Компания Pulsar Fusion занимается разработкой ракетных двигателей на основе ядерного синтеза уже около десяти лет. В настоящее время компания находится на третьей стадии разработки проекта и планирует провести первые статические испытания уже в следующем году, а испытания на орбите — в 2027 году.
Для получения тяги, необходимой для взлета ракеты, в термоядерной камере должна быть достигнута температура в сотни миллионов градусов — необходимый параметр для реакций ядерного синтеза. Поскольку эти температуры выше, чем в ядре Солнца, камера на время станет самым горячим местом в Солнечной системе.
Энергия, выделяемая термоядерным двигателем, может позволить ракете развивать скорость от 110 до 350 км/с. «Наши нынешние спутниковые двигатели, которые мы производим сегодня в компании Pulsar, развивают скорость выхлопа до 40 км/с. С помощью термоядерного синтеза мы надеемся достичь более чем в 10 раз большей скорости«, — поясняет в пресс-релизе Ричард Динан, генеральный директор компании Pulsar Fusion.
Если все пойдет по плану, Pulsar Fusion может произвести революцию в космических путешествиях. При скорости, достигнутой первым устройством, время полета к Марсу будет делиться на 3 (2-3 месяца вместо 6-8), а до Сатурна и Плутона можно будет добраться всего за 2 и 4 года соответственно. Для сравнения, путь к Сатурну при нынешних технологиях занял бы около 8 лет, т.е. в 4 раза больше. Если технология окажется жизнеспособной, она может развиваться в направлении еще более короткого времени полета.
Тяга 100 Ньютонов
В двигателе, разработанном компанией Pulsar Fusion, используется прямой термоядерный привод (DFD). Это инновационная концепция, обеспечивающая устойчивую термоядерную тягу за счет использования компактного термоядерного реактора. Вместо преобразования выделяемой энергии в электричество заряженные частицы непосредственно создают тягу. Эта особенность делает термоядерный двигатель более эффективным, чем топливные двигатели, поскольку он работает на изотопах. Кроме того, отсутствует полезная нагрузка в виде топлива, которая для традиционных устройств может составлять несколько десятков тонн.
Двигатель DFD может выдавать мощность в мегаваттном диапазоне, обеспечивая тягу от 10 до 101 ньютона. Одновременно эта мощность может быть использована для питания космических аппаратов, в которые может быть интегрирован двигатель. Таким образом, технология может обеспечить возможность освоения космоса на больших расстояниях за короткое время, а также невероятно высокое соотношение полезной нагрузки и массы топлива.
Компьютерное моделирование показало, что двигатель может приводить в движение космический аппарат массой около одной тонны с очень высокой скоростью. Реакции ядерного синтеза также легче осуществлять в космосе, чем на Земле, поскольку холод и вакуум космоса особенно благоприятны.
Однако перед компанией все еще стоит серьезная задача — стабилизация реакций в термоядерной камере. По словам Джеймса Ламберта, финансового директора Pulsar Fusion, «сложность заключается в том, чтобы научиться удерживать и ограничивать сверхгорячую плазму в электромагнитном поле».
Достижение стабильности путем автоматического обучения
Поведение плазмы более или менее сравнимо с поведением погодной системы, т.е. оно крайне непредсказуемо — особенно при нагреве до сотен миллионов градусов. Действительно, магнитогидродинамика и гирокинетика плазмы делают ее особенно склонной к изменениям состояния. «Ученым не удается управлять турбулентной плазмой, поскольку при нагреве до сотен миллионов градусов реакция просто останавливается«, — поясняет Динан.
Как и в случае с Солнцем, ядерный синтез заключается в удержании сверхгорячей плазмы в мощном электромагнитном поле. Сложность термоядерного синтеза заключается в стабилизации этой плазмы в электромагнитном поле, которое одновременно является колоссальным и ограничено очень малой площадью, причем в течение длительного времени. Этот этап необходим для того, чтобы полученная плазма высокой плотности могла обеспечить необходимую двигателю мощность.
Для решения этой задачи инженеры Pulsar Fusion использовали машинное обучение для определения оптимальных параметров стабилизации. Для этого они сначала извлекли данные из Принстонского реактора с конфигурацией обратного поля (PFRC) и интегрировали их в компьютерное моделирование, чтобы лучше предсказать поведение плазмы в условиях электромагнитного удержания. PFRC является одним из серии экспериментов по физике плазмы, направленных на оценку оптимальной конфигурации наиболее мощных термоядерных реакторов. Технология, в частности, нацелена на применение в двигателях DFD.
Помимо космических полетов, технология Pulsar Fusion может быть использована в некоторых современных экспериментальных системах ядерного синтеза.