Термоядерная ракета, использующая энергию реакции термоядерного синтеза является "священным Граалем" теоретиков космонавтики. Из доступных нам источников и способов хранения энергии (не считая сугубо теоретических, вроде антиматерии), термоядерная реакция является наиболее эффективным.
На данный момент существуют два принципиальных способа воспламенить термоядерную реакцию в ракетном двигателе:
* При магнитном обжатии, мощные магнитные поля используются чтобы сжать топливный плазмоид и повысить давление и температуру в нем до порогового уровня.
* При инерциальном обжатии, кольцевая батарея лазеров (или ускорителей частиц) облучает капсулу топлива сверхкоротким импульсом с разных сторон. Верхние слои оболочки капсулы взрывоподобно испаряются. Одновременный импульс со всех сторон создает в термоядерном топливе имплозивную ударную волну, которая и сжимает топливо до порогового уровня.
Оба метода в приложении как к производству энергии, так и к движению в Космосе имеют множество вполне представимых недостатков:
1) Во-первых, оба метода просто неэффективны. Магнитное обжатие требует огромной мощности (и массы) электромагнитов - и его эффективность обратно пропорциональна температуре плазмы. Чем горячее плазма, тем труднее становится ее удержать в магнитной ловушке. Как шутят физики, "на каждый придуманный людьми способ удержать плазму в магнитной ловушке, плазма придумывает два способа из нее выкрутится." Динамика высокотемпературной плазмы до сих пор остается в очень значительной степени теорией, со множеством неизвестных.
У инерциального обжатия, главной проблемой (помимо огромной потребной мощности и сложной синхронизации лазеров/ускорителей) является невысокая эффективность использования топлива. Имплозионная ударная волна стремится сжать плазму до начала термоядерной реакции, но с началом таковой, выделяющаяся энергия стремится расширить плазму и разбросать непрореагировавшее топливо. В итоге, разумеется, термоядерная реакция побеждает инерцию, и вопрос лишь в том, какая часть топлива успевает прореагировать.
2) Во-вторых, оба метода не дают ясного ответа - как передать энергию реакции рабочему телу нашей термоядерной ракеты? Сама по себе масса термоядерного топлива очень мала; даже при огромной выделяемой энергии, выбрасываемая из сопла реактивная масса будет ничтожна, и, как следствие - ничтожной будет и тяга. Мы не можем просто окружить топливную капсулу рабочим телом - это помешает самому процессу обжатия.
3) В-третьих, термоядерная реакция сопровождается выделением нейтронов и заряженных частиц, которые отнюдь не идут на пользу стенкам реакционной камеры. Нейтроны вдобавок еще и создают большие проблемы экипажу и оборудованию корабля.
Доктор Джон Слоу (англ. John Slough) и его коллеги нашли изящное и в то же время совершенно неординарное решение: использовать для обжатия плазмы металлическую оболочку. Да, просто скорлупу из металла, сжимающуюся вокруг плазмоида и сдавливающую его до начала термоядерной реакции. Поскольку для сжатия металлической оболочки используются магнитные поля, то этот метод назвали магнитно-инерциальным.
Как это работает:
- Облачко дейтериевой плазмы (двигатель работает на реакции D-D) формируется магнитной катушкой и впрыскивается в реакторную камеру.
- Одновременно с ней, в реакторную камеру вводится "лейнер" - тонкое кольцо из литиевой фольги (возможны и другие материалы), диаметром около 40-50 сантиметров и массой около 0,3-0,5 кг.
- Когда плазмоид оказывается в центре лейнера, мощные электромагниты по краям реакторной камеры за доли секунды сплющивают лейнер в сплошной комок - так, что скорость сжатия лейнера превышает три километра в секунду.
- Сжимающаяся с чудовищной скоростью (и соответствующей кинетической энергией!) масса металла сдавливает плазменное облачко. Давление и температура при этом достигают необходимого уровня, для розжига термоядерной реакции D-D.
- Дейтериевая плазма "вспыхивает". Огромная инерция сжимающейся литиевой оболочки гарантирует, что достаточное количество топлива прореагирует. Вспышка мгновенно испаряет лейнер, и поток горячей литиевой плазмы выбрасывается через магнитное сопло, создавая реактивную тягу. Затем цикл повторяется.
Схема реакторной камеры и магнитного сопла с системой подачи и обжатия лейнеров.
Данная система выглядит хотя и контринтуитивно, но обладает целым рядом несомненных преимуществ, по сравнению с традиционными подходами к импульсным термоядерным ракетам. Конкретнее:
1) Обжатие плазмы "физической" металлической оболочкой гораздо эффективнее, чем магнитными полями или лазерными импульсами. Сжимающаяся со скоростью 3 км/с литиевая оболочка гораздо плотнее, чем магнитное поле, и обладает несравнимо большей инерцией, чем созданная лазерным облучением волна сжатия. Энергия тратится только на "сплющивание" самой оболочки, что дает солидную экономию как в потреблении так и в массе аппаратуры. Сравнительно небольшой ядерный реактор или комплекс солнечных батарей могут обеспечивать двигатель электричеством.
2) Проблема передачи энергии реакции - рабочему телу, решается автоматически. Рабочее тело (литий) находится в непрерывном контакте с областью реакции, и воспринимает практически всю энергию таковой. Таким образом, термоядерная ракета выбрасывает достаточно массивную литиевую плазму в качестве рабочего тела, и обеспечивает весьма хорошую тягу.
3) Кроме того - литиевая оболочка поглощает большую часть заряженных частиц и ионизирующего излучения, тем самым предотвращая повреждение стенок камеры (распространенная проблема термоядерных реакторов на D-D!) и существенно снижая радиационную опасность для экипажа.
4) Наконец, так как система "открытая", то литий является и основным хладагентом, поглощая и отводя большую часть выделяющегося тепла. Двигателю магнитно-импульсной ракеты не нужны гигантские радиаторы, чтобы не расплавиться.
При замене магнитного сопла на магнитногидродинамический генератор (MHD), преобразующий кинетическую и тепловую энергию горячей плазмы в электрическую - путем торможения плазмы в системе магнитных полей - двигатель может быть также использован как электрический генератор корабля.
Команда доктора Слоу разработала две принципиальные модели двигателя - "низкооборотную" (анг. Low Gear) и "высокооборотную" (англ. High Gear). Принципиальная разница в том, что "низкооборотный" двигатель использует исключительно существующие на данный момент и доступные технологии, и не требует значимых дополнительных исследований. "Высокооборотный" же двигатель несколько более "перспективный", и нуждается в дополнительных исследованиях в ряде ключевых областей:
Согласно расчетам команды доктора Слоу, корабль с "низкооборотным" двигателем при общей массе в 90 тонн (из них 58,5 тонн полезной нагрузки) сможет совершить полет до Марса за 90 дней, при этом сохраняя достаточный запас топлива и рабочего тела для экстренного прерывания миссии и "прямого" возвращения к Земле вне зависимости от положения планет. В свою очередь, корабль с "высокооборотным" двигателем, при общей массе в 153 тонны (из них только 55 тонн полезной нагрузки), сможет совершить тот же перелет всего за 30 дней.
На данный момент, магнитно-инерциальная ракета является наиболее перспективным из тех термоядерных двигателей, которые человечество в состоянии создать. Хотя ее скорость истечения и удельный импульс не так уж и велики (по меркам термоядерных двигателей), магнитно-инерциальная ракета компенсирует это сравнительно высокой тягой и простотой конструкции. Для перемещений в пределах Солнечной Системы, этот двигатель более чем перспективен - как и для перемещения крупных масс в системе Земля-Луна.