На Марс с ветерком: в ближайшие годы наши учёные получат «термояд» и электродвигатели для космоса

Несмотря на принявший неприличные обороты массовый отъезд российских учёных за границу, наша страна ещё способна потрясти мир. И «может собственных Платонов и быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать». Вот только во времена Михайло Ломоносова, наверное, было на порядок меньше бюрократии. Иначе он обязательно написал бы об этом. Сегодня, увы, всё по-другому.

Сенсация

Начнём, пожалуй, сразу с научной сенсации, от которой у многих исследователей в зобу дыхание точно сопрёт. Сотрудниками Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и ООО «Знаю Как» впервые реализован способ получения и ускорения плазменного кольца с микрограммовой массой и с циркулирующим замкнутым током в десятки килоампер, лежащий в основе и термоядерного реактора, и электроракетного двигателя.

– Физический принцип их работы основан на законе Ампера об отталкивании/притяжении проводников с током: сила, которая возникает между проводниками, прямо пропорциональна произведению токов в этих проводниках, их длине и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Тяга двигателя, основанного на таком принципе, образуется за счёт выбрасывания одного из проводников в пространство, то есть ток плазмы или пробой в ней и выполняет роль этого выбрасываемого проводника. Для быстрого перемещения многотонного космического корабля с таким двигателем токи должны достигать сотен килоампер. Пропускание линейного тока через электроды неэффективно в силу их быстрого разрушения, да и сила отталкивания (и приобретаемый импульс) будут маленькими из-за быстрого увеличения расстояния между токами в проводе и плазме.

Поэтому ещё в 50-годах прошлого века было предложено использовать замкнутые витки с током в магнитном поле. Такая безэлектродная осесимметричная конфигурация витка с током, называемая компактным тором, или FRC (Field Reversed Configuration), может работать годами, – поясняет ведущий инженер Физического института (ФИАН) РАН, руководитель ООО «Знаю Как» Александр Мозговой.

– Стоп! Зачем городить огород с новым непонятным ракетным двигателем, когда уже есть не просто решение, а проверенное десятилетиями полётов решение?

– Начнём с того, что ракетные двигатели на химическом топливе близки к пределу своих возможностей: скорость выброса продуктов сгорания не превышает 5 км/сек. Но они обладают тягой в сотни тонн и ещё долго будут незаменимы для преодоления земного притяжения.

Дальше сразу идёт другой класс так называемых электроракетных двигателей. Он предназначен для работы уже в космосе, их тяга мала, порядка килограмм-силы при 100 кВт потребления. Их применяют для коррекции орбит или для доускорения спутников при полёте к дальним планетам. Это ионные, холловские и другие плазменные двигатели. Скорость выброса вещества в них уже вырастает до десятков км/сек. Недостаток их в том, что там происходит только однократное ускорение ионов вещества под действием электрического поля либо выброс из-за сильного нагрева газа – СВЧ или путём пропускания его через атомный реактор, как в аванпроекте «Роскосмоса» и «Росатома».

Мы же в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН фактически создаём новый класс электроракетных двигателей с постоянной тягой в десятки тонн. У него свои задачи, свои позиции, – уверен учёный Мозговой.

Буксировщик для астероида

Он честно признался, что попытки провести эксперимент при атмосферном давлении не увенчались успехом. Но двигатель ФИАН будет работать эффективно уже на высотах свыше 70 км, куда его будет доставлять одноступенчатая многоразовая ракета с жидкостным двигателем типа Falcon.

Дальнейшее ускорение для достижения 1-й космической скорости может занимать больше времени, чем сейчас, соответственно, перегрузки будут меньше. Поскольку тяга двигателей будет больше веса корабля, то он вообще может висеть на одной высоте – и у реактора, и у двигателя будет неограниченный режим работы.

При токе в замкнутом витке (торе) в плазме 100 кА и в многовитковых обмотках порядка M *килоампер* N витков с диаметром несколько метров сила будет достигать сотен килоньютонов (десятки тонн). Это просто линейный электродвигатель, замкнутый ток в одной из его подвижных частей течёт в плазме. В токамаках ток в таких «бубликах» достигает мегаампер!

Космический корабль массой несколько сотен тонн с ядерным реактором и таким двигателем сможет достигать Марса за неделю c постоянным ускорением/торможением 0.3 g (сила притяжения на Марсе 0.3 земной). Как тебе такое, Илон Маск?! – шутит физик Мозговой.

Технически получение в микросекундном импульсе замкнутого плазменного витка с током в сотни килоампер является очень сложной задачей, решение которой видится возможным благодаря многолетним целенаправленным усилиям специалистов ФИАНа. В квазистационарном режиме, как в токамаке, это сделать проще.

Для проверки нового способа получения и ускорения компактных торов в ФИАНе была создана экспериментальная установка с энергозапасом до 200 кДж. В проведённых экспериментах скорость движения замкнутого витка с током (тора) достигала десятка км/сек – и это на длине ускорения меньше метра, которую в ракете можно увеличивать до сотен метров, чтобы достичь скорости выброса в тысячи км/сек (один процент от скорости света).

Конечно, при такой скорости необходима и быстрая коммутация энергии в обмотках, ведь при прохождении витка с током мимо обмотки направление тока в ней должно меняться на противоположное: сначала обмотка притягивает виток, потом – отталкивает. Например, в диапазоне частот (50–1000 Гц), коммутируемая мощность в двигателе будет достигать мегаваттного диапазона, коммутация которой наряду с использованием сверхпроводниковых обмоток является одной из труднорешаемых задач.

ФИАН также является одним из мировых лидеров по исследованию сверхпроводимости.

Кстати, двигатели с общей тягой сотни тонн будут также незаменимы в борьбе с астероидной опасностью путём изменения траектории их движения. Запуская тяжёлый космический корабль в сторону астероида, можно будет менять траекторию последнего, используя корабль в качестве своеобразного буксира. Эффективность такой коррекции траектории астероида будет сильно зависеть от времени до предполагаемого столкновения с Землёй: чем больше время – тем меньшее усилие потребуется для коррекции.

Термоядерное сердце

Для энергоснабжения электроракетного двигателя необходимо огромное количество энергии, и оптимальным её источником является атомный реактор, основанный на том же физическом принципе, что и двигатель.

Физик уверен (и, видимо, знает, о чём говорит! – Прим. ред.), что в ближайшие годы по российской технологии будет осуществлена управляемая термоядерная реакция и созданы абсолютно безопасные реакторы с мощностью в десятки мегаватт. Весь наш привычный мир рухнет! Все эти вонючие бензиновые машины, курящиеся башни ТЭЦ и даже милые сердцу «Росатома» АЭС сгинут в пучине термоядерной энергетики...

– Для осуществления термоядерной реакции синтеза необходимо ускорить и столкнуть два компактных тора, то есть использовать ту же самую технологию. Изначально это и было главной целью наших экспериментов. При одинаковом направлении тока торы будут притягиваться и остановятся в месте встречи с выделением всей запасённой кинетической энергии. В существующих коллайдерах заряженных частиц лишь незначительная часть энергии пучков выделяется в месте столкновения.

Ток в компактных торах достигал нескольких десятков килоампер. Tемпература плазмы в месте столкновения превысила несколько кэВ и длительность импульса мягкого рентгеновского излучения – около 1 микросекунды, т.е. на три порядка выше, чем в знаменитой американской Z‑machine, где она 1–2 наносекунды, при 20 МДж запасаемой энергии. В нашей установке – 200 кДж.

Масштабирование таких экспериментов с ещё большей энергией – это прямой путь к осуществлению термоядерной реакции, а сам процесс ускорения – это основа новых электроракетных двигателей, – говорит Александр.

Российские учёные в термоядерных исследованиях пока впереди, но и учёные из других стран тоже не спят ночами! Так как страна, которая первая в мире создаст термоядерный реактор, станет безусловным мировым лидером без всяких ракет и танков.

Сказать, что государство не думает об этом, нельзя. «Росатом» (институт ТРИНИТИ) в марте получил от правительства России 2, 6 млрд руб. на реконструкцию двух своих зданий под электроракетные двигатели). «Роскосмос» выделил 4, 2 млрд руб. КБ «Арсенал» на аванпроект с ядерной установкой. Но координации как не было, так и нет.

– Наукой, космосом интересуются и инвестируют туда многие бизнесмены, в том числе знакомые всем Юрий Мильнер, Лев Хасис, Илон Маск, а также Билл Гейтс с его фондом Breakthrough Energy Ventures. Также нужно привлечь «Росатом», «Роскосмос», ВЭБ.РФ. России нет в Mission innovation (за переход на «чистую» энергию). Надо бы создать свою международную коллаборацию для продолжения работ с привлечением национальных космических и атомных агентств, частных компаний – S 7, SpaceX, Blue Origin, Virgin Galactic и других, – считает физик Александр Мозговой.

По его убеждению, термоядерный проект по сложности и значимости сравним с атомным проектом СССР. Тогда мы получили атомное оружие, здесь получим безопасную термоядерную энергетику и сможем осваивать Солнечную систему. «Я на Марс! По делу! Срочно!»…

P.S. Александр Мозговой обратился в «АН» не от хорошей жизни. В родном ФИАН, к сожалению, больше думают о планах публикации статей в рамках наукометрии. В профильном Миннауки думают о чём угодно, только не о науке. Да и думать о ней некому – среди замов министра ни одного учёного. Вот и получается: мы стоим в шаге от революции в энергетике и топчемся на месте. И этот последний шаг вполне может сделать кто-то другой. Может быть, сам министр Валерий Фальков выкроит полчаса и выслушает Александра Мозгового? Глядишь, и сделаем тогда этот последний шаг…