Введение
Ракета, работающая на энергии ядерного синтеза
Фьюжн-ракета – это теоретическая конструкция ракеты, использующей термоядерный двигатель, способная обеспечить эффективное и продолжительное ускорение в космосе без необходимости нести большой запас топлива. Реализация этой конструкции требует технологий ядерного синтеза, превосходящих современные возможности, а также значительно более крупных и сложных ракет. Термоядерный импульсный двигатель – один из способов использования энергии ядерного синтеза для создания тяги. Главное преимущество термоядерного синтеза – его очень высокий удельный импульс, а главный недостаток – (вероятная) большая масса реактора. Фьюжн-ракета может производить меньше радиации, чем ракета на делении, что снижает потребность в защитном экранировании. Самый простой способ создания фьюжн-ракеты – использование водородных бомб, как предлагалось в проекте «Орион», однако такой космический аппарат был бы чрезвычайно массивным, а Договор о частичном запрещении ядерных испытаний запрещает использование подобных бомб. Поэтому ракеты, основанные на бомбах, вероятно, будут ограничены работой только в космосе. Альтернативный подход заключается в использовании электрической (например, ионной) тяги, с электроэнергией, вырабатываемой в результате термоядерного синтеза, вместо прямой тяги.
Производство электроэнергии против прямой тяги
Методы движения космических аппаратов, такие как ионные двигатели, требуют электрической энергии для работы, но отличаются высокой эффективностью. В некоторых случаях их тяга ограничена количеством генерируемой мощности (например, электромагнитным ускорителем). Электрогенератор, работающий на энергии термоядерного синтеза, мог бы приводить в движение такой корабль. Одним из недостатков является то, что традиционное производство электроэнергии требует низкотемпературного отвода тепла, что сложно (то есть требует значительной массы) в космическом аппарате. Прямое преобразование кинетической энергии продуктов синтеза в электричество смягчает эту проблему. Одной из привлекательных возможностей является направление продуктов термоядерного синтеза непосредственно в сопло ракеты для создания тяги без промежуточного производства электроэнергии. Это было бы проще реализовать с некоторыми схемами удержания плазмы (например, магнитными ловушками), чем с другими (например, токамаками). Это также более выгодно для использования "продвинутых видов топлива" (см. анейтронный синтез). Двигатель на гелии-3 будет использовать термоядерный синтез атомов гелия-3 в качестве источника энергии. Гелий-3, изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном, может быть синтезирован с дейтерием в реакторе. Выделяющаяся при этом энергия может выбрасывать рабочее тело из сопла космического аппарата. Гелий-3 рассматривается в качестве источника энергии для космических аппаратов главным образом из-за его распространенности на Луне. Ученые оценивают, что на Луне присутствует 1 миллион тонн доступного гелия-3. Только 20% энергии, выделяющейся в результате реакции D-T, можно использовать таким образом; остальные 80% высвобождаются в виде нейтронов, которые, поскольку ими нельзя управлять магнитными полями или твердыми стенками, сложно направить для создания тяги и которые, в свою очередь, могут потребовать защиты. Гелий-3 образуется в результате бета-распада трития, который можно получить из дейтерия, лития или бора. Даже если не удастся создать самоподдерживающуюся реакцию синтеза, можно использовать синтез для повышения эффективности другой двигательной установки, например, двигателя VASIMR.
Магнитные
Чтобы поддерживать реакцию термоядерного синтеза, плазму необходимо удерживать в ограниченном объеме. Наиболее изученной конфигурацией для наземного термоядерного синтеза является токамак – форма магнитного удержания плазмы. В настоящее время токамаки имеют значительный вес, что делает соотношение тяги к весу неприемлемым. В 2001 году Исследовательский центр NASA имени Гленна предложил сферический тороидальный реактор с малым соотношением сторон для своего концептуального проекта транспортного средства "Discovery II". "Discovery II" мог бы доставить экипаж с полезной нагрузкой в 172 метрические тонны на Юпитер за 118 дней (или на Сатурн за 212 дней), используя 861 метрическую тонну водородного топлива и 11 метрических тонн топлива для термоядерного синтеза – гелия-3 и дейтерия (D He3). Водород нагревается обломками плазмы для увеличения тяги, но это происходит за счет снижения скорости истечения газов (348–463 км/с) и, как следствие, увеличения массы топлива.
Инерционный
Основной альтернативой магнитному удержанию является инерциальный термоядерный синтез (ICF), как, например, в проекте «Дедал». Небольшая мишень из термоядерного топлива (диаметром в несколько миллиметров) будет зажжена электронным лучом или лазером. Для создания прямой тяги магнитное поле формирует толкающую пластину. В принципе, можно использовать реакцию гелия-3 с дейтерием или безнейтронную реакцию термоядерного синтеза для максимизации энергии заряженных частиц и минимизации излучения, однако техническая осуществимость использования этих реакций вызывает серьезные сомнения. Оба детальных проектных исследования 1970-х годов – двигатель «Орион» и проект «Дедал» – использовали инерциальное удержание. В 1980-х годах Национальная лаборатория имени Лоуренса Ливермора и НАСА изучали аппарат «Vehicle for Interplanetary Transport Applications» (VISTA) с использованием ICF. Конический космический аппарат VISTA мог бы доставить полезную нагрузку в 100 тонн на орбиту Марса и вернуться на Землю за 130 дней, или на орбиту Юпитера и обратно за 403 дня. Для этого потребуется 41 тонна топлива для термоядерного синтеза дейтерия/трития (D-T), а также 4124 тонны водородного рабочего тела. Скорость истечения продуктов реакции составит 157 км/с.
Магнитная цель
Магнитизированный целевой синтез (MTF) – относительно новый подход, сочетающий в себе лучшие характеристики более изученных методов магнитного удержания (т.е. хорошее удержание энергии) и инерциального синтеза (т.е. эффективный нагрев сжатием и удержание плазмы без стенок). Как и в случае магнитного удержания, топливо для синтеза удерживается магнитными полями при низкой плотности и нагревается до состояния плазмы, но, подобно инерциальному синтезу, реакция синтеза инициируется быстрым сжатием мишени для резкого увеличения плотности и, следовательно, температуры топлива. MTF использует "плазменные пушки" (т.е. методы электромагнитного ускорения) вместо мощных лазеров, что обеспечивает низкую стоимость и малый вес компактных реакторов. Группа NASA/MSFC по исследованию дальних планет с экипажем (HOPE) исследовала космический аппарат с двигателем на основе MTF, способный доставить полезную нагрузку в 164 тонны на спутник Юпитера Каллисто, используя 106 165 метрических тонн топлива (водород плюс топливо для синтеза D-T или D-He3) за 249–330 дней. Эта конструкция будет значительно меньше и экономичнее благодаря более высокой скорости истечения (700 км/с), чем у ранее упомянутых концепций "Discovery II" и "VISTA".
Инерционный электростатический
Другая популярная концепция удержания для ракет термоядерного синтеза – инерциальное электростатическое удержание (IEC), как, например, в Farnsworth Hirsch Fusor или модификации Polywell, разрабатываемой компанией Energy Matter Conversion Corporation (EMC2). Университет Иллинойса предложил концепцию 500-тонного "Корабля синтеза II", способного доставить экипаж весом 100 000 кг на спутник Юпитера Европу за 210 дней. "Корабль синтеза II" использует ионные ракетные двигатели (скорость истечения 343 км/с), питаемые от десяти термоядерных реакторов D-He3 IEC. Для совершения годичного путешествия туда и обратно к системе Юпитера этой концепции потребуется 300 тонн аргонового топлива. Роберт Буссар опубликовал серию технических статей, посвященных применению этой технологии в космических полетах на протяжении 1990-х годов. Его работа была популяризирована в журнале Analog Science Fiction and Fact, где Том Лигон описал, как фузор может стать высокоэффективной ракетой на термоядерном синтезе.
Антивещество
Еще более спекулятивной концепцией является ядерный импульсный двигатель, использующий антиматерию в качестве катализатора для реакций деления и синтеза, что позволило бы создавать гораздо менее мощные взрывы синтеза. В 1990-х годах в Университете штата Пенсильвания была предпринята неудачная попытка разработки такого двигателя под названием AIMStar. Реализация этого проекта потребует количества антиматерии, превышающего наши производственные возможности. Кроме того, необходимо преодолеть ряд технических сложностей, прежде чем это станет осуществимым.