те, що до них, як і до ядерних, належать системи як прямого, так і непрямого термоядерного живлення. Термоядерні двигуни із непрямим живленням — це ті ж іонні та плазмові двигуни, але джерелом енергії для них є термоядерний реактор. Вони потужні, проте мають такі ж обмеження, що й решта іонних і плазмових двигунів.
У двигунах прямої дії питомий імпульс утворюється в результаті термоядерної реакції, що відбувається безпосередньо в камері. І ось тут може бути кілька варіантів. Перше, що спадає на думку — це протон-протонний цикл. Саме він є основою термоядерних реакцій у кожній зорі. Його схема виглядає наступним чином:
p + p → 2H + e+ + νe + 0,42 МеВ
2H + p → 3He + γ + 5,49 МеВ
3He + 3He → 4He + 2p + 12,85 МеВ
Повний протон-протонний цикл дає непоганий енергетичний вихід, який дійсно міг би забезпечити й питомий імпульс, що вимірюється десятками тисяч м/с, і потужність. Але отримати необхідні умови для його протікання наразі нереально. Для цього потрібні високі температури та тиск, які на зорях утворюються завдяки гравітації, а ефективно замінити її магнітними полями ми не в змозі.
Друга можлива реакція — дейтерій-тритієва:
2H + 3H = 4He + n +17,6 МеВ
Ця реакція також дає значний енергетичний ефект. Вихідні речовини для неї доволі розповсюджені. До того ж сучасні технології дозволяють відносно просто її реалізовувати. «Відносно просто» у даному випадку означає, що це теоретично можливо з наявними технологіями. Тому, коли говорять про термоядерний двигун, то насамперед мають на увазі дейтерій-тритієві реакції, що дійсно потенційно можуть забезпечити більшу потужність, ніж ядерні. Проблема з цією реакцією одна — величезна кількість нейтронів. Вони не тільки забирають із собою значну частину потужності, але й бомбардують усе довкола, в результаті чого виникає необхідність створення важкої броні навколо такого двигуна, бо він фактично є постійно діючою нейтронною бомбою.
Третя можлива реакція — дейтерій — гелій-3:
2H + 3He = 4He + p +18,3 МеВ
Ця реакція також часто згадується як перспективна. Вона потужніша за попередню і великого надлишку нейтронів у її результаті не спостерігається. Технічно зробити двигун на її основі ненабагато складніше. Проте гелій-3 — достатньо рідкісна речовина. Навіть незначні її поклади на Місяці (всього 0,01 г на тонну реголіту) можуть бути однією з основних причин для побудови бази на супутнику Землі.
Існує кілька інших термоядерних реакцій, що з тих чи інших причин менш популярні:
p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV)
3He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV
p + 11B → 3 4He + 8,7 MeV
Усі ці реакції не призводять до появи надлишку нейтронів, але мають занадто низький енергетичний вихід або потребують екзотичних речовин у якості термоядерного палива.
Основні проблеми реалізації ТЯРД
По суті, будь-який термоядерний ракетний двигун є термоядерним реактором, відкритим для виділення маси та енергії з одного боку. А значить, проблеми у цього двигуна такі ж самі, що й у термоядерного реактора. Реакції відбуваються за високої температури — у сотні мільйонів градусів. До того ж мають бути виконані кілька додаткових умов. Вказану температуру треба утримувати достатньо довго, а високотемпературна плазма, що при цьому утворюється, не має руйнувати сам двигун або реактор.
Теоретичні основи для розв’язання цих проблем відомі давно. Люди вже кілька десятиліть будують термоядерні реактори, але тільки нещодавно на найкращому з них отримали вихід енергії, який був би співмірним із її витратами. Стабільної ж термоядерної реакції, яка б дозволила виробляти електрику, людство не може отримати досі. Бо теоретичні міркування — то одне, а конкретна технічна реалізація — зовсім інше.
Із термоядерними двигунами справи ще гірші. Перша стаття, у якій описувався такий пристрій, була написана ще 1958 року, але відтоді жодного лабораторного зразка термоядерного двигуна світ не побачив. І жоден із запропонованих проєктів далі концепту не пішов. Але зараз уже є кілька схем, які дозволять отримати ракетний імпульс від термоядерної реакції та не призведуть при цьому до вибуху корабля.
ТЯРД із магнітним утриманням
Перший спосіб, який пропонується для створення термоядерного ракетного двигуна — це перероблення термоядерного реактора з магнітним утриманням плазми на відкриту систему. Також цей варіант відомий під назвою «магнітна пляшка». У реакторах, відомих як токамаки та стеларатори, розігріта до мільйонів градусів плазма утримується від контакту зі стінками за допомогою магнітного поля.
У термоядерному двигуні з магнітним утриманням відбувається те саме. Його навіть необов’язково робити герметичним. Достатньо створити міцний каркас, на якому будуть розташовані магнітні котушки. Термоядерна реакція відбуватиметься постійно всередині магнітного поля, і розжарена плазма через сопло, на кшталт того, що використовується у плазмових двигунах, викидатиметься назовні, створюючи при цьому постійну тягу.
Перевагою такого двигуна є те, що він достатньо легко утримує плазму завдяки її низькій густині. Головною ж його проблемою є те, що самопідтримувана термоядерна реакція лишається нереалізованою, і досі невідомо, наскільки легко буде її стабільно підтримувати.
Єдиний на сьогодні концепт космічного корабля з таким двигуном — Discovery ІІ, розроблений NASA. Він полягає у створенні космічного корабля, що зможе доправити корисний вантаж масою 172 тонни з навколоземної орбіти на юпітеріанську за 118 днів, використавши при цьому 861 тонну водню.
Імпульсний ТЯРД
Інший спосіб примусити термоядерну реакцію виконувати роль двигуна — підірвати у камері невелику порцію термоядерного палива за допомогою потужного лазера. Сама камера являє собою «магнітну пляшку», тільки потужнішу, ніж у попередньому випадку, адже густина та кількість енергії у цьому разі значно вищі.
Переваги та недоліки такого двигуна прямо протилежні попереднім. Сам по собі підрив паливної таблетки з дейтерієм, тритієм чи гелієм не становить проблеми. У лабораторіях такі досліди неодноразово успішно проводилися. Проблему створює саме магнітне поле, яке має бути надзвичайно потужним і надійним.
На відміну від попередньої схеми, термоядерні вибухольоти пропонувалися вже не раз. Зокрема проєкт «Дедал», який був висунутий Британським космічним товариством у 1970-х і полягав у запуску до зорі Барнарда космічного зонда, повинен був працювати на дейтерій-гелієвих таблетках. У іншого проєкту VISTA очікувався абсолютно фантастичний питомий імпульс — 157 000 км/с. За такого імпульсу 100-тонний корабель міг долетіти до Марсу та повернутися назад усього за 130 днів. Але жоден із цих проєктів так і не був реалізований.
Магнітно-інерційний ТЯРД
Більш сучасною за попередні є схема на основі магнітно-інерційного синтезу. Вона поєднує в собі переваги обох методів. Так само, як і у випадку магнітного утримання, на початковому етапі плазма розігрівається за допомогою електромагнітного поля. Завдяки цьому зберігається її невисока густина. Потім за допомогою прискорювача плазма різко стискається, і в цей момент її «підпалює» лазер.
Отже, немає необхідності весь час використовувати надзвичайно потужні електромагнітні поля, і надійність системи зростає. Єдиний на сьогодні проєкт космічного корабля за цією схемою також розроблений у NASA. Він передбачає доставлення 164-тонного вантажу на орбіту навколо Юпітеру за 250-330 днів при використанні 106-165 тонн дейтерієво-тритієвої або дейтерієво-гелієвої композиції.
ТЯРД з електростатичним утриманням плазми
Ще одна ідея створення термоядерного реактора полягає у застосуванні електростатичного утримання плазми. Справді, навіщо вигадувати схему з використанням «магнітної пляшки», всередині якої ще необхідний електричний розряд, що розігріє плазму, якщо можна просто створити надзвичайно потужне електростатичне поле, що тиснутиме на іони плазми з усіх боків і стискатиме їх, доки не почнеться термоядерна реакція.
Зазвичай такі установки мають вигляд сфери, що робить їх непридатними для створення на їхній основі ТЯРД прямої тяги. Але вже досить давно існують установки електростатичного утримання плазми з циліндричними камерами, котрі можна застосувати для виготовлення двигуна.
Щоправда, досі такі пристрої — наприклад, фузори Фарнсуорта-Гірша — використовувалися не стільки як джерело енергії, скільки як джерело нейтронів, бо при всій своїй простоті ці пристрої виробляють енергію саме у вигляді нейтронів. При цьому проєкт космічного корабля на основі ЯРД з електростатичним утриманням плазми існує. Його розробили в університеті Іллінойсу і називається він Fusion Ship ІІ.
ТЯРД на основі антипротонного каталізу
Окремо варто зауважити про термоядерні двигуни, які використовують для «запалення» термоядерної реакції антиречовину. Цей концепт не треба плутати з анігіляційним двигуном. В останньому тяга повністю створюється реакцією протонів із антипротонами, й такий двигун дійсно є надзвичайно потужним і здатним прискорювати кораблі ефективніше, ніж ядерні та термоядерні двигуни. Однак фантастична ціна антиречовини, що значно коштовніша навіть за гелій-3, робить такий двигун недосяжним у найближчому майбутньому.
Але у термоядерних двигунах із антипротонним каталізом антиречовина використовується тільки для того, аби «підпалити» «таблетку» з термоядерним паливом. Анігіляція створює надзвичайно велику щільність енергії, й антипротонів для «підпалу» треба дуже небагато. Усе це дає чудову можливість для модернізації імпульсних і магнітно-інерційних ТЯРД.
Замість того, щоб використовувати масивні лазери й електромагнітні гармати, які будуть стискати та підпалювати дейтерій-тритієву плазму, можна мати лише крихітний бак із антиречовиною, якої на сотні тонн термоядерного палива необхідно лише кілька грамів, і крихітну електромагнітну гармату, яка стрілятиме цією антиречовиною по таблетках з термоядерним паливом.
ТЯРД на основі дейтерій-гелієвої термоядерної реакції з анігіляційним каталізом суто з технічної точки зору є найпростішим і найпотужнішим термоядерним двигуном, який можна побудувати. Теоретично це можна зробити навіть зараз. Але саме у цьому типі двигуна використовується аж дві екзотичні складові палива — гелій-3 та антиречовина, що робить його роботу найдорожчою з усіх можливих.
Прямотічний двигун Бассарда
Термоядерний ракетний двигун теоретично може бути настільки потужним, що його вже можна використовувати для досягнення релятивістських швидкостей і міжзоряних перельотів. Але є одна велика проблема, яку можна простежити навіть на прикладі проєктів кораблів, призначених для польотів до Юпітеру. Термоядерне паливо для них має бути у кількості сотень тонн. У випадку польоту до інших зір ідеться вже про сотні тисяч тонн, що сильно збільшує і так немаленькі розміри космічного корабля.
Розв’язання цієї проблеми запропонував 1960 року фізик Роберт Бассард. Його концепція відома зараз як «прямотічний термоядерний двигун Бассарда» чи просто «прямотічник Бассарда». Річ у тім, що міжзоряне середовище не зовсім порожнє — у ньому зустрічаються молекули речовини. Їх можна зібрати потужним магнітним полем, яке, ніби парасолька, розкривається попереду корабля і по силових лініях якого ці частинки потрапляють на борт, де їх уже можна використовувати як паливо.
Попри усю простоту цієї концепції, виникає ціла купа проблем, помітних уже на стадії теоретичного обговорення проєкту. Перша з них — це те, що міжзоряне середовище таки дуже розріджене, і для ефективної роботи «магнітна парасолька» повинна мати тисячі й десятки тисяч кілометрів у діаметрі, що призводить до величезних витрат енергії на її підтримання.
Друга проблема — у міжзоряному середовищі розповсюджений переважно водень, а не дейтерій чи тритій. А протон-протонний цикл, як уже було сказано, застосувати вкрай проблематично. Одним із рішень цієї проблеми може бути застосування «запалів» із вуглець-кисневих термоядерних чи анігіляційних реакцій, однак ефективність такої схеми сумнівна.
Іншим виходом є бомбардування потоком отриманих протонів мішені з літію та бору, внаслідок чого почнуть відбуватися літій-протонні чи бор-протонні термоядерні реакції. Але їхня потужність досить невелика.
Третьою та найбільшою з проблем є те, що «магнітна парасолька» почне не стільки захоплювати частинки, скільки гальмувати корабель. Внаслідок цього вся концепція може виявитися безглуздою. Одним із можливих рішень усіх трьох проблем міг би бути рух «прямотічника» заздалегідь підготованими трасами. Цей метод найкраще застосовувати для польотів на околицях Сонячної системи, хоча й для міжзоряного середовища він теж підходить.
Спосіб базується на переконанні, що розігнати хмару газу до швидкості у кілька десятків тисяч кілометрів за секунду значно легше, ніж корабель. Тому можна, знаючи напрямок польоту, «обстріляти» згустками іонізованих частинок ділянки космосу за його курсом, створивши своєрідну трасу з концентрованого газу, який набагато легше зібрати та використати як термоядерне паливо. Оскільки ця речовина буде достатньо концентрованою, то магнітна пастка для її захоплення має бути значно меншою, що забезпечить економію енергії, а її робота буде менше гальмувати корабель. До того ж «вистеляти» таку трасу можна не лише воднем, але й дейтерієм, тритієм або гелієм, що дозволить використовувати простіші та потужніші термоядерні реактори.
Чи реальний термоядерний двигун?
До усього сказаного вище є лише один, але дуже вагомий коментар. Ніхто досі стовідсотково не впевнений, що термоядерний двигун можливий. Тобто з теоретичними міркуваннями все добре. Але наука має справу з теоріями, які перевіряються експериментами. А в технічних науках експериментом є робочий зразок технології.
Термоядерний ракетний двигун — технологія, робочий зразок якої досі ніхто навіть не намагався будувати. І базується він на керованому термоядерному синтезі — методі, який не можуть реалізувати вже кілька десятиліть. Із некерованою реакцією проблем немає, але це — просто термоядерний вибух.
Ймовірно, термоядерний двигун взагалі неможливо побудувати. Тоді наші мрії про нього так назавжди й залишаться мріями. І це буде дуже погано, бо з усіх хоч трохи нефантастичних технологій саме ТЯРД може зробити політ до зовнішніх планет Сонячної системи та інших зірок якщо не настільки звичним, як авіапереліт, то хоча б таким, як морська подорож.
Автор: кандидат технічних наук Олександр Бурлака
Ця стаття була опублікована у №6(188) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній версії можна у нашому магазині.
