Космический корабль, на котором можно долететь до Марса за месяц, подлететь к Сатурну за пару лет и даже посетить Альфу Центавра всего за несколько десятилетий. Возможно ли такое путешествие в реальном мире, а не на страницах научной фантастики? Ученые уже всерьез работают над тем, чтобы реализовать этот сценарий, и ключ к возможным космическим путешествиям лежит в термоядерном синтезе. В том самом процессе, который уже миллиарды лет питает энергией Солнце и другие звезды во Вселенной.
Как работает термоядерный синтез
В основе термоядерного синтеза лежит слияние легких атомных ядер, в основном изотопов водорода — дейтерия и трития. При температуре свыше 100 миллионов градусов эти ядра начинают двигаться настолько быстро, что преодолевают электростатическое отталкивание и сливаются, образуя гелий и высвобождая огромное количество энергии. Это и есть та самая «звездная энергия», которую человечество пытается воспроизвести на Земле.
В отличие от атомных станций, работающих на делении урана, термоядерный синтез не производит долгоживущие радиоактивные отходы, а топливо в виде дейтерия можно извлекать из морской воды в практически неограниченных количествах. Тритий сложнее добывать, но его можно «нарастить» в реакторе из лития. Это делает термояд безопасным и почти вечным источником энергии.
Путь к звездам начинается с Земли: ITER
Самый амбициозный проект по освоению термояда — ITER, или международный экспериментальный термоядерный реактор, который строят во Франции. ITER будет представлять собой гигантскую установку в виде «пончика», в которой раскаленная плазма будет удерживаться магнитными полями, не касаясь стенок камеры.
Реактор ITER не будет производить электроэнергию. Цель проекта — доказать, что термоядерная реакция может давать больше энергии, чем потребляется во время ее запуска. Ученые надеются получить 500 МВт тепловой энергии при затратах всего 50 МВт — что в десять раз больше затраченных усилий. Не вечный двигатель, конечно, но преимущества очевидны.
Но есть и проблема. ITER — это гигант с диаметром более 30 метров и массой в сотню тысяч тонн. Такой реактор невозможно запустить в космос, если речь идет о потенциальных звездолетах. Он создан для Земли, для демонстрации принципа. Однако с течением времени принципы, заложенные в ITER, могут стать основой для будущих компактных реакторов меньших размеров — в том числе и космических.
А что, если термояд в ракете?
Если ITER — проблема Земли, то DFD, или прямой термоядерный двигатель, уже больше подходит для звездолетов. DFD — это концептуальный ракетный термоядерный двигатель, который разрабатывают американские и британские инженеры. В отличие от ITER, который является просто источником энергии, DFD — это полноценный двигатель, способный одновременно обеспечивать и тягу, и электропитание корабля.
В качестве энергии DFD использует реакцию слияния дейтерия и гелия-3. При этом помимо энергии выделяются быстрые частицы, которые можно направить через электромагнитный ускоритель. Так получится реактивная тяга, которая и будет обеспечивать движение корабля. Этот двигатель может работать месяцами почти без перерыва.
Чтобы долететь до Марса, нужно несколько месяцев, а до ближайшей звезды — десятки тысяч лет. Прямые термоядерные двигатели могут все изменить. С его помощью космический аппарат массой в 1 тонну может достичь Плутона за 4 года, а не за 9, как старый добрый New Horizons. Это ощутимо сокращает время полета и уменьшает радиационную нагрузку на экипаж, что и сделает миссии более безопасными и эффективными.
А что насчет Альфы Центавра
В то время, как расстояние от Земли до Плутона составляет «всего» 263,2 световые минуты, то до Альфы Центавра — 4,37 световых лет. При скорости, равной 10% от скорости света, что уже требует колоссальной энергии, полет займет около 44 лет. Даже при помощи DFD достичь таких скоростей пока невозможно, но прямой термоядерный двигатель — один из немногих реалистичных кандидатов на роль основы для будущих межзвездных кораблей.
Исследователи из Princeton Satellite Systems считают, что DFD может развивать скорость истечения плазмы до 200 км/с, что в 60 раз быстрее скорости звука и в 50 раз быстрее, чем струя из обычного химического ракетного двигателя. Для космических полетов это огромное преимущество, так как такой двигатель может разогнать корабль дольше и с меньшим расходом топлива, позволяя достигать высоких скоростей за счет длительного плавного ускорения. Правда, для межзвездного перелета потребуется еще и грамотное торможение, защита от космической пыли и системы жизнеобеспечения на десятилетия вперед.
ITER — это научный монумент, который нужен для понимания принципа работы термоядерных процессов. Без него не будет термоядерной энергетики на Земле, а в космосе и подавно. DFD же технология для далекого космоса. Он компактнее, проще в масштабировании и уже входит в стадию практической разработки. Именно DFD, а не ITER может стать сердцем первых звездолетов.
Вывод: звездолеты — не фантастика
До космических аппаратов, способных долететь до звезд, ученым и инженерам пока так же далеко, как и до самих звезд. Но термоядерные двигатели вроде DFD — это уже не фантастика, а реальные инженерные проекты, основанные на физических принципах, с точными расчетами и испытаниями.
Такие проекты, как ITER, помогут нам понять, как укротить звездный огонь на Земле, а разработки в области прямого термоядерного двигателя покажут, что этот огонь можно направить в сопло ракеты, дабы долететь до Марса за месяцы, а до Плутона — за годы. В ближайшие 20−30 лет мы, возможно, увидим первый термоядерный корабль, отправляющийся к ближайшим планетам. А через 50−100 лет — миссию к Альфе Центавра с экипажем, погруженным в капсулы гибернации. Конечно, это будет не «Энтерпрайз» из «Звездного пути», а маленький, но мощный зонд, питающийся звездным огнем.
Ранее мы рассказывали о том, как скоро квантовые компьютеры станут нашей реальностью и причем здесь атом.
