Для прямых космических перелётов с использованием импульсных манёвров ракете необходимо развить скорость, достаточную для перехода между точками Солнечной системы. Современные сверхтяжёлые химические ракеты обладают запасом скорости, достаточным лишь для полёта к Луне. Космические аппараты отправляются в дальний космос не столько за счёт собственной тяги, сколько благодаря множеству гравитационных манёвров. Например, аппарат «Кассини» разгонялся к Сатурну, используя четыре гравитационные катапульты, и тормозил за счёт гравитации спутника Ио. Этот полёт занял семь лет, и для человеческой экспансии космоса такие скорости и сроки неприемлемы.
Изменить ситуацию можно, сменив физический принцип реактивного движения. Самый перспективный из них — термоядерный двигатель с магнитным удержанием плазмы (Direct Fusion Drive, DFD). Удивительно, но у двигателя, который часто описывают в контексте фантастической космонавтики, есть рабочий прототип в лаборатории физики плазмы в Принстоне, и до создания ракеты остался всего один шаг.
Физический принцип
Магнитные зеркала
Две катушки создают поле, в котором заряженные частицы перемещаются от одного края к другому и обратно, оставаясь внутри определённой области. В принципе, этого достаточно для создания термоядерного ракетного двигателя. Частицы словно отражаются от катушек, поэтому их называют магнитными зеркалами.
Магнитная бутылка
Электромагнитное поле оказывает сильное воздействие на частицы на поверхности воображаемой фигуры и более слабое внутри неё, поэтому частицы стремятся занять центр. Такое поле называют магнитной бутылкой или ловушкой, поскольку у него есть «плотные» стенки и «разреженная» внутренняя часть, куда можно «поместить» частицы. С увеличением энергии поля растёт и температура частиц, что должно инициировать реакцию термоядерного синтеза, подобную происходящей на Солнце. Затем выделяется ещё больше тепла. Сильно разогретые частицы стремятся преобразовать тепловую энергию в кинетическую и вылететь, но покинуть бутылку не просто — необходимо преодолеть барьер магнитного зеркала. Таким образом, реактивную струю формируют только частицы с высокой энергией, а остальные продолжают циркулировать внутри бутылки, пока не нагреются.
Принстонская конфигурация реверсивного поля
Похожий принцип работы характерен для многих термоядерных реакторов, однако у прототипа PFRC-2 (The Princeton Field-Reversed Configuration) в Лаборатории физики плазмы в Принстоне есть уникальная особенность. Плазма в центре бутылки сворачивается в кольцо, которое само действует как катушка с током. Поле внутри этого кольца направлено противоположно по сравнению с остальными участками бутылки.
Такое плазменное кольцо становится вихрем частиц, покинуть который сложнее всего. В результате центральная область бутылки может нагреваться до десятков и сотен миллионов градусов, в то время как окружающий газ остаётся значительно холоднее. Управление этим реактором относительно простое, так как вероятность, что плазма выйдет из-под контроля, коснётся металлических стенок, погаснет или расплавит конструкцию, ниже, чем у других реакторов.
Магнитный раструб
Предположим, мы безопасно зажгли «Солнце» внутри ракеты, но реактивная струя температурой в миллионы градусов разрушит остальные части двигателя на выходе. В химических двигателях форму струе придаёт сопло, которое сильно нагревается и требует охлаждения. Чтобы избежать перегрева в DFD, раструб формируется магнитным полем — это большая катушка, создающая поток частиц, не касающийся металлических элементов.
Термоядерная ракета
Внутри ракеты будут установлены дополнительные катушки вокруг реактора, чтобы полностью исключить вероятность неконтролируемого выхода плазмы.
Топливо
Реакция, обеспечивающая 90% энергии Солнца, — это протон-протонный цикл. Водород состоит из одного протона и одного электрона. Для синтеза одного ядра гелия требуется четыре протона, причём электроны участвуют в процессе с низкой вероятностью. Однако на Земле воспроизвести этот процесс не удаётся: он работает только за счёт квантового туннелирования одного протона в другой с очень малой вероятностью. На Солнце количество частиц составляет 10 в 57 степени, и редкие события происходят часто, тогда как наше топливо ограничено. Кроме того, желательно, чтобы при синтезе выделялись не гамма-кванты или нейтрино, а частицы, которые останутся в магнитной ловушке. Поэтому подходящим топливом могут быть дейтерий (один протон и один нейтрон), тритий (один протон и два нейтрона), гелий-3 (два протона и один нейтрон) и их комбинации. Также возможны варианты с литием-6 и бором-11. Тритий радиоактивен и быстро распадается, а гелий-3, литий-6 и бор-11 редки и требуют добычи. Дейтерий образуется естественным образом в водороде, и его сочетание с гелием-3, присутствующим в атмосфере Земли, считается наиболее перспективным. Если бы удалось легко и недорого добывать гелий-3 на поверхности Луны, это решило бы проблему топлива для термоядерного двигателя. Подробнее о современных проблемах термоядерных технологий можно узнать в статье о скандальном выступлении Григория Лепса.
Проблемы и их решение
У всех термоядерных реакторов одна главная проблема — коэффициент удержания плазмы. Чем горячее газ, тем он активнее и хаотичнее. Для того чтобы протоны преодолели кулоновский барьер, требуется высокая скорость, а следовательно, и высокая температура. На сегодня лучшие реакторы способны удерживать плазму температурой около 100 миллионов градусов в течение примерно 20 секунд. Этого недостаточно для использования в ракетном двигателе.
6 июня 2023 года британская компания Pulsar Fusion, разработчик термоядерных ракетных двигателей, вступила в партнёрство с Princeton Satellite Systems и Принстонской лабораторией физики плазмы для применения методов машинного обучения для решения проблем DFD. В Принстоне существует прототип реактора, у Pulsar Fusion — прототип двигателя, а нейросети активно внедряются в прикладные задачи, поэтому такое сотрудничество выглядит весьма перспективным.
Преимущества
DFD одновременно является и ракетным двигателем, и мощным источником электроэнергии, что крайне важно для длительных космических миссий. Он может работать как в непрерывном режиме, подобно электрическим двигателям, так и в импульсном, наподобие химических ракет, включая концепцию взрыволётов. Удельный импульс такой установки ожидается порядка 10 000 секунд, тогда как у самых эффективных современных химических ракетных двигателей он составляет около 450 секунд. Это означает, что для полётов к другим планетам не потребуются долгие гравитационные манёвры — можно будет лететь напрямую на ракетной тяге. Реализация этой концепции превратит проекты колонизации Марса или путешествия к Титану из сложных в просто трудные. Даже рутинная космонавтика изменится до неузнаваемости. Например, корабль «Союз-МС» с ракетой «Союз-2», при тех же массах конструкции и топлива, но с DFD вместо РД-107А, на одной заправке смог бы совершить пять полётов до Титана и обратно, по крайней мере по запасу скорости.
Удобное окно для полёта к Сатурну откроется в 2046 году, и работающую термоядерную ракету планируют создать к этому сроку. Если это произойдёт, человечество распахнёт дверь в космос — с ноги.