Silnik fuzyjny - potęga Słońca w rakiecie

Nico Vega – Fury Oh Fury


Porównanie podróży kosmicznej do siedzenia na bombie nie jest wcale przesadą. Pomijając sytuacje w których rzeczywiście rakiety stawały się bombami, to nawet jeśli wszystko idzie zgodnie z planem, mamy do czynienia z kontrolowaną eksplozją. Tysiące ton paliwa, najczęściej schłodzonego do stanu ciekłego tlenu i wodoru spalają się w temperaturze 1400’C popychając pojazd ku orbicie. Może niedługo podróże kosmiczne będzie można porównać do siedzenia na gwieździe. Może wkrótce astronautów pchać będzie eksplozja towarzysząca fuzji nuklearnej, spalająca wodór w hel w temperaturze milionów ‘C.

Wpierw zachęcę was do przeczytania tekstu Dona Pettit – faceta, który z niskiej orbity ziemskiej wysyłał nam, Ziemianom fajne filmiki, kręcone w wolnym czasie. Kiedy nie prezentował zjawisk fizycznych w zerowej grawitacji za pomocą klocków lego, ani nie zajmował się utrzymywaniem stacji kosmicznej w jednym kawałku, pisał również teksty. Artykuł „The Tyranny of the Rocket Equation”, świetnie przedstawia wzór Konstantego Ciołkowskiego (spisany jeszcze przed pierwszym lotem braci Wright), który na wyznaczył ramy (a zatem również ograniczenia) kosmonautyki na wiele dekad.

Dla leniwych, skrócę – wzór ten określa prędkość rakiety, która w trakcie lotu zużywa paliwo, czyli staje się coraz lżejsza. Prędkość ta jest proporcjonalna do prędkości wylotowej gazów z dysz i logarytmu naturalnego stosunku masy rakiety z paliwem do masy rakiety bez paliwa. Jako, że żeby dostać się na orbitę, na Księżyc lub Marsa musimy osiągnąć odpowiednią prędkość, to znając „skuteczność” paliwa, możemy ocenić jak wiele paliwa potrzeba by wysłać w te miejsca satelity, pojazdy, łaziki. Jak się okazuje w przypadku pojazdów kosmicznych paliwo może stanowić nawet ponad 90% masy pojazdu (podczas gdy w samochodzie z pełnym bakiem będzie to zaledwie 4%). Jeśli chcesz zabrać kilogram prowiantu więcej, potrzebujesz 10 kilogramów paliwa więcej (w uproszczeniu oczywiście).

Dlatego od dawna poszukujemy środków napędu innych niż rakiety chemiczne. Od lat istnieje szereg propozycji, jak choćby projekt Orion (bardzo obiecujący, zawieszony z powodów politycznych, napęd nuklearny). Światełkiem w tunelu może być napęd fuzyjny. Energia, która rozpala Słońce, czyli fuzja wodoru w hel może w przyszłości napędzać nasze pojazdy kosmiczne. Działałoby to w następujący sposób – silne pole magnetyczne miażdży obręcz z lekkiego metalu (lit, aluminium), która zgniata pigułkę deuteru lub trytu (odmiany wodoru) tak mocno, że następuje fuzja nuklearna i wyzwolenie ogromnej ilości energii. Pole magnetyczne kieruje siłę eksplozji w jednym kierunku, odpychając pojazd w przeciwną, analogicznie do zwykłej rakiety. Z tą różnicą, że ilość paliwa o wielkości ziarnka piasku mogłaby dać siłę ciągu porównywalną z czterema litrami chemicznego paliwa (np. wodór/tlen).

Silnik, nad którym pracować będą inżynierowie z University of Washington powinien pozwolić na konstrukcję statku, który zabrałby ludzi na Marsa w ciągu 30-90 dni. Jego właściwy ładunek stanowiłby 33% całej masy masy (dla porównania, Apollo 11 z załogą stanowił zaledwie 1,5% masy rakiety Saturn V). Oczywiście skoro taka podróż trwałaby np. 30 dni, zamiast około 240 przy zwykłej rakiecie, to ilość jedzenia potrzebna na wyprawę zmniejszyłaby się ogromnie dodatkowo zmniejszając masę, ilość potrzebnego paliwa, czas w którym astronauci wystawieni są na promieniowanie kosmiczne, koszty misji itd.

Problemy? Impulsowe rozpędzanie. Wstępny plan zakłada, że silnik doprowadzałby do fuzji paliwa mniej więcej raz na minutę, popychając statek z tak dobraną siłą, by przeciążenie go nie uszkodziło. Współczuję każdemu, kto musiałby spędzić trzy dni w przyspieszającym w ten sposób pojeździe – nieważkość i potężne szarpnięcie co minutę. I tak przez 72 godziny. To samo przy hamowaniu przed dotarciem do celu. A jednak widząc drogę jaką przebyliśmy od Wright Flyera do Jumbo Jeta, nie potrafię być pesymistą.


The Tyranny of the Rocket Equation
NASA-backed fusion engine could cut Mars trip to 30 days