Возможны ли полёты в дальний космос и как это будет выглядеть? Научная фантастика показывает нам космическое будущее. Есть ли у нас шанс в нем оказаться? На эти вопросы искали ответ гости Информационного центра по атомной энергии (ИЦАЭ) Санкт-Петербурга 1 июня на «ИЦАЭ OPEN: мультивселенная».
Затем перешли к разбору технологий, которые, возможно, смогут в дальнейшем позволить человечеству отправиться в дальний космос, на примере оснащения тяжёлого фрегата «Нормандия» SR2 из вселенной Mass Effect. Физик Георгий Тимс рассказал, что этот фантастический корабль способен создавать нулевой элемент, ответственный за «эффект массы», прямо на борту при помощи коллайдера и изменять собственную массу. Четыре его ядерных ускорителя работают на водороде. Именно такие технологии помогают герою компьютерной игры, капитану корабля Шепарду, осваивать дальний космос.
Современные ракеты-носители оснащены химическими двигателями. До 80% массы ракеты составляют топливо и окислитель, которые ракета отбрасывает в виде продуктов сгорания. Чем больше отбрасывает, тем большую скорость можно приобрести или погасить. Таким образом, лучшие химические ракетные двигатели могут дать запас изменения скорости примерно в 20 км/с. Но, по словам Георгия, этого не хватит для того, чтобы людям комфортно добраться даже, например до газового гиганта – Юпитера. Запасов топлива и окислителя при текущей эффективности двигателей хватит для колонизации Марса, но и это предположение требует проверки.
«Человечество уже давно начало думать, как усовершенствовать технологии, что придумать, как превзойти предел 20 км/с. Что, если нагревать топливную смесь с помощью ядерного распада? Вариантов ядерных ракетных двигателей много. Традиционный ЯРДпредставляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системой подачи рабочего тела и сопла. Реактор излучает тепло, рабочее тело проходит через камеру и отбрасывается. Ядерное топливо в рабочей камере может быть жидким, твёрдым и газообразным. Поэтому ядерные ракетные двигатели, основанные на распаде ядерного материала, делятся на твердофазные, жидкофазные и газофазные», — объяснил Георгий Тимс.
В твердофазном двигателе в камере находятся стержни с ураном, который постепенно распадается с выделением тепла, происходит нагрев рабочего тела. Чаще всего это водород, который создаёт реактивную струю. Главное здесь, что уран распадается долгое время и очень долго остается горячим. Например, период полураспада урана-235 составляет 700 миллионов лет. Пока хватает рабочего тела, двигатель работает.
Жидкофазный ядерный двигатель использует соль урана, смешанную с водой. Наступает реакция ядерного распада, в результате вода превращается в пар, пар создаёт давление и отбрасывается, создавая тягу. «Такой двигатель гипотетический, но его расчёты очень убедительны. Возможно, однажды мы его увидим в жизни», — прокомментировал эксперт.
Самый необычный вид ядерного двигателя – газофазный. Газофазный ЯРД представляет собой реактор с жидким ядром, в котором быстрая циркуляция создаёт в центре реактора тороидальный пакет урана в состоянии плазмы, который не касается стенок реактора и окружён водородом. При этом не нужна магнитная поддержка.
Другая концепция реактивного движения предлагает вместо постоянной тяги использовать импульсное движение. Ракета-носитель на таком принципе будет «взрыволётом»: атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. То есть можно просто взрывать бомбы и лететь. На Земле такую систему было бы сомнительно использовать. Но аналогичный импульсный двигатель на тротиловых бомбах был испытан в реальности. Траекторию такого устройства придется контролировать при помощи двигателей ориентации, как и во всех других типах ракетных двигателей.
Помимо распада ядерного материала, учёные хотят использовать в ракетостроении и энергию термоядерного синтеза. Активная зона реактора должна быть защищена от высокотемпературной плазмы открытой магнитной ловушкой. В центре активной зоны электромагнитными средствами должна быть запущена управляемая реакция термоядерного синтеза. После этого в реактор подаётся поток рабочего тела из водорода и дейтерия, который поддерживает реакцию и создает реактивную струю в открытой части магнитной ловушки.
Существует амбициозный проект двигателя Бассарда, где рабочее тело должно захватываться огромной воронкой впереди ракеты и отправляться в активную зону термоядерного двигателя. Такая конструкция, по идее разработчика, не должна нуждаться в запасах топлива, а получать водород и дейтерий из газовых облаков на своём пути в космосе.
Кроме прямоточных термоядерных двигателей, возможны и их импульсные варианты. Лазеры суммарной мощностью порядка 100 000 000 000 000 Вт за одну миллиардную долю секунды должны испарить топливную таблетку. Энергия образовавшегося газа достаточна, чтобы началась реакция термоядерного взрыва. Расчёты для проекта «Дедал» говорят, что для успешного полёта требуется 250 таких взрывов в секунду.
Практические испытания ядерных двигателей проходили с 50-х по 70-е гг. ХХ века. В 1966 году был испытан двигатель проекта NERVA – американский твердофазный двигатель добился удельного импульса 850 с, что вдвое больше удельного импульса современного химического ракетного двигателя. Советский твердофазный РД-0410 в 1969 году при испытаниях показал удельный импульс 910 с. Эти двигатели были успешно испытаны, но проекты были закрыты по соображениям экологии и высоким требованиям к материалам рабочей зоны. Жидкофазный двигатель Зубрина, разработанный в 1991 году, по расчётам должен обладать удельным импульсом 6730 с, газофазный ЯРД Ивлеева гипотетически мог довести этот показатель до 5000 с. Таким образом, запас изменения скорости мог бы составить 200 км/с.
«И если человечество сможет безопасно освоить технологию ядерных двигателей, то сможет покинуть колыбель Солнечной системы и отправиться на изучение экзопланет и других загадочных космических объектов», — завершил выступление Георгий Тимс.
«ИЦАЭ OPEN» — проект сети ИЦАЭ, когда центр работает в формате открытой площадки для тех, кто хочет больше узнать о науке и современных технологиях. В этот день гостей ждут познавательные мастер-классы, интеллектуальные игры и встречи с экспертами, а также научно-популярные ток-шоу и викторины.