История развития ракетных двигателей — это история погони за наибольшим удельным импульсом и мощностью. Также было бы неплохо, чтобы двигатель был простым, а рабочее тело — безопасным. В этом лабиринте взаимоисключающих требований на сегодня лучшим решением из всех придуманных является термоядерный двигатель.
Виды термоядерных реакций
На первый взгляд, термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) очень похож на ядерный. В обоих случаях используется тепловая энергия, образующаяся при превращении атомов одних химических элементов в другие. С той лишь разницей, что в ядерном двигателе крупные атомы распадаются на более мелкие, а в термоядерном — наоборот, из маленьких атомов образуются более крупные. Традиционно считается, что термоядерный двигатель будет мощнее ядерного, но здесь стоит разобраться в том, о каких же именно термоядерных реакциях идет речь.
Первое, что надо выяснить относительно термоядерных ракетных двигателей — это то, что к ним, как и к ядерным, относятся системы как прямого, так и непрямого термоядерного питания. Термоядерные двигатели с непрямым питанием — это те же ионные и плазменные двигатели, но источником энергии для них является термоядерный реактор. Они мощные, однако имеют такие же ограничения, что и остальные ионные и плазменные двигатели.
В двигателях прямого действия удельный импульс образуется в результате термоядерной реакции, происходящей непосредственно в камере. И вот здесь может быть несколько вариантов. Первое, что приходит на ум — это протон-протонный цикл. Именно он является основой термоядерных реакций в каждой звезде. Его схема выглядит следующим образом:
p + p → 2H + e+ + νe + 0,42 МеВ
2H + p → 3He + γ + 5,49 МеВ
3He + 3He → 4He + 2p + 12,85 МеВ
Полный протон-протонный цикл дает неплохой энергетический выход, который действительно мог бы обеспечить и удельный импульс, измеряемый десятками тысяч м/с, и мощность. Но получить необходимые условия для его протекания пока нереально. Для этого нужны высокие температуры и давление, которые на звездах образуются благодаря гравитации, а эффективно заменить ее магнитными полями мы не в состоянии.
Вторая возможная реакция — дейтерий-тритиевая:
2H + 3H = 4He + n +17,6 МеВ
Эта реакция также дает значительный энергетический эффект. Исходные вещества для нее довольно распространены. К тому же современные технологии позволяют относительно просто ее реализовывать. «Относительно просто» в данном случае означает, что это теоретически возможно с имеющимися технологиями. Поэтому, когда говорят о термоядерном двигателе, то прежде всего имеют в виду дейтерий-тритиевые реакции, которые действительно потенциально могут обеспечить большую мощность, чем ядерные. Проблема с этой реакцией одна — огромное количество нейтронов. Они не только забирают с собой значительную часть мощности, но и бомбардируют все вокруг, в результате чего возникает необходимость создания тяжелой брони вокруг такого двигателя, потому что он фактически является постоянно действующей нейтронной бомбой.
Третья возможная реакция — дейтерий – гелий-3:
2H + 3He = 4He + p +18,3 МеВ
Эта реакция также часто упоминается как перспективная. Она мощнее предыдущей и большого избытка нейтронов в ее результате не наблюдается. Технически сделать двигатель на ее основе ненамного сложнее. Однако гелий-3 — достаточно редкое вещество. Даже незначительные его залежи на Луне (всего 0,01 г на тонну реголита) могут быть одной из основных причин для построения базы на спутнике Земли.
Существует несколько других термоядерных реакций, которые по тем или иным причинам менее популярны:
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
Все эти реакции не приводят к появлению избытка нейтронов, но имеют слишком низкий энергетический выход или требуют экзотических веществ в качестве термоядерного топлива.
Основные проблемы реализации ТЯРД
По сути, любой термоядерный ракетный двигатель является термоядерным реактором, открытым для выделения массы и энергии с одной стороны. А значит, проблемы у этого двигателя такие же, что и у термоядерного реактора. Реакции происходят при высокой температуре — в сотни миллионов градусов. К тому же должны быть выполнены несколько дополнительных условий. Указанную температуру надо удерживать достаточно долго, а образующаяся при этом высокотемпературная плазма не должна разрушать сам двигатель или реактор.
Теоретические основы для решения этих проблем известны давно. Люди уже несколько десятилетий строят термоядерные реакторы, но только недавно на лучшем из них получили выход энергии, который был бы соизмерим с ее затратами. Стабильной же термоядерной реакции, которая бы позволила производить электричество, человечество не может получить до сих пор. Потому что теоретические рассуждения — это одно, а конкретная техническая реализация — совсем другое.
С термоядерными двигателями дела еще хуже. Первая статья, в которой описывалось такое устройство, была написана еще в 1958 году, но с тех пор ни одного лабораторного образца термоядерного двигателя мир не увидел. И ни один из предложенных проектов дальше концепта не пошел. Но сейчас уже есть несколько схем, которые позволят получить ракетный импульс от термоядерной реакции и не приведут при этом к взрыву корабля.
ТЯРД с магнитным удержанием
Первый способ, который предлагается для создания термоядерного ракетного двигателя — это переделка термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы в открытую систему. Также этот вариант известен под названием «магнитная бутылка». В реакторах, известных как токамаки и стелараторы, разогретая до миллионов градусов плазма удерживается от контакта со стенками с помощью магнитного поля.
В термоядерном двигателе с магнитным удержанием происходит то же самое. Его даже необязательно делать герметичным. Достаточно создать прочный каркас, на котором будут расположены магнитные катушки. Термоядерная реакция будет происходить постоянно внутри магнитного поля, и раскаленная плазма через сопло, вроде того, что используется в плазменных двигателях, будет выбрасываться наружу, создавая при этом постоянную тягу.
Преимуществом такого двигателя является то, что он достаточно легко удерживает плазму благодаря ее низкой плотности. Главной же его проблемой является то, что самоподдерживающаяся термоядерная реакция остается нереализованной, и до сих пор неизвестно, насколько легко будет ее стабильно поддерживать.
Единственный на сегодня концепт космического корабля с таким двигателем — Discovery II, разработанный NASA. Он заключается в создании космического корабля, который сможет доставить полезный груз массой 172 тонны с околоземной орбиты на юпитерианскую за 118 дней, использовав при этом 861 тонну водорода.
Импульсный ТЯРД
Другой способ заставить термоядерную реакцию выполнять роль двигателя — взорвать в камере небольшую порцию термоядерного топлива с помощью мощного лазера. Сама камера представляет собой «магнитную бутылку», только более мощную, чем в предыдущем случае, ведь плотность и количество энергии в этом случае значительно выше.
Преимущества и недостатки такого двигателя прямо противоположны предыдущим. Сам по себе подрыв топливной таблетки с дейтерием, тритием или гелием не представляет проблемы. В лабораториях такие опыты неоднократно успешно проводились. Проблему создает именно магнитное поле, которое должно быть чрезвычайно мощным и надежным.
В отличие от предыдущей схемы, термоядерные взрыватели предлагались уже не раз. В частности проект «Дедал», который был выдвинут Британским космическим обществом в 1970-х и заключался в запуске к звезде Барнарда космического зонда, должен был работать на дейтерий-гелиевых таблетках. У другого проекта VISTA ожидался совершенно фантастический удельный импульс — 157 000 км/с. При таком импульсе 100-тонный корабль мог долететь до Марса и вернуться обратно всего за 130 дней. Но ни один из этих проектов так и не был реализован.
Магнитно-инерционный ТЯРД
Более современной по сравнению с предыдущими является схема на основе магнитно-инерционного синтеза. Она сочетает в себе преимущества обоих методов. Так же, как и в случае магнитного удержания, на начальном этапе плазма разогревается с помощью электромагнитного поля. Благодаря этому сохраняется ее невысокая плотность. Затем с помощью ускорителя плазма резко сжимается, и в этот момент ее «поджигает» лазер.
Таким образом, нет необходимости все время использовать чрезвычайно мощные электромагнитные поля, и надежность системы возрастает. Единственный на сегодня проект космического корабля по этой схеме также разработан в NASA. Он предусматривает доставку 164-тонного груза на орбиту вокруг Юпитера за 250-330 дней при использовании 106-165 тонн дейтериево-тритиевой или дейтериево-гелиевой композиции.
ТЯРД с электростатическим удержанием плазмы
Еще одна идея создания термоядерного реактора заключается в применении электростатического удержания плазмы. Действительно, зачем придумывать схему с использованием «магнитной бутылки», внутри которой еще необходим электрический разряд, разогревающий плазму, если можно просто создать чрезвычайно мощное электростатическое поле, которое будет давить на ионы плазмы со всех сторон и сжимать их, пока не начнется термоядерная реакция.
Обычно такие установки имеют вид сферы, что делает их непригодными для создания на их основе ТЯРД прямой тяги. Но уже достаточно давно существуют установки электростатического удержания плазмы с цилиндрическими камерами, которые можно применить для изготовления двигателя.
Правда, до сих пор такие устройства — например, фузоры Фарнсуорта-Гирша — использовались не столько как источник энергии, сколько как источник нейтронов, так как при всей своей простоте эти устройства вырабатывают энергию именно в виде нейтронов. При этом проект космического корабля на основе ЯРД с электростатическим удержанием плазмы существует. Его разработали в университете Иллинойса и называется он Fusion Ship ІІ.
ТЯРД на основе антипротонного катализа
Отдельно стоит сказать о термоядерных двигателях, которые используют для «зажигания» термоядерной реакции антивещество. Этот концепт не надо путать с анигиляционным двигателем. В последнем тяга полностью создается реакцией протонов с антипротонами, и такой двигатель действительно чрезвычайно мощный и способен ускорять корабли эффективнее, чем ядерные и термоядерные двигатели. Однако фантастическая цена антивещества, значительно дороже даже гелия-3, делает такой двигатель недостижимым в ближайшем будущем.
Но в термоядерных двигателях с антипротонным катализом антивещество используется только для того, чтобы «поджечь» «таблетку» с термоядерным топливом. Аннигиляция создает чрезвычайно большую плотность энергии, и антипротонов для «поджигания» нужно очень немного. Все это дает прекрасную возможность для модернизации импульсных и магнитно-инерционных ТЯРД.
Вместо того чтобы использовать массивные лазеры и электромагнитные пушки, которые будут сжимать и поджигать дейтерий-тритиевую плазму, можно иметь лишь крошечный бак с антивеществом, которого на сотни тонн термоядерного топлива необходимо всего несколько граммов, и крошечную электромагнитную пушку, которая будет стрелять этим антивеществом по таблеткам с термоядерным топливом.
ТЯРД на основе дейтерий-гелиевой термоядерной реакции с аннигиляционным катализом чисто с технической точки зрения является самым простым и самым мощным термоядерным двигателем, который можно построить. Теоретически это можно сделать даже сейчас. Но именно в этом типе двигателя используется сразу две экзотические составляющие топлива — гелий-3 и антивещество, что делает его работу самой дорогой из всех возможных.
Прямоточный двигатель Бассарда
Термоядерный ракетный двигатель теоретически может быть настолько мощным, что его уже можно использовать для достижения релятивистских скоростей и межзвездных перелетов. Но есть одна большая проблема, которую можно проследить даже на примере проектов кораблей, предназначенных для полетов к Юпитеру. Термоядерное топливо для них должно быть в количестве сотен тонн. В случае полета к другим звездам речь идет уже о сотнях тысяч тонн, что сильно увеличивает и так немаленькие размеры космического корабля.
Решение этой проблемы предложил в 1960 году физик Роберт Бассард. Его концепция известна сейчас как «прямоточный термоядерный двигатель Бассарда» или просто «прямоточный Бассарда». Дело в том, что межзвездная среда не совсем пустая — в ней встречаются молекулы вещества. Их можно собрать мощным магнитным полем, которое, будто зонтик, раскрывается впереди корабля и по силовым линиям которого эти частицы попадают на борт, где их уже можно использовать как топливо.
При всей простоте этой концепции, возникает целый ворох проблем, заметных уже на стадии теоретического обсуждения проекта. Первая из них — это то, что межзвездная среда таки очень разреженная, и для эффективной работы «магнитный зонтик» должен иметь тысячи и десятки тысяч километров в диаметре, что приводит к огромным затратам энергии на его поддержание.
Вторая проблема — в межзвездной среде распространен преимущественно водород, а не дейтерий или тритий. А протон-протонный цикл, как уже было сказано, применить крайне проблематично. Одним из решений этой проблемы может быть применение «запалов» из углерод-кислородных термоядерных или аннигиляционных реакций, однако эффективность такой схемы сомнительна.
Другим выходом является бомбардировка потоком полученных протонов мишени из лития и бора, в результате чего начнут происходить литий-протонные или бор-протонные термоядерные реакции. Но их мощность достаточно невелика.
Третьей и самой большой из проблем является то, что «магнитный зонтик» начнет не столько захватывать частицы, сколько тормозить корабль. Вследствие этого вся концепция может оказаться бессмысленной. Одним из возможных решений всех трех проблем могло бы быть движение «прямоточника» по заранее подготовленным трассам. Этот метод лучше всего применять для полетов на окраинах Солнечной системы, хотя и для межзвездной среды он тоже подходит.
Способ базируется на убеждении, что разогнать облако газа до скорости в несколько десятков тысяч километров в секунду значительно легче, чем корабль. Поэтому можно, зная направление полета, «обстрелять» сгустками ионизированных частиц участки космоса по его курсу, создав своеобразную трассу из концентрированного газа, который гораздо легче собрать и использовать как термоядерное топливо. Поскольку это вещество будет достаточно концентрированным, то магнитная ловушка для его захвата должна быть значительно меньше, что обеспечит экономию энергии, а ее работа будет меньше тормозить корабль. К тому же «выстилать» такую трассу можно не только водородом, но и дейтерием, тритием или гелием, что позволит использовать более простые и мощные термоядерные реакторы.
Реален ли термоядерный двигатель?
Ко всему сказанному выше есть лишь один, но очень весомый комментарий. Никто до сих пор стопроцентно не уверен, что термоядерный двигатель возможен. То есть с теоретическими рассуждениями все хорошо. Но наука имеет дело с теориями, которые проверяются экспериментами. А в технических науках экспериментом является рабочий образец технологии.
Термоядерный ракетный двигатель — технология, рабочий образец которой до сих пор никто даже не пытался строить. И базируется он на управляемом термоядерном синтезе — методе, который не могут реализовать уже несколько десятилетий. С неуправляемой реакцией проблем нет, но это — просто термоядерный взрыв.
Вероятно, термоядерный двигатель вообще невозможно построить. Тогда наши мечты о нем так навсегда и останутся мечтами. И это будет очень плохо, потому что из всех хоть немного нефантастических технологий именно ТЯРД может сделать полет к внешним планетам Солнечной системы и другим звездам если не настолько привычным, как авиаперелет, то хотя бы таким, как морское путешествие.
Автор: кандидат технических наук Александр Бурлака
Эта статья была опубликована в №6 (188) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной версии можно в нашем магазине.
