Ontwerpafbeelding van het ruimtevaartuig van Pulsar Fusion. Voortstuwingssysteem weergegeven in sectie
Voor de verdere ontwikkeling van raket- en ruimtetechnologie en buiten de baan van de aarde zijn nieuwe technologieën nodig, in de eerste plaats fundamenteel nieuwe voortstuwingssystemen. Nu worden in meerdere landen een aantal van dit soort projecten op basis van de meest gedurfde ideeën uitgewerkt. Zo begon het Britse bedrijf Pulsar Fusion in samenwerking met het Amerikaanse Princeton Satellite Systems te werken aan een Direct Fusion Drive-fusiemotor. De verwachting is dat een dergelijk product unieke technische en economische kenmerken zal vertonen.
Veelbelovende richting
Het Britse bedrijf Pulsar Fusion is in 2011 opgericht door een groep jonge professionals. Ze noemt haar doel de ontwikkeling van nieuwe voortstuwingssystemen voor raket- en ruimtetechnologie, die zullen helpen bij de volgende doorbraak op dit gebied. Idealiter zullen nieuwe ontwikkelingen en voortstuwingssystemen toegang moeten bieden buiten de baan van de aarde en volwaardige activiteit nabij verre hemellichamen.
Het bedrijf werkt aan verschillende opties voor motoren en brandstof voor hen. Zo vonden in november 2021 de eerste brandtesten plaats van vaste brandstoffen gemaakt van gerecycled polyethyleen. De specifieke brandstoflading toonde het vereiste prestatieniveau en bevestigde ook de mogelijkheid om recyclebare materialen in rakettechnologie te gebruiken.
Fusie reactor motor
De afgelopen jaren heeft Pulsar Fusion gesproken over het voornemen om een fusieraketmotor te ontwikkelen en te bouwen. Bij het oplossen van alle gestelde ontwerpproblemen zal een dergelijke installatie unieke kenmerken van tractie en efficiëntie vertonen. De verwachting is dat ruimtevaartuigen met behulp van een fusiemotor in staat zullen zijn om in korte tijd grote afstanden af te leggen.
Tot voor kort hield het bedrijf zich alleen bezig met de theoretische ontwikkeling van een veelbelovend project. Nu gaat het werk naar een nieuwe fase. Half juni tekende Pulsar Fusion een overeenkomst met het Amerikaanse bedrijf Princeton Satellite Systems. Samen gaan ze het nodige onderzoek doen en het optimale beeld vormen van de motor voor de verdere ontwikkeling van projectdocumentatie.
Het is merkwaardig dat het bedrijf al een globaal idee heeft van hoe een veelbelovende motor eruit zal zien. Ze demonstreert al computermodellen van de installatie zelf en het ruimtevaartuig erbij. Het getoonde product heeft alle noodzakelijke componenten die overeenkomen met het concept van het project. In de toekomst, naarmate het project vordert, kan het uiterlijk van de installatie echter veranderen.
wetenschappelijke fase
Volgens een onlangs ondertekende overeenkomst zullen Pulsar Fusion en Princeton Satellite Systems in de nabije toekomst samenwerken aan het nodige onderzoek. De technische basis voor deze werken zal van Amerikaanse zijde worden geleverd. Het grootste deel van het werk zal plaatsvinden op de onderzoeksfaciliteit Princeton Field-Reversed Configuration 2 (PFRC-2), die al is gebruikt in verschillende onderzoeksprogramma's, Amerikaans en buitenlands.
Schematisch diagram van de DFD-motor
Begin jaren XNUMX werd het idee van een thermonucleaire installatie met een omgekeerde magnetische configuratie (Field-Reversed Configuration) voorgesteld. Kort daarna heeft het Princeton Plasma Physics Laboratory een dergelijke proeffabriek gebouwd en getest. Nadat ze de bruikbaarheid van het concept had bevestigd, ging ze verder met onderzoek. Het werk wordt uitgevoerd in opdracht van het Amerikaanse ministerie van Energie en NASA.
Vervolgens sloot Princeton Satellite Systems zich aan bij het onderzoek naar een thermonucleaire motor. Ze zette haar eigen onderzoeksbasis op en bouwde de PFRC-2-faciliteit. In de toekomst, wanneer nieuwe onderzoeksfasen worden geïmplementeerd, is het de bedoeling om nog twee experimentele complexen te creëren.
Blijkbaar zullen Pulsar Fusion en Princeton Satellite Systems de verantwoordelijkheid delen. De Amerikaanse kant kan een leidende rol spelen in het onderzoek, terwijl Britse specialisten de motor direct gaan ontwikkelen op basis van nieuwe technologieën. Ze zijn dus al enkele eenheden aan het assembleren, waarschijnlijk voor een deel van het testen.
Uiterlijk in 2027 is het de bedoeling om een volwaardige technologiedemonstratiemotor te bouwen en te testen. Het zal aanzienlijk moeten verschillen van de laboratoriuminstallatie en installatie op hypothetische ruimtevaartuigen mogelijk moeten maken.
Tijdens het assembleren van elementen van een ervaren DFD
Stuwkracht van synthese
Het project Pulsar Fusion en Princeton Sattelite Systems is gebaseerd op het Direct Fusion Drive (DFD)-concept. Het zorgt voor het rechtstreeks verkrijgen van stuwkracht uit thermonucleaire fusie, zonder tussenstadia van energieopwekking, enz. Om een dergelijk concept te implementeren, is een motor met een specifiek ontwerp vereist, die enkele kenmerken en elementen van een thermonucleaire reactor heeft.
De onderzoeksfaciliteit PFRC-2 kan worden beschouwd als een prototype van de DFD-motor. Het heeft een passend ontwerp en alle benodigde apparaten. Tegelijkertijd heeft het laboratoriumcomplex beperkte afmetingen en vereist het veel aanverwante apparatuur. Bovendien vertoont het niet het gewenste niveau van kenmerken. Dit alles maakt het mogelijk om experimenten uit te voeren, maar sluit een volwaardige implementatie in de praktijk uit.
Het belangrijkste element van de DFD-motor is een thermonucleaire reactor in de vorm van een cilindrische kamer, waarop van buitenaf elektromagnetische spoelen worden aangebracht. Het gas dat wordt gebruikt bij thermonucleaire fusie, zoals een mengsel van deuterium en helium-3, wordt in de kamer gevoerd. Dan begint de reactie en wordt een plasmastolsel van elliptische of spindelvorm gecreëerd in het midden van de kamer. Zorgt voor een constante toevoer van nieuwe brandstof om de reactie gedurende de vereiste tijd in stand te houden.
Via een van de uiteinden wordt de werkvloeistof van de motor in de kamer gevoerd - een of andere stof in gasvorm. In de loop van het onderzoek is het noodzakelijk om de optimale samenstelling van zo'n "brandstof" te bepalen. Bij het passeren van de kamer moet de werkvloeistof energie ontvangen, opwarmen, de staat van plasma niet bereiken en naar het mondstuk aan het andere uiteinde van de kamer worden geleid. Als het gas door het mondstuk naar buiten komt, zal het de nodige stuwkracht creëren.
Een thermonucleaire reactie maakt het mogelijk om in de reactorkamer een temperatuur van enkele miljoenen graden te creëren en de overeenkomstige hoogste energieën naar de werkvloeistof over te brengen. Dienovereenkomstig wordt het mogelijk om de energieparameters van de motor drastisch te verbeteren - de stuwkracht zal toenemen terwijl een acceptabel verbruik van de werkvloeistof behouden blijft. In dit geval zijn er geen verliezen voor tussentijdse energieomzettingen.
Technologie Perspectieven
Pulsar Fusion onthult de gewenste prestaties van zijn DFD-motor. Dus in de gepubliceerde materialen verschijnt een hypothetisch raketachtig ruimtevaartuig met een gewicht van 10 ton.Het is uitgerust met een thermonucleaire reactor van enkele meters lang, waarmee het snelheden van meer dan 220 km / s kan bereiken.
Met deze snelheid wordt de minimale afstand van de aarde tot Mars in twee dagen overbrugd. De vlucht naar Titan, naar de baan van Saturnus, op het optimale traject duurt twee maanden. Dergelijke berekeningen houden geen rekening met de noodzaak van versnelling en vertraging en andere aspecten van ruimtevluchten. Maar zelfs in dit geval ziet het DFD-project er veel interessanter uit dan moderne "chemische" motoren.
Ook op andere voordelen van de DFD-installatie wordt gewezen. Zo kan een thermonucleaire reactor worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, en in ongewoon grote volumes voor ruimtetechnologie. De brandstof voor de reactor heeft niet veel ruimte nodig en er wordt voorgesteld om de werkvloeistof direct in de ruimte op te vangen. Met dit alles is het stralingsgevaar van de installatie en haar uitlaat minimaal, en in dit opzicht is DFD superieur aan andere opties voor nucleaire motoren voor de ruimte.
Het DFD-concept heeft echter een aantal nadelen, oa. kritisch. Allereerst is het probleem de onvolwassenheid van de thermonucleaire fusietechnologie. Ondanks alle inspanningen is het nog niet gelukt om een reactor te maken die meer energie zal produceren dan nodig is om met plasma te werken. Tegelijkertijd heeft een DFD-motor een grote energieoutput nodig - de parameters van de werkvloeistof en vluchteigenschappen hangen ervan af.
Bovendien zullen Britse en Amerikaanse specialisten het probleem van afmetingen en gewicht moeten oplossen. Het voortstuwingssysteem moet voldoen aan de parameters van het ruimtevaartuig en de beperkingen van het draagraket. Experimentele complexen die grote panden bezetten en extra infrastructuur nodig hebben, hebben geen praktisch perspectief.
Met een visie voor de toekomst
Over het algemeen is het concept van de DFD thermonucleaire raketmotor en het project van Pulsar Fusion van groot belang. Er wordt een nieuw motorontwerp voor raket- en ruimtetechnologie voorgesteld, dat een aanzienlijke prestatieverbetering kan opleveren. Tegelijkertijd zal een nieuw type installatie bestaande voorbeelden in belangrijke parameters kunnen omzeilen, zelfs met beperkt succes - zo'n grote achterstand heeft een nieuw concept.
De ontwikkeling van de DFD-engine kent echter op alle niveaus een aantal ernstige beperkingen en uitdagingen. Zelfs de centrale eenheid van de motor is niet klaar, zonder welke het hele systeem niet kan werken en de gewenste kenmerken kan vertonen. Bedrijven die deelnemen aan het nieuwe project zullen een aantal complexe problemen moeten oplossen. Als ze de gestelde taken aankunnen, krijgt de ruimtevaart nieuwe kansen. Anders история rakettechnologie zal worden aangevuld met een ander interessant, maar nutteloos project.