Pulsar Fusion i Princeton Satellite Systems opracują silnik rakietowy do syntezy jądrowej
Projekt obrazu statku kosmicznego z Pulsar Fusion. Układ napędowy pokazany w sekcji
Dla dalszego rozwoju technologii rakietowej i kosmicznej oraz poza orbitą ziemską potrzebne są nowe technologie, przede wszystkim zasadniczo nowe układy napędowe. Obecnie w kilku krajach opracowywanych jest wiele tego typu projektów opartych na najśmielszych pomysłach. Tym samym brytyjska firma Pulsar Fusion we współpracy z amerykańskim Princeton Satellite Systems rozpoczęła prace nad silnikiem fuzyjnym Direct Fusion Drive. Oczekuje się, że taki produkt będzie charakteryzował się unikalnymi właściwościami technicznymi i ekonomicznymi.
Obiecujący kierunek
Brytyjska firma Pulsar Fusion została założona w 2011 roku przez grupę młodych profesjonalistów. Swój cel nazywa opracowaniem nowych systemów napędowych dla technologii rakietowej i kosmicznej, które pomogą dokonać kolejnego przełomu w tej dziedzinie. Idealnie byłoby, gdyby nowe rozwiązania i układy napędowe zapewniały dostęp poza orbitę ziemską i pełną aktywność w pobliżu odległych ciał niebieskich.
Firma pracuje nad różnymi opcjami silników i paliwa do nich. I tak w listopadzie 2021 roku odbyły się pierwsze testy ogniowe paliw stałych wykonanych z polietylenu pochodzącego z recyklingu. Konkretny ładunek paliwa wykazał wymagany poziom osiągów, a także potwierdził możliwość wykorzystania surowców wtórnych w technice rakietowej.
Silnik reaktora termojądrowego
W ciągu ostatnich kilku lat firma Pulsar Fusion mówiła o zamiarze opracowania i zbudowania silnika rakietowego opartego na fuzji jądrowej. Podczas rozwiązywania wszystkich postawionych problemów projektowych taka instalacja będzie wykazywać unikalne cechy trakcji i wydajności. Oczekuje się, że za pomocą silnika fuzyjnego statek kosmiczny będzie w stanie pokonywać duże odległości w minimalnym czasie.
Do niedawna firma zajmowała się wyłącznie teoretycznym rozwojem obiecującego projektu. Teraz prace wkraczają w nowy etap. W połowie czerwca Pulsar Fusion podpisał umowę z amerykańską firmą Princeton Satellite Systems. Wspólnie przeprowadzą niezbędne badania i stworzą optymalny obraz silnika do dalszego rozwoju dokumentacji projektowej.
Ciekawe, że firma ma już ogólne wyobrażenie o tym, jak będzie wyglądał obiecujący silnik. Demonstruje już komputerowe modele samej instalacji, a wraz z nią statku kosmicznego. Prezentowany produkt posiada wszystkie niezbędne komponenty odpowiadające koncepcji projektu. Jednak w przyszłości, w miarę rozwoju projektu, wygląd instalacji może ulec zmianie.
etap naukowy
Na mocy niedawno podpisanej umowy Pulsar Fusion i Princeton Satellite Systems będą współpracować w zakresie niezbędnych badań w najbliższej przyszłości. Zaplecze techniczne do tych prac zapewni strona amerykańska. Główna część prac odbywać się będzie w ośrodku badawczym Princeton Field-Reversed Configuration 2 (PFRC-2), który był już wykorzystywany w różnych programach badawczych, amerykańskich i zagranicznych.
Schemat ideowy silnika DFD
Pomysł instalacji termojądrowej z odwróconą konfiguracją magnetyczną (Field-Reversed Configuration) został zaproponowany na początku lat XNUMX. Wkrótce potem Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton zbudowało i przetestowało pilotażową instalację tego rodzaju. Po potwierdzeniu operatywności koncepcji kontynuowała badania. Prace prowadzone są na zlecenie Departamentu Energii USA i NASA.
Następnie Princeton Satellite Systems dołączył do badań nad silnikiem termojądrowym. Założyła własną bazę badawczą i zbudowała placówkę PFRC-2. W przyszłości, w miarę realizacji kolejnych etapów badań, planowane jest utworzenie dwóch kolejnych kompleksów doświadczalnych.
Najwyraźniej Pulsar Fusion i Princeton Satellite Systems będą dzielić odpowiedzialność. Wiodącą rolę w badaniach może objąć strona amerykańska, natomiast brytyjscy specjaliści będą bezpośrednio rozwijać silnik w oparciu o nowe technologie. Tak więc już montują niektóre jednostki, prawdopodobnie na potrzeby części testów.
Nie później niż w 2027 roku planowane jest zbudowanie i przetestowanie pełnoprawnego silnika demonstracyjnego technologii. Będzie musiał znacznie różnić się od instalacji laboratoryjnej i umożliwiać instalację na hipotetycznym statku kosmicznym.
W trakcie składania elementów doświadczonego DFD
Pchnięcie z syntezy
Projekt Pulsar Fusion i Princeton Sattelite Systems opiera się na koncepcji Direct Fusion Drive (DFD). Zapewnia uzyskanie ciągu bezpośrednio z syntezy termojądrowej, bez pośrednich etapów wytwarzania energii itp. Do realizacji takiej koncepcji potrzebny jest silnik o określonej konstrukcji, który posiada pewne cechy i elementy reaktora termojądrowego.
Placówkę badawczą PFRC-2 można uznać za prototyp silnika DFD. Posiada odpowiednią konstrukcję oraz wszystkie niezbędne urządzenia. Jednocześnie kompleks laboratoryjny ma ograniczone wymiary i wymaga wielu powiązanych urządzeń. Ponadto nie wykazuje pożądanego poziomu właściwości. Wszystko to umożliwia przeprowadzanie eksperymentów, ale wyklucza pełną implementację w praktyce.
Głównym elementem silnika DFD jest reaktor termojądrowy w postaci cylindrycznej komory, na którą z zewnątrz nałożone są cewki elektromagnetyczne. Komora jest zasilana gazem używanym w syntezie termojądrowej, takim jak mieszanina deuteru i helu-3. Następnie rozpoczyna się reakcja i w środku komory tworzy się skrzep plazmowy o kształcie eliptycznym lub wrzecionowatym. Zapewnia stały dopływ nowego paliwa w celu utrzymania reakcji przez wymagany czas.
Przez jeden z końców płyn roboczy silnika jest podawany do komory - ta lub inna substancja w postaci gazowej. W toku badań konieczne jest określenie optymalnego składu takiego „paliwa”. Przechodząc przez komorę, płyn roboczy musi otrzymać energię, nagrzać się, nie osiągając stanu plazmy i zostać skierowany do dyszy na drugim końcu komory. Wychodząc przez dyszę, gaz wytworzy niezbędny ciąg.
Reakcja termojądrowa umożliwia wytworzenie temperatury kilku milionów stopni w komorze reaktora i przekazanie odpowiednich najwyższych energii do płynu roboczego. W związku z tym możliwa staje się radykalna poprawa parametrów energetycznych silnika - jego ciąg wzrośnie przy zachowaniu akceptowalnego zużycia płynu roboczego. W tym przypadku nie ma strat na pośrednie konwersje energii.
Perspektywy technologii
Pulsar Fusion ujawnia pożądaną wydajność swojego silnika DFD. Tak więc w publikowanych materiałach pojawia się hipotetyczny statek kosmiczny przypominający rakietę o masie 10 ton, wyposażony w kilkumetrowy reaktor termojądrowy, dzięki któremu może osiągnąć prędkość ponad 220 km/s.
Przy tej prędkości minimalna odległość od Ziemi do Marsa jest pokonywana w ciągu dwóch dni. Lot na Tytana, na orbitę Saturna, po optymalnej trajektorii potrwa dwa miesiące. Takie obliczenia nie uwzględniają potrzeby przyspieszania i zwalniania oraz innych aspektów lotu kosmicznego. Jednak nawet w tym przypadku projekt DFD wygląda znacznie ciekawiej niż nowoczesne silniki „chemiczne”.
Wskazano również na inne zalety instalacji DFD. W ten sposób reaktor termojądrowy może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej, aw niezwykle dużych ilościach do technologii kosmicznej. Paliwo do reaktora nie zajmuje dużo miejsca, a płyn roboczy ma być zbierany bezpośrednio w przestrzeni kosmicznej. Przy tym wszystkim zagrożenie radiacyjne instalacji i jej spalin jest minimalne i pod tym względem DFD przewyższa inne opcje silników jądrowych dla kosmosu.
Koncepcja DFD ma jednak szereg wad, m.in. krytyczny. Przede wszystkim problemem jest niedojrzałość technologii syntezy termojądrowej. Mimo wszelkich wysiłków nie udało się jeszcze stworzyć reaktora, który będzie produkował więcej energii, niż jest to wymagane do pracy z plazmą. Jednocześnie silnik DFD potrzebuje dużej mocy wyjściowej - od tego zależą parametry płynu roboczego i charakterystyka lotu.
Ponadto brytyjscy i amerykańscy specjaliści będą musieli rozwiązać problem wymiarów i wagi. Układ napędowy musi być zgodny z parametrami statku kosmicznego i ograniczeniami pojazdu nośnego. Eksperymentalne kompleksy zajmujące duże powierzchnie i wymagające dodatkowej infrastruktury nie mają praktycznych perspektyw.
Z myślą o przyszłości
Ogólnie rzecz biorąc, koncepcja termojądrowego silnika rakietowego DFD i projekt firmy Pulsar Fusion cieszą się dużym zainteresowaniem. Zaproponowano nową konstrukcję silnika dla technologii rakietowej i kosmicznej, która może zapewnić znaczny wzrost wydajności. Jednocześnie nowy typ instalacji będzie w stanie ominąć istniejące próbki w kluczowych parametrach, nawet przy ograniczonym sukcesie – tak duże zaległości mają nową koncepcję.
Rozwój silnika DFD napotyka jednak szereg poważnych ograniczeń i wyzwań na wszystkich poziomach. Nawet jednostka centralna silnika nie jest gotowa, bez której cały układ nie będzie mógł pracować i wykazywać pożądanych właściwości. Firmy biorące udział w nowym projekcie będą musiały rozwiązać szereg złożonych problemów. Jeśli poradzą sobie z postawionymi zadaniami, astronautyka otrzyma nowe możliwości. W przeciwnym razie historia technologia rakietowa zostanie uzupełniona o kolejny ciekawy, ale bezużyteczny projekt.
informacja