[Перевод] «Всё, что мы знаем о космических полётах, изменится в течение десятилетия»: термоядерный синтез приведёт нас к звёздам

«Всё, что мы знаем о космических полётах, изменится в течение десятилетия»: термоядерный синтез приведёт нас к звёздам

Простой

10 мин

321

Перевод

Несколько компаний добились значительного прогресса в разработке термоядерных двигателей. Стоит ли человечество на пороге революции в космических полётах?

Космические полёты на энергии термоядерного синтеза давно сулят возможность стремительных путешествий по Солнечной системе: до Марса за недели, до Сатурна за месяцы, до Плутона за годы.

Десятилетиями эти возможности оставались чисто теоретическими, словно их взяли со страниц фантастического романа. Но теперь несколько компаний работают над созданием практически применимых термоядерных ракетных двигателей и уже достигли важных рубежей.

Британский стартап Pulsar Fusion надеется провести демонстрационный полёт в космос в 2027 году, а Принстонский университет и американская компания Helicity Space продолжают работу над собственными термоядерными двигателями.

Если хотя бы одна из этих разработок окажется успешной, перед роботизированными и пилотируемыми миссиями по всей Солнечной системе могут открыться совершенно новые возможности, и человечество действительно превратится в космический вид.

«Если мы продолжим двигаться по нынешней траектории, всё, что мы знаем о космических полётах, изменится в течение десятилетия», — сказал Live Science Стефан Линтнер, генеральный директор и сооснователь Helicity Space.

Но не слишком ли это хорошо, чтобы быть правдой? Сможет ли мечта о термоядерном двигателе когда‑нибудь полностью воплотиться в жизнь или так и останется фантазией на бумаге? После десятилетий мечтаний мы, возможно, наконец приближаемся к ответу.

Энергия термоядерного синтеза

Ядерный синтез — это процесс, при котором два атома объединяются, или сливаются, образуя более тяжёлый атом и выделяя избыточную энергию в виде света и тепла. Самый известный пример такого процесса происходит внутри Солнца при температурах до 15 миллионов градусов Цельсия, где атомы водорода сливаются, образуя гелий.

Если бы этот процесс удалось воспроизвести на Земле, мы получили бы огромное количество энергии. «Святой Грааль наших поисков — это бесплатная энергия для всех», — сказал Линтнер. Целые города и страны могли бы преобразиться, ознаменовав начало новой эпохи чистой и практически неисчерпаемой энергетики.

Было проведено множество экспериментов и испытаний, а крупные термоядерные установки, такие как Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции, находятся в стадии строительства. Однако коммерчески жизнеспособные термоядерные реакторы пока так и не созданы. Одна из главных проблем — удерживать турбулентную сверхгорячую плазму, необходимую для синтеза, и поддерживать нужную температуру. Текущий рекорд удержания составляет 22 минуты.

Но если взять ту же концепцию и перенести её в космос, внезапно возникает способ приводить в движение космический аппарат. Более того, проблемы с длительным удержанием плазмы становятся менее острыми. Вместо этого плазму можно выбрасывать из аппарата наружу, создавая постоянную тягу, которая позволит разгонять корабль до огромных скоростей в безвоздушном пространстве.

«В некоторых отношениях термоядерная тяга сложнее производства энергии на Земле, а в некоторых — проще», — сказала Live Science Бхувана Шринивасан, профессор аэронавтики и астронавтики Вашингтонского университета.

Такой корабль можно было бы разогнать до сотен или даже тысяч километров в секунду — во много раз быстрее любого аппарата в истории. В самом оптимистичном сценарии он смог бы достигать заметной доли скорости света, сделав возможными межзвёздные полёты.

Разумеется, трудностей огромное количество. Космический термоядерный реактор должен быть достаточно компактным, чтобы поместиться на аппарате, который ещё нужно вывести ракетой. Это непросто, учитывая, что установки вроде ITER имеют размеры с дом. Кроме того, требуется способ создавать колоссальные температуры, необходимые для термоядерной реакции, источник топлива и рабочего тела, а также мощные магниты, не позволяющие плазме прожечь стенки двигателя.

Чтобы получить сколько‑нибудь значимую тягу, каждую секунду должны происходить ошеломляющие количества термоядерных реакций. Квинтиллион реакций даст примерно 10 ньютонов тяги — примерно столько же весит литровая бутылка воды у вас в руке. Но если обычные химические двигатели работают считанные минуты, то термоядерный двигатель сможет создавать эту тягу месяцами, что в конечном итоге позволит достичь огромных скоростей.

На первый взгляд всё это звучит почти невозможным. Однако некоторые недавние испытания показали, что такая технология вполне может быть осуществима.

Первая плазма

В марте Pulsar Fusion впервые продемонстрировала получение «первой плазмы» внутри термоядерного двигателя. Во время испытания на предприятии компании в Блетчли один из двигателей Sunbird на короткое время превратил газообразный криптон в плазму, продемонстрировав, как компания может удерживать плазму внутри выхлопной системы.

Испытание показало, что «плазма действительно остаётся в той части системы, где мы хотим её удерживать», будучи заключённой в электромагнитном поле, рассказал Live Science основатель и генеральный директор компании Ричард Динан. «Теперь самое сложное — научиться нагревать плазму до температур, близких к необходимым для синтеза».

Динан основал Pulsar Fusion в 2011 году с целью создать термоядерную двигательную установку. Компания планирует осуществлять синтез гелия-3 и дейтерия — более лёгкой формы гелия и более тяжёлой формы водорода — и использовать выделяемую энергию для нагрева гелия-4, который затем будет выбрасываться в качестве рабочего тела, создавая тягу. Количество тяги будет зависеть от того, «насколько хорошо вы умеете направлять эти частицы назад, из кормовой части аппарата», сказал Динан. «А сейчас никто не знает, насколько эффективной может быть эта система».

По словам Динана, для поддержания термоядерной реакции во время полёта к Марсу потребуется всего несколько сотен граммов дейтерия и гелия-3, однако для создания тяги, необходимой для достижения желаемых скоростей, ракете понадобится от 10 до 20 метрических тонн дейтерия в качестве рабочего тела.

Если всё заработает, планы у компании весьма амбициозные. Pulsar Fusion представляет себе целые флотилии аппаратов Sunbird, курсирующих по Солнечной системе и перевозящих людей и грузы со скоростью до 529 000 км/ч — примерно в десять раз быстрее, чем сейчас движется аппарат Voyager 1 за пределами Солнечной системы.

На таких скоростях, которые, разумеется, достигаются не мгновенно, поскольку разгон и торможение занимают месяцы, время полёта к Марсу можно будет сократить вдвое по сравнению с девятью месяцами, необходимыми при использовании обычной химической тяги. Поскольку термоядерный двигатель эффективнее и требует меньше топлива, освободится масса для оборудования. Станут возможны и более быстрые миссии к гораздо более далёким объектам, например к спутнику Сатурна Титану или богатому металлами астероиду Психея.

«Думаю, мы увидим термоядерную тягу довольно скоро, — сказал Динан. — Спрос на неё определённо существует».

Миллиард градусов

Метод Pulsar Fusion называется двухрежимным прямым термоядерным двигателем: образующаяся при реакции плазма непосредственно используется для создания тяги. Над похожей концепцией, Direct Fusion Drive, работает профессор физики Принстонского университета Сэмюэл Коэн в рамках проекта Starfire.

Коэн и его команда исследуют эту идею уже более 20 лет. Они хотят проводить синтез дейтерия и гелия-3, который редко встречается на Земле, но в изобилии присутствует на Луне. Команда построила в Принстоне прототип термоядерного двигателя, в котором температура плазмы достигает 10 миллионов градусов Цельсия.

«Это начало, но нам нужно добраться до миллиарда градусов» Цельсия, чтобы происходил синтез дейтерия и гелия-3, сказал Коэн Live Science. Есть несколько многообещающих способов достичь таких температур, в том числе сжатие плазмы или её нагрев радиочастотными либо нейтронными пучками.

Используя нынешнюю плазму, команда, по словам Коэна, уже продемонстрировала небольшую тягу — несколько миллиграммов, или несколько стотысячных долей ньютона. Теперь исследователи надеются получить дополнительное финансирование, чтобы продолжить работу. «Нам нужно несколько миллионов долларов, чтобы запустить всё по‑настоящему», — сказал Коэн.

При достаточной поддержке, считает он, рабочая термоядерная двигательная установка может появиться через 10–20 лет. Тем временем Pulsar Fusion, получившая поддержку Европейского космического агентства и Управления по атомной энергии Великобритании, надеется провести орбитальную демонстрацию своих двигателей уже в 2027 году.

Helicity Space планирует запустить свою термоядерную двигательную установку в 2030-х годах. Компания, привлёкшая в 2023 году 5 миллионов долларов, разрабатывает Helicity Drive, использующий не непрерывную термоядерную реакцию, а импульсы плазмы.

«Если вы получаете одну реакцию каждые несколько секунд, на Земле это потрясающий научный эксперимент, но практически ничего с этим сделать нельзя, — сказал Линтнер. — В космосе же у вас получается самый совершенный электрический двигатель из когда‑либо созданных. Это полностью меняет правила игры».

По словам Линтнера, компания намерена «очень, очень скоро» достичь температур, необходимых для синтеза, а затем «в течение трёх лет запустить первый прототип». К 2030-м годам он надеется добиться в двигателях положительного энергетического баланса, то есть получать больше энергии, чем затрачивается, и создать настоящий термоядерный двигатель, пригодный для использования в космосе.

К межзвёздным путешествиям

Однако не все убеждены, что термоядерные двигатели действительно начнут возить нас по Солнечной системе. Джон Слау, работающий над собственной конструкцией под названием Fusion Driven Rocket (FDR), говорит, что с осторожностью относится к «ложным обещаниям» в этой области. Он отмечает, что фундаментальная физика термоядерной тяги по‑прежнему чрезвычайно сложна.

«Нам всё ещё нужны научные открытия, чтобы двигаться дальше, — сказала Шринивасан. — Нужно понять, как поддерживать топливо в стабильном состоянии. Решили ли мы уже множество инженерных и научных задач? Нет. В следующем году этого точно не произойдёт».

Среди остающихся проблем не только стабильность плазмы, но и разработка стенок, способных её выдерживать, а также уменьшение всей термоядерной установки до размеров, позволяющих разместить её на космическом аппарате, добавила она.

Более перспективными могут оказаться другие виды ядерной тяги. NASA разрабатывает SR-1 Freedom — космический аппарат, работающий не на термоядерном синтезе, а на ядерном делении. О проекте объявили в марте, и планируется, что аппарат отправится к Марсу в декабре 2028 года и доставит туда три небольших роботизированных вертолёта для исследования поверхности. Реактор будет расщеплять уран-235 для создания тяги.

«SR-1 Freedom проложит дорогу космической ядерной технике, — сообщил Live Science по электронной почте директор программы Space Reactor-1 Freedom NASA Стивен Синакоре. — Чтобы постоянно присутствовать на Луне, отправлять экипажи на Марс и исследовать внешнюю часть Солнечной системы, стране нужен источник энергии, который работает везде, независимо от Солнца. Таким источником является ядерное деление».

Однако двигатели на ядерном делении, хотя и чрезвычайно полезны, не способны обеспечить скорости, обещаемые термоядерными установками. Причина в том, что в термоядерных системах плазма удерживается магнитным полем, поэтому в них можно достигать гораздо более высоких температур. Температуры в реакторах деления, напротив, ограничены свойствами материалов, из которых изготовлен сам реактор.

Если же какая‑либо из предложенных концепций термоядерного двигателя станет реальностью, возможности окажутся огромными. В прошлом году Елена Анкона, специалист по динамике полёта из Политехнического университета Бари в Италии, и её коллеги описали, как прямой термоядерный двигатель мог бы позволить отправить миссию к Седне — далёкой ледяной карликовой планете далеко за орбитой Нептуна. Для такой миссии время особенно важно.

Седна достигнет ближайшей к Солнцу точки своей орбиты в 2075 году, а затем снова окажется так близко лишь через 11 000 лет. «Если мы хотим осуществить эту миссию, то либо сейчас, либо через 11 тысяч лет», — сказала Анкона. При использовании обычного химического двигателя запуск пришлось бы осуществить за 30 лет до прибытия. Но с термоядерной тягой долететь до Седны можно было бы всего за 10 лет.

Если термоядерные двигатели станут реальностью, в пределах нашей досягаемости окажется множество новых целей. Возможно, в гораздо более отдалённом будущем станут возможны даже межзвёздные путешествия.

«Люди ещё с 1960-х годов понимали, что термоядерный синтез — это ответ на проблему полётов в дальний космос, — сказал Линтнер. — Но лишь в последнее десятилетие компании начали всерьёз тратить время и деньги на то, чтобы разгадать этот термоядерный код».

Однако путь ещё очень долгий. «Это занятие не для слабонервных», — сказал Линтнер.

Но если термоядерная тяга вообще когда‑нибудь станет реальностью, то ближайшие несколько лет выглядят для этого многообещающе.

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку