Netrpělivý? Kosmická loď by se mohla dostat na Titan za pouhé 2 roky pomocí přímého fúzního pohonu

Síla fúze je technologie, která je vzdálená třicet let a vždy bude – alespoň podle skeptiků. Navzdory obtížnému přechodu na spolehlivý zdroj energie mají jaderné reakce, které pohánějí Slunce, širokou škálu využití v jiných oblastech. Nejzřetelnější je to u zbraní, kde vodíkové bomby jsou dodnes nejmocnějšími zbraněmi, jaké jsme kdy vyrobili. Existuje však další případ použití, který je mnohem méně destruktivní a mohl by být mnohem zajímavější – vesmírné jednotky.

Koncept fúzního pohonu, nazývaný přímý fúzní pohon (příp DFD ) je ve vývoji v Princeton Plasma Physics Laboratory ( PPPL ). Vědci a inženýři tam v čele s Dr. Samuel Cohen , v současné době pracují na jeho druhé iteraci, známé jako Princeton field reversed configuration-2 ( PFRC-2 ). Nakonec vývojáři systému doufají, že jej vypustí do vesmíru, aby jej otestovali, a nakonec se stane primárním pohonným systémem kosmických lodí cestujících po celé naší sluneční soustavě. Ve vnější sluneční soustavě již existuje jeden obzvláště zajímavý cíl, který je v mnoha ohledech podobný Zemi – Titan . Jeho cykly kapalin a potenciál ukrývat život fascinovaly vědce od chvíle, kdy o něm poprvé začali shromažďovat údaje. A pokud bychom správně využili DFD, mohli bychom tam poslat sondu za méně než dva roky, podle výzkumu provedeného týmem leteckých inženýrů z oddělení fyziky v New Yorku. Vysoká škola technická , pod vedením profesora Roman Kezerashvili a přidali se dva kolegové z Polytechnika v Turíně v Itálii - Paolo Aime a Marco Gajeri.

Tým se podílel na odvození optimálních trajektorií DFD. Zleva doprava: Marco Gajeri, Dr. Samuel Cohen, Paolo Aime, Prof. Roman Kezerashvili, v PPPL.
Kredit: Prof. Roman Kezerashvili

Přestože je motor stále ve vývoji, využívá mnoho výhod aneutronické fúze, zejména extrémně vysoký poměr výkonu k hmotnosti. Palivo pro pohon DFD se může mírně lišit v hmotnosti a obsahu deuterium a helium-3 izotop. I s relativně malým množstvím extrémně výkonného paliva dokáže DFD překonat dnes běžně používané chemické nebo elektrické způsoby pohonu. The specifický impuls Odhaduje se, že systém, který je měřítkem toho, jak efektivně motor využívá palivo, je srovnatelný s elektrickými motory, které jsou v současnosti nejúčinnější. Kromě toho by motor DFD poskytoval 4-5 N tah v režimu nízké spotřeby jen o něco méně, než kolik by chemická raketa vyprodukovala po dlouhou dobu. DFD v podstatě přebírá vynikající specifický impuls elektrických pohonných systémů a kombinuje je s vynikajícím tahem chemických raket, což představuje kombinaci, která spojuje to nejlepší z obou letových systémů.

Video od Princeton Satellite Systems popisující technický provoz DFD.
Kredit: Princeton Satellite Systems Youtube Channel

Všechny tyto vylepšené specifikace jsou skvělé, ale aby byly užitečné, musí někde skutečně získat vesmírnou loď. Autoři článku si vybrali Titan, především proto, že je relativně daleko, ale také je díky němu mimořádně zajímavý kapalinové cykly a hojné organické molekuly . Aby bylo možné zmapovat nejlepší cestu k největšímu měsíci Saturnu, italský tým spolupracoval s vývojáři DFD v PPPL a získal přístup k údajům o výkonu z testovacího motoru. Potom získali nějaká další data o uspořádání planet a začali pracovat na nějaké orbitální mechanice. Výsledkem byly dvě různé potenciální cesty, jedna, kde byl konstantní tah aplikován pouze na začátku a konci cesty (nazývaný tah-pobřežní-tah – TCT – profil) a jedna, ve které byl tah konstantní po celou dobu trvání cesty. cesta.

Názor UT na to, proč je důležité prozkoumat Titan.

Obě cesty zahrnovaly změnu směru tahu, aby se kosmická loď zpomalila a vstoupila do saturnského systému. Za předpokladu konstantního tahu by cesta trvala o něco méně než 2 roky, zatímco profil TCT by vedl k celkové délce cesty 2,6 roku pro kosmickou loď mnohem větší než Cassini . Obě tyto cesty by nevyžadovaly žádnou gravitační asistenci, z níž pravidelně těžily kosmické lodě cestující k vnějším planetám. Cassini, poslední slavná mise k návštěvě saturnského systému, použila řadu gravitačních asistencí mezi Venuší a Zemí, aby dosáhla svého cíle, což byla cesta, která trvala téměř 7 let. Jedna důležitá věc, kterou je třeba poznamenat, říká Marco Gajeri, korespondent článku, je, že okno, díky kterému jsou tyto krátké doby trvání nejúčinnější, se otevírá kolem roku 2046. více času na vylepšení jejich současného designu.

Jakmile však sonda s podporou DFD dosáhne saturnského systému, objeví se další problémy. Oběh kolem druhé největší planety sluneční soustavy je poměrně snadný. Přenést oběžné dráhy na jeho největší měsíc je mnohem obtížnější. Řešení tohoto problému vyžaduje řešení problém tří těl , notoricky obtížný problém orbitální mechaniky, který zahrnuje řešení drah tří různých orbitálních těles (tj. kosmické lodi, Saturnu a Titanu).

Obrázek jednotky PFRC-2 DFD při práci.
Kredit: uživatel Wikipedie Cswancmu / PPPL

Když je veškerá orbitální mechanika mimo cestu a kosmická loď je bezpečně na oběžné dráze Titanu, může začít využívat další z výhod DFD – může poskytovat přímou energii systémům kosmické lodi. Většina misí vnější sluneční soustavy se spoléhá na radioizotopové tepelné generátory ( RTG ) pro jejich zdroj energie. Ale DFD je ve skutečnosti kromě zdroje tahu také zdroj energie. Pokud by byla navržena správně, mohla by poskytnout veškerou energii, kterou vesmírná loď potřebuje pro prodlouženou životnost mise.

Tato prodloužená životnost mise znamená, že DFD může být užitečné v široké řadě misí. Autoři, kteří studovali misi na Titan, se také zabývali potenciálem mise k transneptuánským objektům, které dosud navštívily pouze New Horizons, kterým trvalo 9 let, než dosáhly Pluta. Netřeba dodávat, že DFD by dramaticky zkrátilo čas potřebný k uskutečnění této cesty. A pokud bude v příštích 30 letech v provozu, může začít sloužit jako hnací síla pro všechny druhy nových průzkumných misí.

Další informace:
arXiv: Titanová mise využívající Direct Fusion Drive
Marco Gajeri - Diplomová práce - Návrh trajektorie pro misi Titan pomocí Direct Fusion Drive
ITER - Mít fúzi, bude cestovat
Další velká budoucnost – Megawatt Class Direct Fusion Drive pro 25X ISP a 3 krát rychlejší pro Pluto

Feature Image Credit: Umělecké pojetí Direct Fusion Drive. Kredit: Princeton Satellite Systems