Мы с вами частенько обсуждаем различные двигатели для перемещения в космосе. Практически в каждой такой дискуссии большинство склоняется к тому, что будущее должно быть за ядерными ракетными двигателями (ЯРД).
Если кратко, то в ЯРД с помощью реакции деления урана, плутония или иного делящегося материала до нескольких тысяч градусов нагревается водород или другой лёгкий газ, после чего он выбрасывается через обычное металлическое сопло, создавая тягу.
Собственно, тягу ЯРД могут создавать просто огромную — десятки и сотни тонн-силы. При этом сами установки являются довольно компактными. Так или иначе, дальше стендовых испытаний ЯРД дело так и не продвинулось. Отчасти из-за экологических проблем, отчасти из-за сложности и дороговизны технологии.
Есть ещё гипотетические термоядерные ракетные двигатели (ТЯРД), которые должны использовать реакцию ядерного синтеза в изотопах водорода и гелия чтобы получить температуры в сотни миллионов градусов, создавая горячую плазму, которая направляется и выбрасывается через магнитное сопло.
В теории удельный импульс ТЯРД начинается примерно от 5000 секунд (50 км/с эффективная скорость струи) и доходит до более чем 2 000 000 секунд — 20 000 км/с! Но, как обычно, есть тут пара проблем.
- Во-первых, человечество пока так и не освоило управляемый термоядерный синтез, то есть ТЯРД останутся исключительно теоретическими ещё лет 30 как минимум.
- Во-вторых, такие двигатели даже «на бумаге» обладают очень низкой плотностью мощности, т.е. они будут огромными при довольно небольшой тяге. Гигаваттный ТЯРД размерами в сотни метров способен обеспечить тягу лишь около десятка килограмм-силы.
А теперь представьте, что мы смогли бы объединить невероятный удельный импульс ТЯРД с хорошо освоенной реакцией деления тяжёлых ядер, компактность и гигантскую мощность ЯРД.
Есть и такой не особо известный класс ракетных двигателей — двигатели на осколках деления (Fission Fragment Rocket Engine, FFRE)
Опять же, пройдусь кратко по сути его работы. Ядро, скажем, урана-235 поглотило тепловой нейтрон и раскололось на криптон-92, барий-141 и три нейтрона. Ядро криптона-92 при этом будет иметь кинетическую энергию где-то в 101 МэВ и скорость 14 500 км/с, а ядро бария-141 — 66 МэВ и 9 500 км/с. Таким образом, eсреднённая с учётом массы скорость осколков деления получается 11 500 км/с!
Нам остаётся «всего-то» научиться выбрасывать из сопла эти осколки деления, чтобы получить удельный импульс на уровне лучших теоретических ТЯРД при габаритах установки не больше ЯРД. Помимо нескольких других, вполне решаемых, есть одна существенная проблема — средний пробег осколков в ядерном топливе едва достигает 10 микрометров, а в твёрдом веществе они вообще почти мгновенно теряют свою скорость.
Тут рассматривался целый ряд возможных решений, но до недавнего времени все работы по этим двигателям были исключительно теоретическими. И вот Институт передовых концепций NASA предоставил грант компании под названием Positron Dynamics на разработку такого двигателя.
В компании решили объединить два отдельных прорыва, полученных в разных областях исследований. Для начала, делящийся материал предлагается поместить в сверхлёгкий аэрогель. А удерживать и направлять осколки деления предполагается с помощью сверхпроводящего магнита.
Аэрогели — это класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, благодаря чему они обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д.
Как утверждают в компании Positron Dynamics, помещение осколков деления в аэрогель решает проблему сохранения скорости осколков деления, а сверхпроводящий магнит, который сегодня используется для удержания плазмы в токамаках, позволит направлять все осколки деления в одном направлении, эффективно превращая их в вектор тяги, исключая повреждения ими других частей установки.
С одной стороны, это пока только лишь новая теория, но, с другой, она выглядит наиболее реализуемой из всех. Не зря были выделены деньги на создание демонстратора этой технологии. В принципе, так научно-технологический прогресс и работает — довольно продолжительное время развиваются отдельные направления, объединение которых приводит к прорыву в третьем.
Если этот двигатель будет работать, и ЯРД, и ТЯРД уйдут в прошлое, оставив после себя часть технологий, благодаря которым будет создано нечто новое.
Как считаете, жизнеспособная концепция? Увидим мы новейший ракетный двигатель лет через 10-15? Надо ли всем, кто собирается осваивать космос, срочно переключаться на подобные разработки?
Подписывайтесь на канал, а также на канал в Telegram, ну и делитесь статьёй с друзьями, которым интересна эта тема.
