Kategorie
Kosmologia

Napęd termojądrowy

Napęd termojądrowy

Duża prędkość wylotowa gazów jest kluczem do podróży międzygwiezdnych, entalpia zaś – kluczem do prędkości. Reakcje rozszczepienia wydają się atrakcyjne, dając 82 miliony MJ/kg, lecz reakcje syntezy są jeszcze wydajniejsze. Gdyby na przykład użyć jako paliwa czystego deuteru i spalić go razem z pośrednimi produktami fuzji (ciąg reakcji znany jako „katalizowana fuzja D-D”), otrzymalibyśmy 208 milionów MJ/kg użytecznej entalpii na potrzeby napędu plus 139 MJ/kg wysokoenergetycznych neutronów, które, chociaż bezużyteczne na potrzeby napędu, mogą być wykorzystane do produkcji energii elektrycznej zasilającej urządzenia pokładowe. Gdyby jako paliwo użyć mieszaniny deuteru i helu 3, użyteczna entalpia wzrasta do 347 milionów MJ/kg. W rezultacie synteza termojądrowa wykorzystująca katalizowane reakcje D-D zapewnia teoretyczną maksymalną prędkość wylotową 20 400 km/s (6,8% prędkości światła, czyli 0,068c), podczas gdy rakieta wykorzystująca reakcję D-³He mogłaby teoretycznie osiągnąć prędkość wylotową 26 400 km/s, czyli 0,088c.

Teraz zaczyna to mieć sens! Przy wartości entalpii 4 razy większej niż w wypadku reakcji jądrowych i zdecydowanie łatwiej osiągalnym paliwie fuzja termojądrowa daje znaczne możliwości w dziedzinie konstrukcji statków międzygwiezdnych. Podobnie jak w reakcji rozszczepienia, jeśli chodzi o napędy rakietowe, synteza oferuje zarówno metodę eksplozji pulsacyjnych, jak i opcję stałego ciągu. Tym razem jednak obydwie możliwości znacznie łatwiej wykorzystać praktycznie.

Bomby jądrowe muszą mieć pewne minimalne rozmiary, ponieważ aby zapoczątkować reakcję jądrową, potrzebna jest „masa krytyczna” materiału rozszczepialnego. Ze względu na to minimalna siła rażenia tego typu bomby równoważna jest około 1000 tonom dynamitu, chyba że ktoś zdecyduje się zbudować wariant, w którym większość energii się marnuje (a to jest przecież niedopuszczalne przy podróżach międzygwiezdnych).

Z fuzją jest inaczej. Nie potrzeba do jej zainicjowania żadnej masy krytycznej, więc w zasadzie bomby fuzyjne mogą być tak małe, jak sobie tego życzymy. Obecnie używane fuzyjne środki wybuchowe – bomby wodorowe – mają olbrzymią siłę rażenia, ponieważ wykorzystują ładunek jądrowy, by gwałtownie ścisnąć i ogrzać dużą ilość paliwa termojądrowego aż do osiągnięcia warunków zapłonu termonuklearnego. Gdyby ktoś bardzo chciał, mógłby użyć w projekcie Orion bomb wodorowych zamiast atomowych – osiągnąłby wtedy znacznie lepsze wyniki, a paliwo kosztowałoby go znacznie mniej. W wypadku syntezy termojądrowej istnieją jednak znacznie lepsze metody, dzięki którym można uzyskać efekt ciągłej eksplozji na mniejszą skalę.

Można na przykład użyć baterii wysokoenergetycznych laserów i skupić ich wiązki na małej porcji paliwa termojądrowego, powodując w ten sposób jego ogrzanie, kompresję i detonację. Wstępne badania wykazały wykonalność tego typu laserowych systemów zapłonu. Jeden z nich, nazwany National Ignition Facility (NIF), jest obecnie budowany w Lawrence Livermore Laboratory w Kalifornii. Statek kosmiczny wykorzystujący taki napęd wystrzeliwałby wiele ładunków w szybkim tempie, jak karabin maszynowy, w tylny obszar rozchodzącego się pola magnetycznego. Każdy ładunek w odpowiednim momencie i miejscu byłby trafiany ze wszystkich stron promieniami lasera. W wyniku trafienia eksplodowałby z siłą kilku ton dynamitu, a wyprodukowana w ten sposób niezwykle gorąca plazma byłaby kierowana w stronę przeciwną do kierunku lotu przez magnetyczną dyszę, dzięki czemu otrzymalibyśmy ciąg silnika.

Niewykluczone, że dałoby się zgniatać i detonować ładunki termojądrowe za pomocą odpowiednio ukształtowanych i dobranych ładunków chemicznych. Mówię „niewykluczone”, ponieważ choć zrealizowano bardzo wiele tajnych projektów, mających to na celu, zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i w Związku Radzieckim, ich wyniki nigdy nie zostały opublikowane. Jeżeli jest to wykonalne, mikrobomby termojądrowe z zapalnikami chemicznymi wyeliminowałyby potrzebę używania ciężkich systemów laserowych na pokładach statków kosmicznych.

Trzecie rozwiązanie polega na zastosowaniu napędu termojądrowego bez używania bomb, laserów czy mikroładunków – z obszerną komorą w roli pułapki magnetycznej, która więzi dużą ilość reagującej plazmy termojądrowej.

Układ napędowy na bazie fuzyjnej pułapki magnetycznej.

Jest to prawdopodobnie wariant, który w przyszłości będzie wykorzystywany do produkcji energii w reakcjach fuzji. W napędzie rakietowym tego typu większość bardzo gorących produktów fuzji (dziesiątki miliardów stopni, wiele megawoltów) będzie „wyciekała” z jednego końca reaktora, by zapewnić ciąg, podczas gdy reszta będzie podgrzewać plazmę do mniej więcej 500 milionów stopni Celsjusza (50 kilowoltów), co jest przeciętną temperaturą w reaktorach termojądrowych. Część plazmy o mniejszej temperaturze również wycieknie, lecz ze względu na mniejszą energię zostanie wyhamowana przez siatkę elektrostatyczną i użyta do produkcji energii elektrycznej na potrzeby urządzeń pokładowych i załogi.

Dysze magnetyczne używane w systemach napędów fuzyjnych nie osiągałyby takiej wydajności jak mające kształt dzwonu dysze rakiet chemicznych (wydajność 94%), lecz i tak byłyby znacznie lepsze w wytwarzaniu efektywnego ciągu niż osłona popychająca Oriona, której wydajność dochodzi zaledwie do 25%. Prawdopodobnie można by uzyskać wydajność rzędu 60%. W takim wypadku rakieta na D-³He powinna osiągać prędkość wylotową rzędu 5% prędkości światła. Ponieważ statki kosmiczne mogą właściwie uzyskiwać prędkość równą podwojonej prędkości wylotowej, oznacza to, że nasza rakieta rozwijałaby prędkość zbliżoną do 10% prędkości światła. Pomijając krótki okres potrzebny na rozpędzenie, oznacza to, że lot w jedną stronę na alfa Centauri trwałby 43 lata; lub 86 lat, gdybyśmy musieli używać napędu do wyhamowania statku.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *