Fusion raketa - Fusion rocket - Wikipedia

A fúzní raketa je teoretický návrh pro raketa řizen fúze pohon, který by mohl být efektivní a dlouhodobý zrychlení ve vesmíru aniž byste museli nést velké zásoby paliva. Konstrukce spoléhá na vývoj technologie fúzní energie nad rámec současných schopností a konstrukce raket mnohem větších a složitějších než jakýkoli současný kosmická loď. Menší a lehčí fúzní reaktor by mohl být v budoucnu možný, když budou vyvinuty sofistikovanější metody pro řízení magnetického omezení a prevenci plazma nestability. Inerciální fúze může poskytnout lehčí a kompaktnější alternativu, stejně jako fúzní motor[1] na základě a konfigurace s obráceným polem. Fúze jaderný pulzní pohon je jedním z přístupů k využívání energie jaderné fúze k zajištění pohonu raket.

Pro kosmický let by hlavní výhodou fúze byla velmi vysoká specifický impuls a hlavní nevýhodou je (pravděpodobně) velká hmotnost reaktoru. Fúzní raketa však může produkovat méně záření než a štěpení raketa, což snižuje hmotnost potřebnou pro stínění. Nejjistějším způsobem výroby fúzní rakety se současnou technologií je použití vodíkové bomby jak je navrženo v Projekt Orion, ale taková kosmická loď by byla také masivní a Smlouva o částečném zákazu jaderných zkoušek zakazuje použití jaderných bomb. Proto je použití jaderných bomb k pohonu raket na Zemi problematické, ale teoreticky ve vesmíru možné. Alternativní přístup by byl elektrický (např. ion ) pohon s výrobou elektrické energie pomocí fúzní energie namísto přímého tahu.

Výroba elektřiny vs. přímý tah

Mnoho metod pohonu kosmických lodí, jako je iontové trysky vyžadují k provozu příkon elektrické energie, ale jsou vysoce účinné. V některých případech je jejich maximální tah omezen množstvím energie, kterou lze generovat (například a hromadný řidič ). Elektrický generátor, který běžel na fúzní energii, mohl být instalován čistě k řízení takové lodi. Jednou nevýhodou je, že konvenční výroba elektřiny vyžaduje nízkoteplotní energetický dřez, který je v kosmické lodi obtížný (tj. Těžký). Přímá konverze kinetické energie produktů fúze na elektřinu je v zásadě možné a tento problém by zmírnil.[Citace je zapotřebí ][nesprávná syntéza? ]

Atraktivní možností je jednoduše nasměrovat výfuk fúzního produktu ze zadní části rakety a zajistit tah bez mezilehlé výroby elektřiny. To by bylo jednodušší u některých schémat uvěznění (např. magnetická zrcadla ) než s ostatními (např. tokamaky ). Je také atraktivnější pro „moderní paliva“ (viz aneutronická fúze ). Pohon heliem-3 je navrhovaná metoda pohonu kosmických lodí, která využívá fúzi helium-3 atomy jako zdroj energie. Helium-3, an izotop hélia se dvěma protony a jeden neutron, lze spojit s deuterium v reaktoru. Výsledné uvolnění energie by mohlo být použito k vyhnání pohonné látky ze zadní části kosmické lodi. Hélium-3 je navrženo jako zdroj energie pro kosmické lodě hlavně kvůli jeho hojnosti na Měsíci. V současné době vědci odhadují, že na Měsíci je 1 milion tun helia-3, a to hlavně kvůli srážkám slunečního větru s měsíčním povrchem a jeho ukládání mimo jiné do půdy.[2] Takto bylo možné použít pouze 20% energie vyrobené reakcí D-T; dalších 80% se uvolňuje ve formě neutronů, které by bylo velmi obtížné použít pro tah, protože by nemohly být směrovány magnetickými poli nebo pevnými stěnami. Helium-3 se také vyrábí prostřednictvím rozpad beta z tritium, které mohou být zase vyrobeny z deuteria, lithia nebo boru.

I když nelze dosáhnout samonosné fúzní reakce, je možné použít fúzi ke zvýšení účinnosti jiného pohonného systému, například VASIMR motor.

Koncept vězení

K udržení fúzní reakce musí být plazma uzavřena. Nejčastěji studovanou konfigurací pro pozemskou fúzi je tokamak, forma fúze magnetického vězení. V současné době tokamaky váží hodně, takže poměr tahu k hmotnosti se zdá nepřijatelný. NASA je Glenn Research Center navrhla pro svůj koncepční návrh vozidla „Discovery II“ sférický torusový reaktor s malým poměrem stran. „Discovery II“ mohl dodat posádce 172 000 kilogramů užitečného zatížení Jupiter za 118 dní (nebo 212 dní do Saturn ) s použitím 861 tun tun vodík pohonná hmota plus 11 tun tun Hélium-3 -Deuterium (D-He3) fúzní palivo.[3] Vodík je ohříván zbytky fúzního plazmatu, aby se zvýšil tah, a to za sníženou cenu rychlost výfuku (348–463 km / s), a tím i zvýšení hmotnosti paliva.

Hlavní alternativou k magnetickému omezení je fúze setrvačné izolace (ICF), jako navrhuje Projekt Daedalus. Malá peleta z fúzního paliva (o průměru několika milimetrů) by byla zapálena pomocí paprsek elektronů nebo a laser. K výrobě přímého tahu, a magnetické pole by vytvořila tlačnou desku. V zásadě jde o reakci helium-3-deuterium nebo an aneutronická fúze Reakce by mohla být použita k maximalizaci energie v nabitých částicích a k minimalizaci záření, ale je vysoce otázné, zda je technicky možné tyto reakce použít. Obě podrobné studie designu v 70. Letech, Pohon Orionu a Project Daedalus, použili setrvační vězení. V 80. letech Lawrence Livermore National Laboratory a NASA studovala „vozidlo pro meziplanetární dopravní aplikace“ na bázi ICF (VISTA). Kónická kosmická loď VISTA mohla dodat 100tunové užitečné zatížení Mars na oběžnou dráhu a návrat na Zemi za 130 dní, nebo na oběžnou dráhu Jupitera a zpět za 403 dní. 41 tun deuteria /tritium Bylo by zapotřebí fúzní palivo (D-T) plus 4 124 tun vodíkového vypuzovače.[4] Rychlost výfuku by byla 157 km / s.

Magnetizovaná fúze cíle (MTF) je relativně nový přístup, který kombinuje nejlepší vlastnosti široce studovaných přístupů fúze magnetického omezování (tj. Dobré zadržování energie) a fúzí setrvačné zadržování (tj. Účinné kompresní zahřívání a zadržování fúzní plazmy bez stěn). Stejně jako magnetický přístup je fúzní palivo omezeno na nízkou hustotu magnetickými poli, zatímco je zahříváno na plazma, ale podobně jako u přístupu setrvačné izolace se fúze iniciuje rychlým stlačením cíle, čímž se dramaticky zvýší hustota paliva a tím i teplota. Společnost MTF používá místo výkonných laserů „plazmové zbraně“ (tj. Techniky elektromagnetické akcelerace), což vede k levným a nízkým hmotnostem kompaktních reaktorů.[5] NASA /MSFC Skupina Human Outer Planets Exploration (HOPE) zkoumala posádkovou pohonnou sondu MTF schopnou dopravit na Jupiterův měsíc užitečné zatížení 163933 kilogramů Callisto použití 106-165 tun pohonné látky (vodík plus fúzní palivo D-T nebo D-He3) za 249–330 dnů.[6] Tato konstrukce by tak byla podstatně menší a hospodárnější z důvodu vyšší rychlosti výfukových plynů (700 km / s) než dříve zmíněné koncepty „Discovery II“ a „VISTA“.

Další populární koncept uvěznění pro fúzní rakety je setrvačné elektrostatické omezení (IEC), například v Farnsworth-Hirsch Fusor nebo Polywell variace zkoumaná společností Energy-Matter Conversion Corporation. University of Illinois definovala 500tunovou koncepci „Fusion Ship II“ schopnou dopravit 100 000 kg osazeného nákladu na Jupiterův měsíc Europa za 210 dní. Fusion Ship II využívá iontová raketa trysky (výfuková rychlost 343 km / s) poháněné deseti fúzními reaktory D-He3 IEC. Koncept by potřeboval 300 tun argon pohonné hmoty pro roční zpáteční cestu do systému Jupiter.[7] Robert Bussard publikoval řadu technických článků pojednávajících o jeho aplikaci na vesmírné lety v průběhu 90. let. Jeho práci popularizoval článek v Analogová sci-fi a fakta publikace, kde Tom Ligon (který také několik napsal) sci-fi příběhy ) popsal, jak by fusor přispěl k vysoce účinné fúzní raketě.[8] To bylo také vystupoval v této roli v románu sci-fi Vrak řeky hvězdtím, že Michael Flynn.[Citace je zapotřebí ]

Ještě spekulativnější koncept je antihmota katalyzovaný jaderný pulzní pohon, který by používal malé množství antihmoty ke katalyzování štěpné a fúzní reakce, což by umožnilo vytvořit mnohem menší fúzní exploze. V průběhu 90. let se pod názvem Penn State University uskutečnilo neúspěšné úsilí o návrh AIMStar.[9] Projekt by vyžadoval více antihmoty, než jsme schopni vyrobit. Kromě toho je třeba překonat některé technické překážky, než to bude možné. [10]

Rozvojové projekty

Viz také

Reference

  1. ^ „Direct Fusion Drive for a Human Mars Orbital Mission“, Michael Paluszek a kol., 65. mezinárodní astronautický kongres (AIC), 29. září - 3. října 2014, Toronto, Kanada, http://bp.pppl.gov/pub_report/2014/PPPL-5064.pdf Archivováno 10.02.2017 na Wayback Machine
  2. ^ Měsíční helium-3 mohlo pohánět Zemi
  3. ^ "Realizace" 2001: Vesmírná odysea ": Pilotovaný sférický torusový pohon nukleární fúze" Craig H. Williams, Leonard A. Dudzinski, Stanley K. Borowski a Albert J. Juhasz, NASA TM-2005-213559, 2005, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20050160960_2005161052.pdf
  4. ^ „Meziplanetární kosmická doprava využívající pohon inerciální fúzí“, autor: C.D.Orth, UCRL-JC-129239, 9. mezinárodní konference o vznikajících jaderných systémech, Tel-Aviv, Izrael, 28. června - 2. července 1998, „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 15. 12. 2011. Citováno 2011-09-04.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  5. ^ „Magnetized Target Fusion in Advanced Propulsion Research“ Rashad Cylar, MSFC / University of Alabama NASA Faculty Fellowship Program 2002, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093609_2003101283.pdf
  6. ^ „Koncepční návrh kosmických vozidel pro lidský průzkum vnějších planet“, NASA / TP — 2003–212691, listopad 2003, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040010797_2004001506.pdf
  7. ^ „Fusion Ship II - A Fast Manned Interplanetary Space Vehicle Using Inertial Electrostatic Fusion“, J.Webber et al., University of Illinois, UC, Department of Nuclear, Plasma and Radiological Engineering, 2003, http://fti.neep.wisc.edu/iecworkshop/PDF/TECHNICAL_TALKS/webber.pdf
  8. ^ Ligon, Tom (prosinec 1998). „Nejjednodušší fúzní reaktor na světě: a jak zajistit jeho fungování“. Analogová sci-fi a fakta. Sv. 118 č. 12. New York. Archivovány od originál dne 2006-06-15.
  9. ^ Lewis, Raymond A; Meyer, Kirby; Smith, Gerald A; Howe, Steven D. „AIMStar: Antihmota iniciovaná mikrofúze pro mezihvězdné mise před kurzorem“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) 16. června 2014.
  10. ^ Výroba antihmoty pro krátkodobé aplikace pohonu „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 06.03.2007. Citováno 2013-05-24.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)

externí odkazy