М ечтата за ядрен синтез е преследвана от някои от най-ярките умове в света вече десетилетия. Лесно е да разберем защо — възпроизвеждането на вътрешната работа на звездите тук, на Земята, би означавало практически неограничена и чиста енергия, пише CNN.
Въпреки дългата история на опити и няколко пробива, тази мечта все още не е станала реалност и вероятно сме далеч от това да видим термоядрена електроцентрала някъде на планетата.
Извършването на процеса в Космоса може да звучи като добавяне на допълнителен слой сложност към вече самата по себе си сложна технология, но теоретично това може да се случи по-рано, отколкото на Земята. Това може да помогне на космическите кораби да постигнат скорости до 805 000 километра в час — повече от най-бързия обект, създаван някога, слънчевата сонда Parker на НАСА, която достигна своя връх от 692 000 километра в час.
С финансиране от Космическата агенция на Обединеното кралство, британският стартъп Pulsar Fusion представи Sunbird — концепция за космическа ракета, предназначена да посреща други космически кораби в орбита, да се прикрепя към тях и да ги транспортира до местоназначенията им с главоломна скорост, използвайки ядрен синтез.
„Много е неестествено да се прави синтез на Земята“, казва Ричард Динан, основател и главен изпълнителен директор на Pulsar. „Синтезът не иска да работи в атмосфера. Космосът е много по-логично и разумно място за синтез, защото там всъщност иска да се случи.“
Засега Sunbird е в много ранен етап на изграждане и има изключителни инженерни предизвикателства за преодоляване, но Pulsar твърди, че се надява да постигне синтез в орбита за първи път през 2027 г. Ако ракетата някога започне да функционира, тя може да намали наполовина времето за пътуване по потенциална мисия до Марс.
Само грамове гориво
Ядреният синтез се различава от ядреното делене, което захранва настоящите атомни електроцентрали. Делението работи чрез разделяне на тежки, радиоактивни елементи като уран на по-леки, използвайки неутрони. Огромното количество енергия, отделено при този процес, се използва за производство на електричество.
Синтезът прави обратното: комбинира много леки елементи като водород в по-тежки, използвайки висока температура и налягане. „Слънцето и звездите са термоядрени реактори“, казва Динан. „Те са готварски печки за елементи — готвене на водород в хелий — и след това, докато умират, създават тежките елементи, които изграждат всичко. В крайна сметка Вселената е предимно водород и хелий, а всичко останало е приготвено в звезда чрез синтез.“
Термоядреният синтез е толкова търсен, защото освобождава четири пъти повече енергия от деленето и четири милиона пъти повече енергия от изкопаемите горива. Но за разлика от деленето, термоядреният синтез не изисква опасни радиоактивни материали — вместо това термоядрените реактори биха използвали деутерий и тритий, тежки водородни атоми, които съдържат допълнителни неутрони. Те биха работили с минимални количества гориво и не биха произвеждали опасни отпадъци.
Въпреки това, термоядреният синтез изисква огромно количество енергия, за да започне, тъй като трябва да се създадат условия, подобни на ядрото на звезда — изключително висока температура и налягане, заедно с ефективно ограничаване, за да се поддържа реакцията. Предизвикателството на Земята е било да се създаде повече енергия от термоядрения синтез, отколкото е вложено в началото, но досега едва сме успели да се изравним.
Но ако производството на електрическа енергия не е основната цел, нещата стават по-малко сложни, твърди Динан — целта за създаване на по-бърза скорост на отработените газове е значително по-проста.
Процесът на термоядрени реакции протича в плазма — горещ, електрически зареден газ. Подобно на предложените реактори на Земята, Sunbird ще използва силни магнити, за да загрее плазмата и да създаде условия, при които горивото — което ще бъде в количества от порядъка на грамове — да се разбие и слее. Но докато на Земята реакторите са кръгли, за да се предотврати изтичането на частици, в Sunbird те ще бъдат линейни — защото изтичащите частици ще задвижват космическия кораб.
Най-накрая, няма да се произвеждат неутрони от реакцията на синтез, които реакторите на Земята използват за генериране на топлина; вместо това Sunbird ще използва по-скъп тип гориво, наречено хелий-3, за да произвежда протони, които ще се използват като „ядрен ауспух“ за осигуряване на задвижване.
Процесът, който се прилага в Sunbird, би бил скъп и неподходящ за производството на енергия на Земята, признава Динан. Въпреки това, тъй като целта не е производството на енергия, процесът може да бъде неефективен и скъп, но въпреки това ще бъде ценен, тъй като би спестил разходи за гориво, би намалил теглото на космическите кораби и би позволил да се постигнат много по-бързи скорости за транспорт до различни местоназначения.
Намаляване на времето за пътуване
Sunbirds ще работят по подобие на градските велосипеди в станциите за зареждане, според Динан: „Изстрелваме ги в Космоса и ще имаме станция за зареждане, където те могат да седнат, а след това ще се срещнат с вашия кораб“, казва той. „Изключвате вашите неефективни двигатели с вътрешно горене и използвате ядрен синтез през по-голямата част от пътуването си. В идеалния случай ще имате станция някъде близо до Марс и ще имате станция на ниска околоземна орбита, а Sunbird ще се движат напред-назад.“
Някои компоненти ще бъдат тествани в орбита още тази година. „Те са основно печатни платки, които се качват, за да бъдат тествани и да се уверим, че работят. Не е много вълнуващо, защото няма синтез, но трябва да го направим“, казва Динан. „След това, през 2027 г., ще изпратим малка част от Sunbird в орбита, само за да проверим дали физиката работи както компютърът предполага. Това ще бъде първата ни демонстрация в орбита, където се надяваме да постигнем синтез в Космоса. И се надяваме, че Pulsar ще бъде първата компания, която действително ще постигне това.“
Този прототип ще струва около 70 милиона долара, според Динан, и няма да бъде пълен Sunbird, а по-скоро „експеримент за линеен синтез“, за да се докаже концепцията. Първата функционална Sunbird ще бъде готова четири до пет години по-късно, казва той, при условие че бъде осигурено необходимото финансиране.
Първоначално Sunbirds ще се използват за совалкови сателити в орбита, но истинският им потенциал ще бъде осъществен при междупланетни мисии. Компанията предлага няколко примера за мисии, които Sunbird може да осъществи, като доставка на до 2000 килограма товар до Марс за по-малко от шест месеца, разполагане на сонди до Юпитер или Сатурн за две до четири години и мисия за добив на астероиди, която ще завърши двупосочно пътуване до близък астероид за една до две години вместо за три.
Други компании също работят върху двигатели за ядрен синтез за космическо задвижване, включително базираната в Пасадена Helicity Space, която получи инвестиция от аерокосмическия гигант Lockheed Martin през 2024 г. НАСА и General Atomics работят върху друг тип ядрен реактор, базиран на делене, който планират да тестват в Космоса през 2027 г.
Според Арън Нол, старши преподавател в областта на плазменото задвижване на космически кораби в Imperial College London, който не е ангажиран с Pulsar Fusion, има огромен потенциал за използването на термоядрена енергия за задвижване на космически кораби. „Въпреки че все още сме на няколко години от превръщането на термоядрената енергия в жизнеспособна технология за производство на електрическа енергия на Земята, не е необходимо да чакаме, за да започнем да използваме този източник на енергия за задвижване на космически кораби“, казва той.
Той допълва, че докато за производството на енергия на Земята трябва да се генерира повече енергия от вложената, когато термоядрената енергия се използва за генериране на тяга в космически кораб, всяка изходяща енергия е полезна — дори ако е по-малка от доставената енергия. Цялата комбинирана енергия от външното захранване и реакциите на синтез ще увеличи тягата и ефективността на задвижващата система.
Технически пречки
Въпреки това, има значителни технически пречки при превръщането на термоядрената технология в реалност. „Настоящите проекти на термоядрени реактори на Земята са големи и тежки системи, които изискват инфраструктура като системи за съхранение на енергия, захранване, доставяне на газ, магнити и оборудване за вакуумно изпомпване“, казва той. „Миниатюризирането на тези системи и превръщането им в леки е огромно инженерно предизвикателство.“
Бхувана Шринивасан, професор по аеронавтика и астронавтика във Вашингтонския университет, която също не е ангажирана с Pulsar, е съгласна, че задвижването с ядрен синтез има значителен потенциал за космическите полети. „Би било изключително полезно дори за пътуване до Луната, защото може да осигури средства за изграждането на лунна база с екипаж в една мисия. Ако успее, ще надмине съществуващите технологии за задвижване не само постепенно, но и драматично“, казва тя.
Тя добавя, че превръщането на ядреното синтезно задвижване в компактно и леко устройство остава сериозно инженерно предизвикателство, което поставя по-малко акцент върху земните нужди за енергия.
Отключването на термоядреното задвижване, според Шринивасан, не само би позволило на хората да пътуват по-далеч в Космоса, но и би променило играта за мисии без екипаж, като например за събиране на ресурси като хелий-3 — термоядрено гориво, което е рядкост на Земята и трябва да се създава изкуствено, но може да бъде в изобилие на Луната:
„Ако успеем да изградим лунна база, която да бъде отправна точка за изследване на дълбокия Космос, достъпът до потенциален резерв от хелий-3 може да бъде безценен“, казва тя.
„Изследването на планети, луни и слънчеви системи по-далеч е фундаментално за нашата любопитна и проучвателна природа като хора, като същевременно може да доведе до значителни финансови и обществени ползи, които може би все още не осъзнаваме.“
