О главном.
О двигателях для звездолетов (и именно их!)
Разговор о подкритических реакторах вернул меня к одной очень оригинальной идеи.
Настолько оригинальной, что подозреваю подавляющее большинство людей про нее услышав не поняли в чем ее ключевые моменты.
Есть такая очень экзотическая схема межзвездного двигателя как антипротонный парус.
Antimatter Driven Sail for Deep Space Exploration
http://accelconf.web.cern.ch/Accelconf/p03/PAPERS/FOAA005.PDFhttp://www.niac.usra.edu/files/library/meetings/annual/nov03/850Howe.pdf
Материала крайне мало. Идея наверняка ОЧЕНЬ сырая.
Во всяком случае удручает скудность расчетной базы выставленной на публику.
Возникает подозрение что ее попросту нет.
То есть голая идея рассчитанная в паре мест (саязанных с антиматерией).
И что выброшена она была в основном для рекламы работ по антипротонным ловушкам.
В общем я не вижу развития этой идеи.
Хотя, кое- что интересное в ней есть.
Если кто читал популярные книжки про космос в 60-х, то наверняка помнит упоминания про такой экзотический тип двигателя как "изотопный парус".
Данный привод можно рассматривать как глубокую модернизацию этой старой идеи.
Парус представляет собой "размазанный" по относительно небольшой поверхности ВЕСЬ запас ядерного топлива U238, который в процессе работы двигателя постепенно и равномерно улетучивается в виде продуктов ядерного распада (с очень большой скоростью истечеия. То есть двигатель очень высокоимпульсный. "Звездолетный"). Особым образом (об этом ниже) на САМОЙ поверхности с тыльной стороне этого тонкого "блина" возникают очаги затухающих цепных процессов (парус по сути - подкритический реактор). В результате чего с поверхности улетаю продукты распада с чудовищной скоростью (Но как эту скорость грамотно посчитать - я не знаю).
Но одно могу сказать точно.
Так как у такой системы нет сопла и продукты распада разлетаются непредсказуемо, то эффективность ДВИЖИТЕЛЯ невелика. По сути как у "дырки без сопла". Надо поднять расчеты, но помоему это не более 1/3 от идеальной, или половина от той, которая могла бы быть у нормального сопла.
Но это неудобство сторицей окупается другими достоинствами именно "парусной" схемы привода (что запало в душу мен и большинству осталось подозреваю незамеченным).
Например легкостью самого двигателя и конструкции корабля (тянуть не толкать) и самое главное - простым и эффективным решением проблемы сброса паразитного тепла.
Нужен большой радиатор? Большой парус и есть такой большой радиатор.
Паразитное тепло передается двум сторонам поверхности паруса, который и является одновременно радиатором (нагретым, скажем до 1000 или 2000 К). То есть подобный парус вполне может показать удельную мощность на порядок (а то и другой) выше, чем лучшая ионная система с такой же скоростью истечения. (надо более детально посчитать. Но для этого надо уметь считать скорость истечения).
То есть вполне соблазнительная альтернатива взрыволету и ионному двигателю.
Особенно для всякого рода легких зондов (это вообще уникально!).
НО, как водится, эта бочка меда не выгладила жизненно, если бы в ней не была растворена ложечка горького дерьмеца…
Парус у нас особого рода подкритический реактор. Внешним источником нейтронов в нем служат антипротоны, которыми парус равномерно бомбардируется из гондолы (см рисунок выше). Известно что при попадание антипротона в ядро урана приводит к возникновению огромного числа (кажется в среднем 6-и) высокоэнергетических нейтронов, которые разделив соседние ядра U 238 порождают затухающую лавину. То есть 1 антипротон делит (я не помню точно) очень много ядер U238-го.
Я не видел детальных расчетов, но авторы уверяют, что процесс вполне стоит организации. И обещают на таком чудо-приводе доставить за столетие легкий (пару тонн!) зонд к Альфе Центавре, если… для этого найдется грамм антиматерии. Вернее антиводорода.
Антиматерия - вещество хлопотное и крайне дорогое. Даже грамм. И сразу возникает мысль - а можно ли без нее обойтись?
Всякому грамотному человеку ясно, что в данной схеме антиматерия используется не как источник ЭНЕРГИИ, а именно как "катализатор". Сразу возникает соблазн:
А НЕЛЬЗЯ ЛИ В ЭТОЙ СХЕМЕ ПРИВОДА ЗАМЕНИТЬ антипротоны чем то подешевле и удобнее?В меня эта идея (как инженера) сразу же засела. И до сих пор гложет. (У меня для фон-нейманов до сих пор не хорошего бустера дотормаживания!)
Почемул нельзя идею модернизировать?
Тем более, что ряд моих собеседников на НК (которые явно лучше меня понимали ядерную физику) тоже недоумевали: зачем антипротоны, мол? Почему сразу нельзя вдарить нейтронами?!
Что такого особо специфического в реакции антипротона с U 238, чего нельзя получить иным способом?
Так вот. Чуть-чуть разобравшись в теме выше я теперь вижу что ситуация с облегчение й уранового паруса (если он вообще работоспособный в исходом виде) действительно очень сложная.
Давайте попробуем устроить мозговой штурм.
Расскажу сразу чего сделать, на мой взгляд, не получится.
Мысль 1. Если антипротоны нужны для того что бы вышибить из U238 6 нейтронов (старт затухающей цепной реакции) то почему сразу не обстрелять парус потоком нейтронов в 6 раз более плотным, чем поток антипротонов?
Логичный ход мысли?
Пушка будет куда тяжелей (частицы будут иметь куда большую энергию). Но двигатель получится все равно гораздо ДЕШЕВЛЕ (отказ от антивещества окупает многое!).
Однако…
Для деления U238 нужны очень быстрые нейтроны. 1.2 Мэв, кажестя. И я подозреваю (надо бы посчитать) что они будут пролетать насквозь через тонкий (не более см) урановый парус в большинстве своем.
Почему это не происходит со вторичными нейтронами (в затухающей цепной реакции)?
Видимо происходит. Но это не так уже важно (оставим пока этот вопрос на совести авторов первоначальной идеи).
Надо бы самим прикинуть вот что.
Зная энергию бомбардирующих нейтронов и толщину уранового слоя, надо посчитать процент нейтронов, заостряющих в парусе. Если это даже1% (то есть 1 антипротон заменяется 600 нейтронами) овчинка все равно стоила бы, думаю, выделки.
Но! Есть загвоздка (неучтенный нюанс) которая гробит все надежды.
Если в тонком урановом парусе застряет даже каждый 10-й нейтрон, реакция распада будет идти по всей длине пробега а не на тыльной поверхности паруса. А это означает что вся затея ничего не стоит!!! Мы не получим эффекта тяги!
Мысль2.Использовать поток быстрых протонов. Протоны в уране далеко не улетят (доли миллиметра) рассуждал я. Все произойдет на поверхности. С нужной стороны. Как нам и надо для создания тяги. Если подобрать так состав покрытия, что протон (простой выскоэнергетичный протон) вышибает у поверхности урана лавину нейтронов - то дело в шляпе!
Но теперь я вижу что и эта мысль - ничего не стоит. Высокоэнергетичный (мегэлектронвольты) протон будет ТОЛЬКО ионизировать мишень из урана, генерировать гамма-кванты и рентген. И все. Для того чтобы протон дал нейтроны (как я понимаю) нужны энергии в гигэлектронвольты. А на таких энергиях и протон проникает СЛИШКОМ глубоко в толщу уранового паруса (не миллиметры а сантиметры. Это уже слишком много).
Опять же. Надо попробовать эту качественную картину "померить числом", показать проблему не на пальцах, а на конкретных величинах.
Может кто возьмется?
Мысль 3.Приперлась только что. И прошу сильно за нее не бить. Пока она кажется не совсем идиотской. Но…
А почему бы не использовать не U238, а U235 именно как источник нейтронов? Скажем, уран на парусе может иметь разную степень обогащения 10-50%. В развернутом виде даже десяток тонн такого урана (да, дорого но куда дешевле грамма антиматерии) окажется подкритическим (в сложенном состоянии он тоже может быть подкритическим, достаточно сложить его по-уму, вместе с поглатителем нейтронов, скажем, кадмием или бором). Здесь мы имеем простор для инженерного маневра. Парус с нужными тяговыми и термическими параметрами, толщины можно подбирать под нужную мощность варьируя еще и концентрацию U-235-го (или плутония). Что с парусом из чистого U-238 не получается.
Что можно из этого выиграть?
U-235 (Pu-239), как известно, прекрасно делится ТЕПЛОВЫМИ, то есть медленными нейтронами. Так вот. Если мы будем бомбардировать поверхность паруса относительно медленными нейтронами (надо подобрать оптимальную скорость) то такие нейтроны глубоко в парус не проникнут. Если прореагируют то прореагируют (или будут поглощены U238) на самой поверхности (слой в мм).
Подбитая скрость нейтронов можно управлять процессом.
Допустим 1 нейтрон из 10 достигает цели. Все они попадают только в миллиметровый слой. Но 9 поглощаются или (скорей всего) отражаются наздю А 1 таки делит U-235. Так и будет примерно, при 10% обогащении урана. Тогда вместо 1-го антипротона на деление расчетной порции ядерного материала нам нужно затратить 60 нейтронов (для получения лавины из 6-и первичных нейтронов которые, кстати прекрасно делят и балластный в обычном реакторе U238!). То есть на парус в процессе полета к А-Центавра нужно израсходовать не 1 г. антиводорода, а 60 г нейтрида (так сказать). Сгенерировать его может, скажем, мишень от килограмма до 10 кг (например бериллиевый лист).
Есть все шансы что облучатель будет очень компактным.
Как ни крути - такой облучатель подкритического реактора-паруса все равно получается дешевле, чем морочится со сверхэкзотическим антивеществом. 1 грамм антиматерии - это запредельно дорого. Сегодня, завтра и даже послезавтра. А энергии в нем как в 1 кг урана. Не более.
