Урановый аэрогель как идеальное топливо для космических ядерных двигателей: новое решение старой проблемы
Институт передовых концепций НАСА предоставил компании Positron Dynamics грант на разработку нового типа ракетного двигателя на осколках ядерного деления (FFRE). При идеальном исходе он должен стать компромиссом — мощным как химический двигатель и долговечным как солнечные паруса.
FFRE сами по себе не являются новой концепцией, но многим из существующих разработок придется преодолеть целый ряд технологических препятствий, прежде чем их можно будет считать эффективными и пригодными для промышленности. Их преимущества, такие как высокий удельный импульс и чрезвычайно высокая плотность мощности, компенсируются недостатками, — к примеру, необходимостью создания условий для сложной формы плазменной левитации.
Positron Dynamics надеется на альтернативный подход, используя два отдельных прорыва, полученных в других областях исследований. Первой инновацией будет помещение делящегося материала в сверхлегкий аэрогель. Вторым будет внедрение сверхпроводящего магнита для удержания этих частиц деления.
Урановый вопрос
FFRE по сути используют тот же ядерный процесс, который приводит в действие атомные электростанции на Земле. Однако вместо того, чтобы генерировать только электричество, они также генерируют тягу, причем очень и очень большую. Однако отправлять в космос целый брусок уранового топлива, аналогичного стержням для реакторов, попросту нецелесообразно — он слишком тяжелый, а каждый килограмм, запущенный в космос, обходится в несколько тысяч долларов. Кроме того, транспортировка урановых изотопов в форме стержней всегда сопряжена с большим риском.
Встраивание самого топлива в один из самых легких материалов в мире должно решить и эту проблему.
Аэрогели — это настолько легкие и воздушные материалы, что на многих фотографиях они выглядят как нечто неземное. Встраивание в них частиц топлива для реакции деления было бы удобным способом хранить уран, в то же время позволяя общей конструкции быть достаточно легкой, чтобы ее можно было поднять на орбиту.
Тем не менее, структура самих аэрогелей мало что может сделать для удержания осколков деления в процессе их распада. Для этого потребовалась бы огромная внешняя сила, и здесь в дело вступает сверхпроводящий магнит.
Магнитный ответ
Такие магниты обычно используются в экспериментальных термоядерных установках, где они удерживают чудовищно горячие потоки плазмы, необходимые для нагрева термоядерного топлива — без сдерживающих магнитных полей она легко разрушила бы стенки любой реакторной камеры. Добавление сверхпроводящего магнита к FFRE позволит инженерам направлять все осколки деления в одном направлении, эффективно превращая их в вектор тяги. У такого подхода есть и дополнительное преимущество, заключающееся в том, что осколки не могут случайно разрушить другие части двигателя.
Конечно, в настоящий момент проект существует лишь на бумаге и его прикладное использование активно обсуждается в научной среде. Но именно для этого и существует NIAC — финансировать проекты на ранней стадии и пытаться снизить их риски. Не исключено, что именно этот подход позволит FFRE достичь той скорости и эффективности использования топлива, о которой ученые-ракетчики мечтают не первый год.