Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[SY]

Кстати о термоэмиссионных генераторах

В качестве источника тепла использовать реактор на быстрых нейтронах с топливом из оксида урана.
Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме до температуры 1600 °C
Газообразные продукты распада можно использоваться в качестве рабочего тела.
Реактор должен быть дозагружаемым, при снижении мощности, в трубки-каналы досылается очередная таблетка окиси урана. После полного заполнения канала, каждая новая таблетка будет выталкивать самую старую(и скорее всего разрушившуюся) в окружающее пространство. При деградации трубки, ее можно аналогично заменить целиком.
При использовании высокообогащенного урана  критическая масса может быть очень маленькой, соответственно будет очень большая удельная мощность, самое главное, чтоб материалл выдержал такую мощность.

[Андрей Курилов]

В качестве источника тепла использовать реактор на быстрых нейтронах с топливом из оксида урана.
Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме до температуры 1600 °C

Реактор на быстрых нейтронах возможен также на более распространённом тории-232. Температура плавления оксида тория составляет 3660К.

[Андрей Курилов]

Апдейт.
Добавил полоний-210 этот ваш, а также плутоний-240 и стронций-90. Более искать нечего, уж поверьте - либо период полураспада не тот, либо слишком много гаммы даёт, либо энергия распада очень мала, либо изотоп нереально редок и сложен в получении.
Как видно по графику - нету в жизни счастья. Видно, что изотопы дают либо удельную мощность до 1000 Вт/кг и выше, либо период полураспада более 30 лет. Третьего как-то не дано. Здесь особняком стоит стронций-90, который и доступен из реакторов и имеет высокую удельную мощность в течение весьма долгого периода времени. Дело в том, что стронций-90 распадается в иттрий-90, который тут же снова распадается. Поэтому энергия распада стронция-90 весьма велика.
Подарками природы выглядят также радий-226 и плутоний-238.

[AlexAV]

Реактор на быстрых нейтронах возможен также на более распространённом тории-232. Температура плавления оксида тория составляет 3660К.

На чистом тории не может. Там смесь должна быть оксидов тория-232 и урана-233. Опять же из-за плохого нейтронного баланса ториевого топлива нужен будет ещё внешний источник нейтронов, а это дополнительная масса и снижение удельных характеристик.

У твёрдого топлива (оксидного, карбидного, нитридного) есть ещё одна проблема... На нем сложно получить выгорание больше 200 ГВт сут/т. Дальше топливо распухает и рассыпается из-за накопления газообразных продуктов деления в решётке, изменения химического состава и радиационных повреждений (при этом будет выгорать только приблизительно 20% топлива).

А если у нас КПД преобразования даже 20%, глубина выгорания 200ГВт сут/т, при при съёме мощности в 1 кВт/кг топлива (по электричеству) мы истощим запас энергии всего за 110 лет.
 

[gan]

Ионный двигатель для звездолетов не годится. Причин много, все они известны, нужно искать другое рациональное решение для межзвездных перелетов. А чтобы искать нужно много знать и учится, как не банально это не звучит. У нас нет даже теоретической базы для таких вопросов. Не говоря уже о практическом применении.
Уверен на сто процентов что без помощи черных дыр, других звезд, нам с вами, своими глазами не видать. Нужно глубже изучать этот можно сказать, уникальный эффект, нашей вселенной. Ну или проще современная физика не располагает в данный момент физическими условиями при которых возможна мгновенное перемещение на большие расстояния. Фантазировать не буду я не писатель-фантаст.

[zenixt]

Да потому что НИ ОДИН РАКЕТЧИК В ЗДРАВОМ УМЕ не станет ПРАКТИЧЕСКИ разрабатывать двигатель с УИ  1000-3000 км/с!
Кому он ПРАКТИЧЕСКИ сейчас может понадобиться? Абсолютно никому!
Идиотов там  не водится.

Ну почему. Для юстирующих двигателей ориентации(космический телескоп-например) как раз целесообразна минимальная тяга и минимальный расход рабочего вещества, т.е. максимальный УИ.

[AlexAV]

В общем с перебором изотопов, как мне кажется труба. Нужного нам нет. Полоний -самый лучший.

Если рассматривать прямое преобразование, то тут ещё важно чтобы излучаемые частицы были как можно более моноэнергетическими. Т.е. если для идеального моноэнергетического пучка можно достичь КПД почти 100%, то при наличие разброса по энергии это уже не так, т.е. при заданном потенциале между обкладками часть частиц всегда будет иметь недостаточную энергию, чтобы преодолеть разность потенциалов, а друга - слишком высокую и избыток энергии сверх разницы потенциалов будет бесполезно теряться.

Если мы рассматриваем изотоп, который даёт целую цепочку, то тут надо ещё обратить внимание на энергии возникающих при этом быстрых частиц (понятно что в зачёт идут только частицы одного знака заряда, т.е. учитываем или только альфа-частицы или только бета-частицы).

P.S. При делении ядра тоже получаются заряженные осколки, т.е. тут тоже можно подумать об организации прямого преобразования, но сразу возникает две проблемы. Первая - как обеспечить критичность в этих сверхтонких покрытиях, вторая - разброс осколков по энергии и, что ещё существеннее, по заряду (это будет сильно снижать КПД системы). И конечно потенциал в этом случае потребуется очень большой, порядка 100 мегавольт.

[alex_semenov]

Ну почему. Для юстирующих двигателей ориентации(космический телескоп-например) как раз целесообразна минимальная тяга и минимальный расход рабочего вещества, т.е. максимальный УИ.

Соглашусь. Про верньеры я забыл.
Но господа! Умоляю, не надо разговоров ни о чем хотя бы на этой ветке! Ладно? У нас нынче в разделе твориться черт знает что. Майдан и революция какая-то! Народ хочет к звездам, откуда-то нахлынули какие-то неофиты и буквально бьют в подъездах стекла! Давайте хоть в этом подъезде не будем гадить и все-таки будем снимать калоши при входе. А?

[alex_semenov]

Если рассматривать прямое преобразование, то тут ещё важно чтобы излучаемые частицы были как можно более моноэнергетическими.

Вот поэтому я за полоний и уцепился. Если у этой схемы есть здравое решение, то только с наработкой нового полония прямо по ходу полета.

P.S. При делении ядра тоже получаются заряженные осколки, т.е. тут тоже можно подумать об организации прямого преобразования,

Да, я тоже подумал об этом. О пылевом реакторе, например. Здесь могла бы речь о многослойном...

но сразу возникает две проблемы. Первая - как обеспечить критичность в этих сверхтонких покрытиях,

Вот-вот. Получается что нужна экзотика типа кюрия и прочих супер-делящихся материалах. Мы приходим к той же проблеме что и с двигателем на осколках.

вторая - разброс осколков по энергии и, что ещё существеннее, по заряду (это будет сильно снижать КПД системы).

Но я бы не стал гоняться за слишком высоким КПД. Не думаю что он возможен.
25%  - это на мой взгляд нормально.

И конечно потенциал в этом случае потребуется очень большой, порядка 100 мегавольт.

Который вроде как уже избыточен даже для межзвездного ионного корабля...
А мы пытаемся уйти от преобразователей...

Кстати, Алекс, а преобразователи (меняющие амперы на вольты или наоборот) действительно нельзя никак облегчить? 1 кг/Квт - это АБСОЛЮТНЫЙ минимум? Или есть какие-то эффекты (пускай и неисследованные) которые бы позволили преобразовывать высокий ампераж и низкое напряжение в высокий вольтаж и низкий ток скажем 0.1 кг/кВт?

[Андрей Курилов]

Имхо идея с делящимся пылевым стержнем была много лучше.

[AlexAV]

Который вроде как уже избыточен даже для межзвездного ионного корабля...

Если в качестве рабочего тела взять что-то тяжёлое (цезий, ксенон), то будет практически то что надо.

Кстати, Алекс, а преобразователи (меняющие амперы на вольты или наоборот) действительно нельзя никак облегчить? 1 кг/Квт - это АБСОЛЮТНЫЙ минимум? Или есть какие-то эффекты (пускай и неисследованные) которые бы позволили преобразовывать высокий амперах и низкое напряжение в высокий вольтаж и низкий ток скажем 0.1 кг/квт?

Ну это оценка по современному состоянию силовой электроники. Вообще это комплексная проблема, т.е. одного критического запрета здесь нет, но есть масса тонкостей, нюансов и технических затруднений, которые в сумме и дают такие величины.

Хотя утверждать, что это совсем невозможно, я тоже бы не стал...

[alex_semenov]

Если в качестве рабочего тела взять что-то тяжёлое (цезий, ксенон), то будет практически то что надо.

Гм... надо сесть и посчитать самому. Хотя вот  у Перельмана есть табличка:



http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/perelman-r/02.html
И хотя она явно маловата... но видимо да...  То есть все-таки иметь генератро напряжения куда удобней чем генератор тока...

Хотя утверждать, что это совсем невозможно, я тоже бы не стал...

По-сути именно преобразователи тока в напряжение (а не радиаторы, как я раньше считал!) - самое узкое место, оказывается!

Смотрите. Вы давали для реактора 0.1 кг/кВт. По теплу. Не будем проверять и оспаривать. Возьмем как факт. На капельные радиаторы вы давали 0.2 кг/кВт, тоже по теплу. Тоже возьмем за основу.
И так мы хотим получить рекордную термоэмиссионную установку. Смотрим график:



Мы хотим 25% КПД. Это порядка 2200 К в реакторе (значит на радиаторах 1650 К). И это плотность тока не менее 50 а/см2, скорей всего до 100 а/см2. При напряжении порядка 5 В. То есть с см2 мы снимаем 5*100= 500 Вт или 1 Квт с 2 см2

Считаем удельную массу реактора по току. 0.1/0.25=0.4 кг/кВт. То есть на 0.4 кг реактора нам нужно 2 см2 преобразователя. Или 5 см2 на кг реактора.  Как по мне - вполне достижимая величина! Хотя над уточнять (может меня интуиция и подводит).

При температуре холодильника 1650 К мы могли бы рассчитывать на массу капельного радиатора раза в два меньше чем ваши 0.2 кг/кВт. То есть 0.1 кг/кВт по теплу. Тогда для получения массы радиатора по току надо домножить это на (1/кпд -1) и получаем 0.3 кг/кВт тока.

Термопреобразователь - часть реактора (неотделимая) поэтому можно считать что реактор плюс термоэмиссионный генератор это не 0.4 а 0.45 кг/кВт  Итого генератор тока плюс радиатор 0.75 кг/кВт . Если бы преобразователь тока в напряжение можно было впихунь в 0.1 кг/кВт и двигатель в что-то подобное (а для малоточного ионника это мыслимо, кстати у шарика при 500 Кв двигатель весит 56 кг то есть 0.112 кг/кВт ),  плюс небольшая полезная нагрузка (она всегда будет небольшой!) то получаем порядка 1 кг/кВт или 1000 Вт/кг. Очень сильно ужались, но вложились.
По вашему графику это порядка 900 лет полета к А. Центавре.

Но если преобразователь будет 1 кг/кВт, то все вышеописанные выжимки НИЧЕГО НЕ СТОЯТ!
Я это интуитивно осознал сразу, почему я и вцепился в шарик с полониевым реактором... Надежда была что если не 4000 Вт/кг то в 2000 Вт/кг мы все-таки впишемся...

[alex_semenov]

Имхо идея с делящимся пылевым стержнем была много лучше.

Лучше. Но она не рабочая. К сожалению.

[AlexAV]

Мы хотим 25% КПД. Это порядка 2200 К в реакторе (значит на радиаторах 1650 К).

2200 - это много. Электрод будет быстро испаряться. В реальных изделиях 2000 и менее. При 2000 ресурс измеряется десятью - двадцатью тысячами часов в лучшем случае. А у нас совсем другие требования к надёжности, значит температуру придётся снижать.

[AlexAV]

При напряжении порядка 5 В.

Только не 5, а 0.5-1.

Оптимальный режим работы соответствует рабочему напряжению U:



\phi_E - работа выхода электрона с эмиттера, \phi_C - работа выхода с коллектора.

На графике \phi_C = 1,8 В, а оптимальная с точки зрения КПД \phi_E показана кривой 1.

[AlexAV]

Гм... надо сесть и посчитать самому. Хотя вот  у Перельмана есть табличка:

У нас здесь есть свободный параметр - масса иона и её можно относительно безболезненно варьировать от водорода (N = 1) до ртути (N = 200), а это значит, что рабочий потенциал при фиксированном УИ можно менять в 14 раз путям подбора подходящего рабочего тела.

[alex_semenov]

При напряжении порядка 5 В.

Только не 5, а 0.5-1.

Ага. То есть еще в 10-5 раз меньше… То есть не 5 см2 на кВт а 25-50… Скорей всего 35...
Это значит, что реактор превращается в систему тонких пустотелых трубок…
В принципе это не так уж и принципиально какая площадь на кВт.
Вот смотрите.
Прикидка.
Допустим у нас 1 т. реактор. При удельной мощности по току 0.45 кг/кВт, электрическая мощность должна быть 2 222 кВт (тепловая мощность порядка 10 МВт).
Реактор состоит из трубок длиной 1 м и диаметром 2 см (эмиттер). Сколько в ней урана - пока не важно. Внутри трубка имеет пустотелый канал. Это надо хотя бы для того, что уран пухнет и для отвода газообразных продуктов распада.
Боковая поверхность такой трубки 628,3см2. То есть, если 1 кВт тока это 35 см2 эмиттера, то нужно иметь 77 778 см2 на трубках. То есть 124 трубки. Но помимо трубок есть коллектор, есть теплоотводящие каналы. Поэтому берем диаметр модуля под трубку 4 см (в два раза больше чем сама трубка). Площадь торца узла под одну трубку 12.57см2. Умножаем на количество трубок, получаем примерную площадь торца, высчитываем его диаметр: 44.5 см. Берем с запасом 0.5м.  Итого наша 1 т реактор это цилиндр 1 м длинной и 0.5 м в диаметре. Объем такого цилиндра чуть больше 0.2 м3. Делим массу 1000 кг на объем получаем плотность реактора 5000 кг/м3 . Критичность в нем добиваемся степенью обогащения урана (вообще чем она выше, тем во всех отношениях лучше).
Если трубки включены последовательно одна за другой, при напряжении 0.75 В на трубке,  напряжение на выходе реактора 93 В. Тогда ток на выходе 14 кА.
Говорят на первых подлодках, где реактор был на оружейном уране (плутонии) он был размером с ведро. У нас со стиральную машинку… Советскую еще…

ГОТОВ ПРИНИМАТЬ КРИТИКУ КОНЦЕПТА!

10 МВт тепловой мощнсти в цилиндре 0.5 м на 1 м не слишком много? Наверное. Но мы же пытаемся построить предельную машину.

Оптимальный режим работы соответствует рабочему напряжению U:



\phi_E - работа выхода электрона с эмиттера, \phi_C - работа выхода с коллектора.

На графике \phi_C = 1,8 В, а оптимальная с точки зрения КПД \phi_E показана кривой 1.

Ага, тогда все окончательно понятно с кривой 1. Спасибо.  Алекс, разъясните еще что такое ипсилон 0.25, 0.1 на графике (сплошна, пунктирная линия)?

И все-таки, как мне кажется, тут главная проблема с преобразователем тока в напряжение. Нужен преобразователь в 10 раз легче чем те, что используются, например на электровозах или трамваях (а там порядка 1 кг/кВт).

[alex_semenov]

2200 - это много. Электрод будет быстро испаряться. В реальных изделиях 2000 и менее. При 2000 ресурс измеряется десятью - двадцатью тысячами часов в лучшем случае. А у нас совсем другие требования к надёжности, значит температуру придётся снижать.

Гм... Но тогда КПД падает до 20% со всеми неприятностями... (у нас пухнет масса на киловат и реактора и радиатора). При этом я не уверен что понижая температуру мы все-таки дотянем до нужного нам чудовищного ресурса в 1000 лет. То есть это не то решение, не те жертыв. Я бы искал иное решение. Просто нужно действительно на борту иметь пакет реакторов, один или два из которых находятся на профилактике. Я даже допускаю специальный профилактический режим реактора, когда реактор заглушен, эммитер охлаждается (по тому каналу, который внутри каждой трубки) а в зазор термопреобразователя подаются пары материала эмиттера (там же вакуум) и толщина слоя эмиттера восстанавливается без всякой разборки реактора. Почему нет? Нет, технология будет сложней. Надо что бы пары не оседали на коллектор. Но я думаю, что концепцию можно довести до ума. Тогда мы получим "вечный реактор". Это имеет смысл хотя бы потому, что позволит не загружать все ядерное топливо в реактор сразу (а его потребуется достаточно много для ~1000 лет работы!)

[alex_semenov]

У нас здесь есть свободный параметр - масса иона и её можно относительно безболезненно варьировать от водорода (N = 1) до ртути (N = 200), а это значит, что рабочий потенциал при фиксированном УИ можно менять в 14 раз путям подбора подходящего рабочего тела.

Это понятно (на приведенной из Перельмана табличке цифрами как раз помечены разное рабочее тело). Что-что но именно ионный двигатель для звездолета не вызывает особых опасений
В том числе и по ресурсу (в сотни лет работы) и по  массе на киловатт.
Вот смотрите.
Вы верно заложили 1 кг/кВт для двигателя. В проекте TAU так и получалось. Но там двигадети давали 100-200 км/с истечение. В нашем случае скорость истечения будет в 100 раз (примерно) больше 10 000 - 20 000 км/с.
Тяга любого ракетного двигателя:



Увеличив истечение в 100 раз вы увеличиваете потребляемую мощность в 100 раз (сохраняя тягу). То есть у вас предположительно удельная масса на киловатт падает примерно в 100 раз, до 0.01 кг/кВт. Хотя конечно не все так красиво будет в реале. Но 0.1 кг/кВт получить можно надеятся для такого двигателя легко!

О сроках эксплуатации, о разъедании сетки потоком ионов. Как долго проработает высокоимпульсный ионник по сравнению с низкоимпульстным? Смотрим на секундный расход массы (кг/с) в любом двигателе:



Если одна и та же масса протекала через решотку ионника на 100-200 км/с за 3-5 лет и сетка не разрушалась, то при 10 000 -20 000 км/с (скорость истечения увеличилась в 100 раз) секундный расход ионов падает в 10 000 раз. Количество секундных попаданий ионов на сетку - тоже. То есть наш ионник при той же потребляемой мощности должен проработать 30 000 - 50 000 лет.
Разумеется это сверхоптимизм. Энергия частиц у него много выше и каждое попадание по-идее будет сильней разрушать решетку. Тут нужна более детальная модель, но есть сильное подозрение что в 100 раз ресурс все же возрастет. А это уже 300-500 лет.
Даже если решетка будет работать только по 30-50 лет, то никто не мешает нам выводить и двигатели на профилактику как реакторы.
В общем, что касается именно ионника, то это наиболее надежное звено системы. Нашелся бы мощный и легкий источник энергии для него! В нем вся загвоздка! За ионником дело не станет!

[Андрей Курилов]

А зачем нужен именно саморазрушающийся ионник? Религия не позволяет рассматривать более современные подходы? Я так и не понял, что такого прекрасного в электродах.