Кіріспе
Ядролық синтез қуатымен жұмыс істейтін зымыран
Ядролық синтез қуатымен жұмыс істейтін зымыран – теориялық құрылымдама, ол ядролық синтез арқылы қозғалатын және ғарышта үлкен жанармай қорын алып жүру қажеттілігінсіз тиімді және үздік үдеуді қамтамасыз ете алады. Бұл құрылымдама қазіргі мүмкіндіктерден асып түсетін ядролық синтез технологиясын және әлдеқайда үлкен әрі күрделі зымырандарды талап етеді. Ядролық синтез импульстік қозғалтқышы – ядролық синтез энергиясын пайдаланып, жылдамдатуды қамтамасыз етудің бір жолы. Ядролық синтездің басты артықшылығы – оның өте жоғары специфик импульсі, ал басты кемшілігі – реактордың (болжамды) үлкен массасы. Ядролық синтез зымыраны бөліну зымыранына қарағанда аз радиация шығаруы мүмкін, бұл қажетті қорғаныс массасын азайтады. Ядролық синтез зымыранын жасаудың ең оңай жолы – Орион жобасында ұсынылғандай, сутекті бомбаларды пайдалану, бірақ мұндай ғарыш кемесі өте үлкен болады және Жарым-жартылай ядролық сынақтарға тыйым салу шарты мұндай бомбаларды қолдануға тыйым салады. Сондықтан бомбаға негізделген зымырандар ғарышта ғана жұмыс істеуі мүмкін. Баламалы тәсіл тікелей итерудің орнына, ядролық синтез арқылы өндірілген электр қуатын пайдаланып, электрлік (мысалы, иондық) жетегін қолдануды қарастырады.
Электр энергиясын өндіруге қарсы тікелей қозғалтқыш
Ғарыш кемелерін қозғалысқа келтіру әдістері, мысалы иондық қозғалтқыштар, жұмыс істеу үшін электр қуатын қажет етеді, бірақ өте тиімді. Кейбір жағдайларда олардың итермелеу күші өндірілетін қуат мөлшерімен шектеледі (мысалы, масса жетегі). Мұндай кемеге термоядролық энергиямен жұмыс істейтін электр генераторы қуат бере алады. Бір кемшілігі – электр энергиясын өндіру үшін төмен температурадағы энергия қабылдағыш қажет, бұл ғарыш кемесінде қиын (яғни ауыр). Термоядролық реакция өнімдерінің кинетикалық энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыру бұл мәселені азайтады. Бір қызықты мүмкіндік – термоядролық газды ракетаның артқы жағына бағыттап, аралық электр энергиясын өндірмей, итермелеуді қамтамасыз ету. Бұл кейбір ұстау схемаларымен (мысалы, магниттік айналар) басқаларына қарағанда (мысалы, токамактар) оңайырақ. Сондай-ақ ол «жаңартылған отындар» үшін тартымдырақ (нейтрондық термоядролық реакцияға қараңыз). Гелий-3 қозғалтқышы гелий-3 атомдарының бірігуін қуат көзі ретінде пайдаланады. Гелийдің екі протоны мен бір нейтроны бар гелий-3 изотопы реакторда дейтериймен біріктірілуі мүмкін. Нәтижесіндегі энергияның бөлінуі ұшқыш затты ғарыш кемесінің артқы жағына шығарып жібереді. Гелий-3 ғарыш кемелеріне қуат көзі ретінде ұсынылады, негізінен оның Ай үстінде көп кездесуіне байланысты. Ғалымдардың бағалауынша, Айда қолжетімді 1 миллион тонна гелий-3 бар. DT реакциясынан өндірілген қуаттың тек 20% осылай пайдаланылуы мүмкін; ал қалған 80% нейтрондар түрінде шығарылады, оларды магниттік өрістер немесе қатты қабырғалар бағыттай алмайтындықтан, итермелеуге бағыттау қиын, және қосымша қорғау қажет болуы мүмкін. Гелий-3 тритийдің бета ыдырауы арқылы түзіледі, ал тритий дейтерийден, литийден немесе бордан алынуы мүмкін. Тіпті өзін-өзі ұстап тұратын термоядролық реакцияны жасау мүмкін болмаса да, басқа қозғалтқыш жүйесінің тиімділігін арттыру үшін термоядролық энергияны пайдалануға болады, мысалы VASIMR қозғалтқышы.
Магниттік
Бірлескен реакцияны қолдау үшін плазманы ұстап тұру қажет. Жердегі термоядролық синтездің ең көп зерттелген конфигурациясы – токамак, магниттік ұстау синтезінің бір түрі. Қазіргі токамактардың салмағы өте ауыр болғандықтан, итеру күші мен салмағының арақатынасы қанағаттандырмас сияқты. 2001 жылы NASA-ның Гленн зерттеу орталығы "Дискавери II" концептуалды көлігі үшін кішкентай аспекті қатынасы бар шар тәрізді тор реакторын ұсынды. "Дискавери II" 172 тонналық жүкпен экипажбен бірге 861 тонна сутекті отын мен 11 тонна гелий-3 дейтерий (D He3) синтездік отынын пайдаланып, Юпитерге 118 күнде (немесе Сатурнға 212 күнде) жете алады. Сутегі термоядролық плазманың қалдықтарымен қыздырылып, итеру күші артырылады, бірақ бұл құтқару жылдамдығын төмендетеді (348–463 км/с) және осылайша отын массасын арттырады.
Инерциялық
Магниттік тұтқындауға негізгі балама – Дэйдалус жобасы ұсынғандай, инерциялық тұтқындау термоядролық синтезі (ICF). Бірнеше миллиметр диаметрлі кішкентай термоядролық отын электронды сәуле немесе лазер арқылы тұтандырылады. Тікелей итергіш күшті жасау үшін магнит өрісі итергіш пластинаны құрайды. Теориялық тұрғыдан, зарядталған бөлшектердегі энергияны барынша арттыру және сәулеленуді азайту үшін гелий-3 дейтерий реакциясы немесе анейтрондық синтез реакциясын қолдануға болады, бірақ мұндай реакцияларды пайдалану техникалық жағынан қаншалықты мүмкін екені күмәнді. 1970 жылдардағы егжей-тегжейлі жобалау зерттеулері, Орион қозғалтқышы және Дэйдалус жобасы инерциялық тұтқындауды пайдаланды. 1980 жылдары Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасы және НАСА ICF арқылы жұмыс істейтін "Планетааралық көлік қолданбаларына арналған Көлік құралы" (VISTA) зерттеді. Конус тәрізді VISTA ғарыш кемесі 100 тонналық жүкпен Марс орбитасына 130 күнде жетіп, Жерге 130 күнде қайта оралуы мүмкін, ал Юпитер орбитасына 403 күнде жетіп, қайта оралуы мүмкін. 41 тонна дейтерий/тритий (DT) термоядролық отыны және 4124 тонна сутегі шығарушы зат қажет болады. Газ шығару жылдамдығы 157 км/с құрайды.
Магниттелген нысана
Магниттелген мақсатты қорыту (MTF) – кеңінен зерттелген магниттік тұтқындаудағы қорытудың (яғни, жақсы энергияны сақтау) және инерциялық тұтқындаудағы қорытудың (яғни, тиімді қысыммен қыздыру және плазманы қабырғасыз ұстау) ең жақсы қасиеттерін біріктіретін салыстырмалы түрде жаңа тәсіл. Магниттік тәсіл сияқты, қорыту отыны магниттік өрістермен төмен тығыздықта ұсталады және плазмаға дейін қыздырылады, бірақ инерциялық тұтқындау тәсілі сияқты, отын тығыздығы мен температурасын күрт арттыру үшін мақсатты жылдам қысу арқылы қорыту басталады. MTF қуатты лазерлердің орнына "плазмалық зеңбіректерді" (яғни, электромагниттік үдету техникаларын) пайдаланады, бұл төмен құнмен және жеңіл салмақты компактты реакторларға алып келеді. NASA/MSFC Human Outer Planets Exploration (HOPE) тобы 249–330 күн ішінде 106 165 тонна отынды (сутек және DT немесе DHe3 қорыту отыны) пайдаланып, 164 тонна жүкпен Юпитердің Каллисто айына жеткізе алатын экипажды MTF қозғалтқыш ғарыш кемесін зерттеді. Осылайша, бұл жоба бұрын аталған "Discovery II" және "VISTA" концепцияларына қарағанда әлдеқайда кішкентай және отынды тиімдірек болады.
Инерциялық электростатика
Фьюзиялық зымырандар үшін тағы бір танымал тұтқындау концепциясы – инерциялық электростатикалық тұтқындау (IEC), мысалы, Фарнсворт-Хирш фюзоры немесе Энергияны Материалға Айналдыру Корпорациясы (EMC2) әзірлеп жатқан Поливелл нұсқасы. Иллинойс университеті 210 күнде 100 000 кг экипажды жүкпен Юпитердің Еуропа спутнігіне жеткізе алатын 500 тонналық "Фьюжн Кеме II" концепциясын ұсынды. "Фьюжн Кеме II" он D He3 IEC фьюзиялық реакторларымен қуатталатын иондық зымыран қозғалтқыштарын (343 км/с шығарылатын газ жылдамдығы) пайдаланады. Бұл концепцияға Юпитер жүйесіне бір жылдық сапар үшін 300 тонна аргон қажет болады. Роберт Буссар 1990 жылдары ғарышқа ұшуға қатысты техникалық мақалалар сериясын жариялады. Оның еңбегі "Analog Science Fiction and Fact" журналындағы мақала арқылы танымал болды, онда Том Лигон фюзордың өте тиімді фьюзиялық зымыран ретінде қалай жұмыс істейтінін сипаттады.
Антиматерия
Тағы да болжамды тұжырымдама – антиматериялық катализделген ядролық импульстік қозғалыс, ол антиматерияны бөліну және синтез реакциясын катализдеу үшін пайдаланады, бұл нәтижесінде әлдеқайда кішкентай синтез жарылыстарын жасауға болады. 1990 жылдары Пенсильвания мемлекеттік университетінде AIMStar деген атпен сәтсіз жобалау жұмыстары жүргізілді. Бұл жобаға біз өндіре алатыннан көп антиматерия қажет болады. Сонымен қатар, оны іске асыру үшін бірнеше техникалық қиындықтарды еңсеру қажет.