Пинч для Ориона

Рис. 1.  Классический Орион. Художник Joe Bergeron: http://www.joebergeron.com/index.html

Nothing is impossible. The word itself says: «I’m possible!»  Audrey Hepburn

    Создание космического аппарата, способного в пределах 100 лет долететь до Альфы Центавра, является не только технической, но и фундаментальной проблемой. В эффектной анимации Дистанция до ближайшей звезды автомобиль преодолевает это расстояние в масштабе, в котором одна астрономическая единица равна ширине мизинца (АЕ = 150 млн. км) ! В разное время, начиная с 50-х прошлого века, было предложено много идей (список Starship R&D Projects на сайте http://www.interstellarindex.com). Но ни один из реалистичных проектов, основанных на достоверных знаниях, не обладает потенциалом звездной миссии. При этом в основе каждой идеи, которая кажется решением проблемы, всегда обнаруживаются ошибки или гипотезы. 

    А как насчет Ориона с его красивой идеей — разгоном толчками плазмы от ядерных взрывов ~100т ? Этот смелый проект — дитя эпохи ядерной романтики, предполагал пилотируемые полеты ко всем планетам от Меркурия до Сатурна, которые должны были произойти с конца 60-х до начала 90-х ! По сочетанию тяги и удельного импульса Орион не имеет равных среди космических кораблей, которые можно было бы построить прямо сейчас. Оригинальные материалы впечатляют глубиной проработки проекта. 

   Однако согласно оценкам Фримена Дайсона, для полета к Альфе Центавра на скорости 10 000 км/сек стартовая масса гипотетического Супер-Ориона составила бы миллионы тонн http://extremal-mechanics.org/archives/12256. Для приведения этого монстра в движение требовались миллионы мегатонных зарядов, посылающих с ~10 км мягкие толчки плазмой в тонкую плиту диаметром 10 км ! Таким образом, принцип Ориона не подходит для звездной миссии. 

     На скорости 10 000 км/cек полет до ближайшей звезды продлится 130 лет, поэтому 10 000 — знаковый рубеж. До тех пор, пока мы не сможем его преодолеть, остается только рассматривать звезды в телескопы. Однако известная формула, получаемая из закона сохранения импульса, крайне враждебна звездной романтике :

V=v\cdot\frac{M}{M+M_0}\cdot \ln\frac{M+M_0+m}{m}       (*)

Здесь V — крейсерская скорость ракеты массы m, которая затратила на разгон M рабочего тела, истекающего из сопла со скоростью v, а также M_0 других материалов. В современных ракетах химическое топливо превращается в рабочее тело M, а массу M_0 составляют сбрасываемые ступени. В ядерном реактивном двигателе (ЯРД) топливо и рабочее тело являются разными веществами. Здесь не учитываются затраты на преодоление земной гравитации, которые в контексте межзвездного полета не имеют никакого значения.

      В лучших из ЖРД v=5 км/сек, поэтому для разгона корабля с массой m=100 тонн до 10 000 км/сек придется залить в баки не меньше 10^{870} тонн кислородо-водородного топлива. Масса Вселенной меньше на порядок показателя степени! Для лучшего твердофазного ЯРД v=10 км/сек, и это «понижает» границу M+M_0 до 10^{435} тонн. При термоядерном взрыве скорость разлета плазмы из зоны реакции может составить 1 000 км/сек. Исходя из этой оценки для корабля на синтезе дейтерия с гелием-3, который считается наиболее перспективным для звездной миссии, стартовая масса M+M_0+m больше миллиона тонн! Впрочем энтузиасты оценивают скорость струи из сопла в 10 000 км/cек. В любом случае не было предложено ни одной, теоретически работающей идеи термоядерного двигателя http://extremal-mechanics.org/archives/1428.  

   Для излечения звездных кораблей от безумного гигантизма необходимо разгрузить их от топлива и рабочего тела, на разгон которых расходуется практически вся тяга. Применительно к Ориону это означает размещение тяговых ядерных сборок в космосе, на участке разгона аппарата http://extremal-mechanics.org/archives/305. В этом заключается идея «ядерной аллеи», а в NASA такой принцип называется EEEP http://extremal-mechanics.org/archives/321.

   Рассмотрим его на примере зонда LongShot, разобранного на детали в http://extremal-mechanics.org/archives/1471. Полная энергия термоядерного синтеза, которая выделилась бы за 100 лет работы двигателя, эквивалентна 22.18 Гигатонн ТНТ. Это близко к историческому максимуму в 27.3 Гт, которого в 1974 достиг мировой ядерный арсенал. Из них 8.3 Гт приходилось на США, 18.7 Гт на СССР и 300 Мт на все остальные страны http://www.johnstonsarchive.net/nuclear/nucstock-i.html. Таким образом, энергозатраты на миссию Альфа Центавра сопоставимы с кошмарной ядерной мощью, которую мудрое человечество заготовило на случай вторжения инопланетян. Сегодня эта величина не превышает 10 Гигатонн, из которых больше 60% приходится на Россию.

    Если отказаться от торможения по прибытии на место и полностью разгрузить LongShot от 264 т топлива, то его масса составит 132 т. Тогда для разгона до пиковой скорости 14 500 км/сек потребуется 3.25 Гт полезной энергии. При оптимистичном КПД в 50%, если для внешней подачи смеси D+He^3 использовать миллион капсул по 77 грамм, то мощность каждого взрыва составит 6.5 Кт. Чтобы исключить проблему зажигания следует заменить термоядерные капсулы на плутониевые заряды по 6.5 Кт. Их масса будет на 3 порядка больше, но теперь это не имеет принципиального значения. Однако очевидно, что камера сгорания не выдержит такой поток энергии. Магнитное сопло не поможет, потому что оно не остановит поток нейтронов и рентгеновского излучения с плотностью конденсированной материи. При этом общая масса плутония в зарядах составит 5 — 10 тысяч тонн. Весь объем выработанного в мире Pu^{239} можно оценить в 400 — 500 тонн. Поэтому невообразимая стоимость проекта включает десятилетия ударного производства на десятках специально построенных заводах уровня Хэнфорд (США) или Маяк-235 (Россия). При этом организация такой ядерной аллеи, сама по себе, является грандиозным и экстремально дорогим мероприятием. 

    С EEEP также связана физическая проблема: в процессе разгона тяговые импульсы будут ослабевать. Дело в том, что на большой скорости плазменный сгусток отстанет от сопла или тяговой плиты (в случае Ориона). Это начнет проявлять себя задолго до 1 000 км/сек. Для решения проблемы можно было бы использовать устройство типа «термоядерный винчестер» http://extremal-mechanics.org/archives/1208Однако, исходя из практических соображений, идея разгона по аллее до ~10 000 км/сек не имеет никакой перспективы.      

Рис. 2.  Z-машина. Источник этого произведения современного искусства: Национальная лаборатория Sandia  http://www.sandia.gov/

   Но есть ли смысл рассуждать о полетах к звездам, когда до сих пор не могут быть осуществлены пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы? В статье http://extremal-mechanics.org/archives/321 предлагается сценарий марсианской миссии в течении 1 года, где для дополнительного разгона и торможения корабля типа шаттл предлагается использовать принцип Ориона и ядерные тяговые сборки. Для пилотируемого полета к Юпитеру необходима скорость не меньше 50 км/cек. Однако для того, чтобы разогнать корабль с массой m=100 тонн до 50 км/cек, ракета с ЯРД и v=10 км/сек должна иметь стартовую массу M+M_0+m больше 30 000 тонн! 

   А что если вернуться к исходному проекту «Орион», учитывая современные технологические возможности ? Очевидно можно изготовить устройство весом 50 кг и мощностью ~100 тонн ТНТ, которое формирует плазменную струю с массой 10 кг и скоростью 200 км/cек. Будем считать, что вся ее механическая энергия поглощается блоком амортизации, а m=200 тонн. Последняя оценка является оптимистичной, учитывая особые требования к прочности конструкции и необходимость защиты от нейтронной радиации. Тогда при стартовой массе 700 тонн, израсходовав 10 000 тяговых сборок, 200-тонный корабль ускорится на 50 км/cек.

   Преимущество Ориона перед ракетой с обычным ЯРД является подавляющим. Однако, только на разгон потребуется примерно 100 тонн оружейного плутония. Это  очень много ! Необходимо также иметь на борту 10 000 pulse units для торможения при возвращении к Земле. Тогда m=700 тонн и для ускорения на 50 км/cек стартовая масса M+M_0+m должна быть равна 2 500 т. Это разумная величина, однако на этапе разгона потребуется 35 000 зарядов, а общий расход плутония составит 350+100=450 т. Больше, чем когда-либо было в арсенале США или России !

    Ядерная аллея способна разгрузить Орион от 35 000 стартовых зарядов. Это позволит разогнать 700-тонный корабль до 50 км/сек, затратив 17 500 тяговых сборок. Для торможения 200-тонного Ориона по прибытии к Земле можно организовать еще одну ядерную аллею. Однако и в этом случае общий расход Pu^{239} или U^{233} будет неприемлемо большим — 350 тонн без учета маневров около Юпитера. Итогом одной космической экспедиции станет всеобщее ядерное разоружение! Это нельзя однозначно считать плохим финалом, но … Orion не имеет перспектив для межпланетного сообщения из-за ничтожной эффективности использования делящихся материалов. Серьезной проблемой является радиационная защита экипажа, поскольку ядерный взрыв в 50 — 100 тонн ТНТ создает смертельный уровень нейтронной радиации за 300 м от эпицентра.  

    Возможен ли апгрейд Ориона, если значительно уменьшить расход делящихся материалов? Ведь ядерный взрыв с эквивалентом 200 тонн ТНТ использует лишь 10 грамм из 10 кг плутония, которые необходимы для развития цепной реакции http://nuclearweaponarchive.org/News/DoSuitcaseNukesExist.html. Более эффективное использование делящегося материала влечет за собой более мощный взрыв. Например, при взрыве бомбы Fat Man мощностью выше 20 Кт было израсходовано немногим больше 1 кг плутония из 6 кг — эффективность около 20%. Но столь эффективная имплозивная схема значительно увеличит массу бомбы, а двигательная система Ориона не выдержит ядерного взрыва, который выходит из килотонного размера. Таким образом, существенно уменьшить содержание плутония в тяговой сборке невозможно.               

   Однако в рамках проекта Mini-Mag-Oriohttp://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/Pub-MiniMagOrion.pdf, разработанного частной компанией Andrews Space в 2003, была предпринята попытка доработать Орион в направлении радикального повышения эффективности использования делящихся материалов. В этом качестве рассматривался изотоп кюрий-245, который можно извлекать из радиоактивных отходов. Согласно оценкам авторов он имеет более, чем вдвое низкую критическую массу по сравнению с плутонием-239. Предлагается использовать магнитное сопло и производить в нем ядерные мини-взрывы. Делящийся материал имеет форму цилиндра из кюрия-245 с массой 42.8 грамм, размером меньше 1 см. Внутрь цилиндра закачан дейтерий-тритиевый газ в качестве источника нейтронов — триггера цепной реакции. Для отражения нейтронов используется оболочка из 15.2 грамм бериллия.

 Получается нечто вроде «ядра демона» в миниатюре http://www.strangerdimensions.com/2012/07/30/the-demon-core. Для достижения сверхкритического состояния через него в течении 1-2 микросекунд пропускается импульсный ток 70 МА. Кюриевый цилиндр почти мгновенно испаряется и превращается в полностью ионизированную плазму. Проходящий через плазменный цилиндр, экстремальный продольный ток вызывает Z-пинч. Это — эффект радиального сжатия плазменного канала под действием азимутального магнитного поля, индуцированного током. Наблюдается Z-пинч, к примеру, в обычных молниях. После сжатия плазмы ее плотность возрастает в 30 раз по отношению к плотности исходного вещества. В результате этого, по мнению авторов, будет достигнуто сверхкритическое состояние. В кюрии-245 разовьется цепная реакция, достаточная для высвобождения ядерной энергии с эффективностью 10%, что приведет к взрыву в 70 — 80 тонн ТНТ. Из них 50% будет передано разлетающейся плазме, из которой 50% направлено магнитным соплом в нужную сторону со скоростью v=100 км/сек. Последовательность взрывов с частотой 1 Гц создаст внушительную тягу 1 100 кН.

    Для разгона до 100 км/сек корабля, имеющего стартовую массу 712 тонн с полезной нагрузкой 100 т, придется затратить менее 400 кг кюрия-245. На фоне предыдущих оценок выглядит замечательно ! Даже если промышленное получение данного изотопа из отходов окажется слишком дорогим делом, все равно эти оценки очень вдохновляют. Потому что вместо кюрия можно использовать плутоний. Этот вариант авторы проекта также изучили, и он немногим уступает кюрию.

   Но неужели в десятках граммов делящегося материала в самом деле можно инициировать эффективную цепную реакцию ? Ответ однозначно отрицательный ! Авторы ошиблись, масштабируя критическую массу до плотности в 30 раз выше нормальной. Формально критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности, но фактически, при размере делящейся сборки меньше сантиметра, цепная реакция в ней не разовьется. Дело в том, что длина свободного пробега нейтрона в веществе обратно пропорциональна его плотности. В уране нормальной плотности средний пробег около 13 см, поэтому в кюрии 30-кратной плотности он будет близок к 5 — 6 мм. Поскольку радиус сжатого плазменного цилиндра в несколько раз меньше, большинство нейтронов покинет зону реакции раньше, чем разделит хотя бы одно ядро кюрия. Надежды на тонкий отражающий слой бериллия наивны, поскольку этот элемент — не зеркало для нейтронов. Хотя и рассеивает их лучше, чем многие другие. Зеркал для нейтронов в принципе не существует. Лишь часть отражается даже толстым слоем бериллия, а остальные рассеиваются во все стороны или проходят насквозь.   

    Как следствие, цепная реакция в Cm^{245} мгновенно затухнет и ядерного взрыва не будет. В этом нет ничего нового. Давно известно, что из малого количества делящегося материала устроить ядерный взрыв невозможно. Придется увеличить исходный размер сборки до сантиметров, и тогда ее масса вырастет до килограммов. А это — возврат к экономически неприемлемому варианту Ориона. Пусть даже оснащенному магнитным соплом и остроумной системой подачи тока через майларовую пленку http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/Pub-MiniMagOrion.pdf.     

   Для генерации импульсного тока предлагается использовать батарею Маркса из 10  параллельно соединенных конденсаторов 500 мкФ, заряженных до 170 киловольт каждый. Всего 72 МДж электрической энергии. Принцип работы такой батареи заключается в том, что при быстром переключении конденсаторов в последовательную схему напряжение на разъемах вырастет в 10 раз (по числу конденсаторов). За счет этого в кюриевом цилиндре, а затем плазме наводится импульсный ток 70 МА. Однако реализация такой схемы на борту космического корабля связана с большими трудностями. Чтобы почувствовать это, достаточно посмотреть на эффектное фото Z-машины в лаборатории Sandia (рис. 2). В аналогичных экспериментах по Z-пинчу, связанных с инерционным термоядерным синтезом, там получают ток 20 МА за время разряда ~0.1 мкс. Это на порядок хуже того, что необходимо для работы двигателя MMO (Mini-Mag-Orion). Кроме того, как признаются сами авторы проекта, пока не ясно, каким образом можно перезаряжать сверхмощную батарею Маркса с частотой 1 Гц. Предполагается использовать для этого малую часть энергии ядерных взрывов, но никаких технических решений нет. В любом случае двигатель MMO работать не будет.    

Рис. 3. Прототип Linear Transformer Driver, изготовленный Томским институтом сильноточной физики для Национальной лаборатории Sandia. Отсутствует верхняя крышка: http://www.sandia.gov/

      Z-машина из лаборатории Sandia — это рекордная установка для экспериментов с Z-пинчем и рентгеновским излучением плазмы (рис. 2). Ток до 20 МА пропускается через массивы сверхтонких проволок длиной ~1 см. Давление в плазменных нитях поднимается до 90 Мбар, и в некоторых экспериментах наблюдалась температура 2 — 3 миллиарда градусов! Для термоядерного синтеза этого более, чем достаточно, хотя для эффективной реакции необходимы гигабары давления, а температуру можно и поменьше. Физические причины появления таких экстремальных зон пока неизвестны, причем эффект наблюдался лишь в стальных проволочках. Температура вольфрамовой плазмы значительно ниже. Z-машина в Sandia — это рай для физиков-экспериментаторов и инженеров, хотя с теорией происходящих в нем процессов далеко не все ясно.

      Пока наблюдается дейтерий-тритиевый синтез с выходом энергии, составляющим до 15% от вложенной в зону реакции. Ученые из лаборатории Sandia считают, что, как только станет возможным генерировать ток в 70 МА, выход энергии 100 или 1000-кратно превзойдет вложение. В настоящее время происходит наладка новой системы подачи импульсного тока, разработанной в России. Для замены батареи Маркса ученые из Томского института сильноточной электроники, в их числе  академик Борис Ковальчук, разработали т.н. Linear Transformer Driver (рис. 3). Это трудно перевести на русский язык, но по-существу имеет место очень удачная реализация принципа линейного индуктивного усиления. Несколько конденсаторов разряжаются через трансформаторы, у которых вторичные обмотки соединены в последовательную цепь. Специалисты из США и России вместе работают над новой Z-машиной, в которой уже не будет бассейна с деионизированной водой, красиво иллюминированного паразитическими разрядами (рис. 2). Технология Linear Transformer Driver, предположительно, позволит в начале 2013 года получить разрядный ток в 27 МА и значительно повысить частоту импульсов. Ожидается, что доля выхода от термоядерного синтеза дойдет 50% энергетических затрат. Хочется верить, что этот подход имеет практическую перспективу.

   И если это действительно так, то пилотируемый корабль или автоматический зонд с термоядерным двигателем, в котором капсулы с дейтерием и гелием-3 подрываются с помощью бортовой Z-машины, в обозримом будущем сможет отправиться к Альфе Центавра. Однако формула (*) снова накладывает жесткие ограничения. При температуре T=3\cdot10^8 К средняя скорость ядер гелия = 1 350 км/сек, а дейтерия = 1 900 км/сек. Поэтому скорость v истечения струи плазмы из магнитного сопла будет существенно меньше 2 000 км/сек. Даже если оптимистично принять v=2 000 км/сек, то при массе автоматического зонда без топлива m=200 тонн, для разгона до V=10 000 км/cек ему придется затратить M=30 000 тонн термоядерного топлива (не учитывается масса сбрасываемых по дороге топливных баков). Стоимость такого количества гелия-3 (18 000 т) может оказаться  более неприемлемой, чем плутония. Возможно, что из экономических соображений придется перейти на чисто дейтериевый синтез. Однако это усложнит задачу зажигания и приведет к тому, что значительная часть энергии (грубо говоря — половина) будет выделяться с потоком нейтронов, который магнитное сопло регулировать не сможет. Возможно также, что придется использовать принцип EEEP (ядерную аллею). При таких огромных затратах топлива на разгон его самого, это было бы очень разумно.

    Таким образом, масса зонда без топлива не может быть большой. Поэтому трудно поверить, что, при любых усовершенствованиях установки из Sandia, нечто подобное можно будет разместить на борту космического аппарата. В условиях космоса, при температуре близкой к абсолютному нулю, для хранения электрической энергии, возможно, следует использовать сверхпроводниковые накопители (соленоиды). Они могли бы перезаряжаться от МГД-генераторов, работающих на истекающей из двигателя плазме. Однако скорости зарядки и разрядки таких накопителей слишком малы. К тому же трудно полностью экранировать сверхпроводящие обмотки от инфракрасного излучения двигателя. Придется иметь на борту охлаждающую систему. Все эти проблемы нуждаются в технической проработке и физических оценках, прежде чем можно будет дать определенные ответы на вопросы в конце статьи http://extremal-mechanics.org/archives/1428. Но кроме Z-пинчевого, инерционного, термоядерного синтеза других обнадеживающих идей пока не видно. В целом надежда дотянуться до Альфы Центавра кажется призрачной.     

Дмитрий Зотьев

Пинч для Ориона: 12 комментариев

  1. Привет Дэйв!

    Очень заинтересовала информация о батарее Linear Trandformer Driver, которую ученые из Томска передали Sandia. Эта лаборатория вообще-то работает на Пентагон, а в частности Z-машина обеспечивает экспериментальными данными компьютерное моделирование процессов в ядерных боеприпасах. Разумеется не российских, а американских. Не посадят ли за это Бориса Ковальчука сотоварищи наши бдительные органы?

  2. Привет, Хэл :-)

    А зачем она России собственно? К выкачиванию нефти и газа это не имеет отношения :-/ Хотя многое в этом направлении (Z-пинчевый синтез) было придумано и сделано еще в Cоюзе. В Курчатовском институте есть аналогичная установка «Ангара-V», которая генерирует ток до 4 МА. Тот же самый принцип, что в Z-машине из Sandia. Но очевидно, что это брошено и почти не финансируется. Как вообще вся наука, которая медленно, но верно умирает. А кто не хочет умирать, как ученый, тот ищет варианты реализовать свои способности и знания на Западе.

    • В Сарове (федеральный ядерный центр) очень приличные зарплаты, насколько я знаю. Более, чем достойные.

    • Они там занимаются утилизацией и безопасным хранением стареющих ядерных боеголовок. Эти программы финансируют Штаты. Есть ли какая-то еще наука в Сарове? Я не знаю. Даже если есть и за это достойно платят… Точечная, чисто показушная поддержка кого-то и где-то — один из методов пропаганды путинского режима. Который не способен финансировать науку и образование. Да ему это и не нужно. Они бы с удовольствием ввели церковно-приходские школы с 4 классами, но есть одна проблема — детей потом девать некуда.

    • По поводу ужасающей сложности проблемы 10 000: при взрывах сверхновых звезд вещество разлетается со скоростью ~10 000 км/сек!

    • Некоторые галактики удаляются от нас намного быстрее 250 000 км/сек. Так что 10 000 — это не предел ))

    • Это — совсем другой эффект. Расширение Вселенной после Большого взрыва, оно не требует энергии. В всяком случае, никакие внутренние источники энергии для этого не используются. Механика здесь не работает :-)

    • Разве такое возможно? Расширение есть, при этом энергия не потребляется?

    • В рамках таких представлений рассуждать почти бессмысленно. Чтобы аналогия с механикой была корректной, нужно рассматривать какие-то внешние по отношению к Вселенной силы, которые ее растягивают. Но ничего внешнего в ней нет. Вселенная — это вещь в себе. Во всяком случае, мы ничего другого пока не знаем.

      Этот вопрос было бы интересно обсудить в теме, которая специально посвящена Большому взрыву. Что-либо более экстремальное трудно придумать :-)

    • Осталось дождаться, когда такая статья появится на сайте))

  3. NASA удалила оригинальные материалы касательно проекта Орион, которые были доступны по ссылкам:

    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19650058729_1965058729.pdf,

    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770085619_1977085619.pdf,

    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19660072847_1966072847.pdf,

    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19660072846_1966072846.pdf,

    http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19760065935_1976065935.pdf .

    Это свидетельствует том, что проект Орион вновь вызывает интерес !

  4. Одно из утверждений этой статьи нуждается в коррекции. А именно о том, что для полета к Юпитеру необходима скорость 50 км/сек. Хотя это верно, но не принята во внимания орбитальная скорость Земли около 30 км/сек, которая значительно упрощает задачу. Оценки осуществимости полета к спутнику Юпитера — Ганнимеду даны в статье http://extremal-mechanics.org/archives/19390.