Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[Андрей Курилов]

Retired, стиль зело знаком... Гончев/Кошелёв - ни о чём вам не говорит? Доставайте свои трансверсали и селестикальную механику

[alex_semenov]

О ядерных реакторах в космосе. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/supplement/Presby_Engineer_Degree_Thesis.pdf

Возвращаясь к изотопному "шарику". Вот смотрите, чем он еще хорош. Продукт распада полония-210 - свинец (кажется). То есть. В отличие от продуктов деления урана в  реакторе, где продукты пестрые и неудобные как рабочее тело, тут отработанный материал один, и значит его можно рассматривать как рабочее тело для ионника.

У первоначальной схемы изотопного генератора получилось  более 4000 Вт/кг. А мы  рады были бы даже 2000 Вт/кг. То есть половину энергии вырабатываемой полониевым реактором, мы могли бы потратить на … воспроизводство полония.
Это СТОИЛО БЫ ТОГО!
Если бы мы научились воспроизводить полоний из висмута на борту, то мы получили бы законченную и уникальную схему ионного звездолета на 740 лет полета к Альфе (как мы видим, на нормальном урановом реакторе это НЕВОЗМОЖНО!).
Вот смотрите.
Загружаем шарик  висмутом в виде топлива и рабочего тела, а небольшое количество полония наносим на сферу. Полониевый генератор начинает работать. Активный полоний превращается в свинец с выделением энергии. Свинец собираем и  как рабочее тело выбрасываем через ионники. А вместо него наносим свеженаработанный полоний тут на борту из запаса висмута полоний (небольшие роботы ползают по сфере весь полет и собирают старое покрытие сферы, заменяя его новым).
И если мы отказались от 4000 Вт/кг, нам для двигателя хватить и 2000, то для наработки полония мы можем выделить аж половину вырабатываемой энергии!
Однако.
Если кпд полониевого генератора 25%, это значит что только один из четыхер распадов оказался полезным (три просто превратились в тепло). А значит наш волшебный цикл воспроизводства полония должен за энергию распада одного атома полония как-то получать из восьми атомов висмута восемь атомов полония. Тогда наш звездолет полетит.
Как это может происходить реально? Скажем линейный ускоритель разгоняет протон до гигэлектронвольтной энергии и тот выбивает до 30 нейтронов в некой мишени (бериллий например), которые, будучи поглощенными в бланкете из висмута родят, скажем 25 атомов полония.
Но неприятность вот в чем.
Из этих 25 атомов только 1/8, то есть 3-4 потом дадут энергию для нашего ускорителя. Это порядка 5 Мэв* 4 = 20 Мэв. Альфа частица состоит из 4-х нуклонов. То есть это в эквиваленте энергии на нуклон протона 40 МЭв. А нам нужен протов в ГЭв. То есть 1000 МЭв… Баланс никак не хочет сходиться даже при самых крутых предположениях!

Даже если бы наш генератор превнащал 100% энергии альфа-частиц в ток, то это улучшило бы ситуацию только в 4 раза. То есть 160 Мэв. Нам явно не хватает для замыкания цикла целого порядка.
 

[SY]

Если бы мы научились воспроизводить полоний из висмута на борту

Нейтроны можно получить с помощью того же полония по реакции ⁹Be(α,n)¹²C, где источником альфа-частиц является полоний. В пределе на один распавшийся атом полония может получиться один новый атом полония, но на практике, конечно, все хуже.

У первоначальной схемы изотопного генератора получилось  более 4000 Вт/кг

на практике атомный реактор дает на порядок больше мощность с килограмма топлива. Может дать и больше, надо только успевать тепло отводить.

[SY]

О ядерных реакторах в космосе. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/supplement/Presby_Engineer_Degree_Thesis.pdf

На странице 6 есть Figure 2. Там дана диаграмма по типам источников энергии взависимости от мощности и времени использования.

[Андрей Курилов]

на практике атомный реактор дает на порядок больше мощность с килограмма топлива. Может дать и больше, надо только успевать тепло отводить.

Тут ограничивающим фактором будут турбины и трансформаторы - об этом AlexAV ранее уже говорил вроде бы.

[Retired]

Тут ограничивающим фактором будут турбины и трансформаторы - об этом AlexAV ранее уже говорил вроде бы.

А что мешает использовать агент-теплоноситель с большей удельной теплоемкостью и каскадировать турбины?

[Андрей Курилов]

А что мешает использовать агент-теплоноситель с большей удельной теплоемкостью и каскадировать турбины?

Вероятно, некоторый физический предел. Да и от каскадирования турбин их масса меньше не станет. Нас интересует кол-во вт/кг для всей этой схемы.

[Retired]

Вероятно, некоторый физический предел. Да и от каскадирования турбин их масса меньше не станет. Нас интересует кол-во вт/кг для всей этой схемы.

Ну физический предел тут будет определять не свойствами материи, а кпд турбоустановки. Чем он выше - тем будет ниже градус агента на выходе, то есть бОльшее теплопоглощение ТВЭЛа следующего РЦ. Масса от каскдирования станет бОльше, но это позволит поднять удельную мощность на КГ топлива....

[SY]

А статья-то интересная.
Авторы предлагают использовать термофотоэлементы, утилизирующие тепловое излучение. Причем перед фотогальваническим элементом ставится фильтр, который отражает обратно ту часть спектра, которую не может использовать фотоэлемент. За счет этого они подняли КПД.
Общая схема такая:
Источник тепла(реактор) => тепловые трубки(для выноса тепла от источника ионизирующего излучения) => светящаяся(раскаленная) поверхность => ваккумный зазор => отражающий фильтр => фотоэлемент => зеркало(для отражения не поглощенного фотоэлементом излучения)

[AlexAV]

Авторы предлагают использовать термофотоэлементы, утилизирующие тепловое излучение. Причем перед фотогальваническим элементом ставится фильтр, который отражает обратно ту часть спектра, которую не может использовать фотоэлемент. За счет этого они подняли КПД.

КПД у такой системы может быть очень неплохой. Единственный минус - полупроводник надо охлаждать до достаточно низких температур. А особенно учитывая, что в этом случае надо применять узкозонные полупроводники, то температура холодильника оказывается не выше комнатной... 

[SY]

Единственный минус - полупроводник надо охлаждать до достаточно низких температур.

Предполагается освещать фотоэлемент узким спектром, через ваккумную прослойку, что ограничит перенос тепла, но в целом , да, радиатор нужен холодный(и большой соответственно)

[AlexAV]

Предполагается освещать фотоэлемент узким спектром, через ваккумную прослойку, что ограничит перенос тепла, но в целом , да, радиатор нужен холодный(и большой соответственно)

Фильтр позволяет повысить КПД, но ширина запрещённой зоны у полупроводника всё равно должна быть такой, чтобы кванты соответствующей энергии в излучаемом спектре присутствовали в заметном количестве. А это даже не кремний... Германий или стибинат галлия скорее.

[Retired]

Предполагается освещать фотоэлемент узким спектром, через ваккумную прослойку, что ограничит перенос тепла, но в целом , да,  нужен холодный(и большой соответственно)

Прямо напрашивается идея сделать ФАУ-2 наоборот. Охлаждать систему жидким ксеноном перед его ионизацией, чтобы "вредное" тепло участвовало в цикле подготовке РТ повышая кпд всего цикла в целом.

[Retired]

Германий или стибинат галлия скорее.

Индий?

[SY]

Там просветленная оптика 

[AlexAV]

Индий?

Ошибся... По аналогии со стибином. Правильно конечно не стибинат галлия, а антимонид галлия (GaSb). Вообще близкую (~0.6 эВ) имеет германий, антимонид галлия и системы галлий-индий-сурьма-мышьяк, а также галлий-индий-мышьяк.

[alex_semenov]

Если бы мы научились воспроизводить полоний из висмута на борту

Нейтроны можно получить с помощью того же полония по реакции ⁹Be(α,n)¹²C, где источником альфа-частиц является полоний. В пределе на один распавшийся атом полония может получиться один новый атом полония, но на практике, конечно, все хуже.

Да, такая идея мне сразу приходила в голову. Заменить алюминий бериллием…
В том то и дело, что на практике все очень плохо. Какой пробег альфа-частицы в бериллии? Микроны? А какое сечение захвата альфа-частицы в бериллии и какой из него пробег? Меньше сантиметра получится? В итоге, если из ста тысяч если не миллиона альфа-частица  влетевших в бериллий  одна действительно родит нейтрон- уже хорошо. Если для лабораторных генераторов нейтронов. Но для нас это бессмысленная победа.

У первоначальной схемы изотопного генератора получилось  более 4000 Вт/кг

на практике атомный реактор дает на порядок больше мощность с килограмма топлива. Может дать и больше, надо только успевать тепло отводить.

Понятно. Но вы не уловили преимущество изотопного цикла от ядерного. Отходы ядерного цикла - широкий букет изотопов с разной массой. Такой ШЛАК в ионный двигатель не засунешь. А вот отход изотопного реактора-  чистый свинец. Его можно через двигатель отбрасывать. То есть изотопное топливо сначала используется как горючее, то есть источник энергии, а потом его можно использовать как рабочую массу, как носитель импульса. Со шлаком из ядерного реактора так поступить если и можно, то очень сложно.

В общем, я для себя определился уже с вопросом в данной теме. Выше 100-200 Вт/кг удельная мощность ионной ракеты быть не может. И все наши попытки выжать 1000-2000 Вт/кг имеют смысл только для одного - повысить долю ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ у такого медленного звездолета.
То есть, на вопрос в заглавии дается следующий ответ.
Да, ионный двигатель годиться, если вы готовы лететь до А Центавры полторы тысячи лет. Более того. Систему привода в этом случае можно сделать в 1/10-1/5 от массы корабля. То есть большую часть массы корабля можно сделать собственно межзвездной колонией. Это - единственный из возможных вариантов применения данной идеи к звездам.
Не так уж и плохо, если учесть что через 20 000 лет к нам и Барнарда и А Центавра приблизиться на 3 св. года. А в более далеком будущем звезды будут приближаться и на 1 св. год. и даже на 0.2 св. года (раз в 50 миллионов лет).

[ВадимZero]

Со шлаком из ядерного реактора так поступить если и можно, то очень сложно.

чем шлак ядерного реактора хуже, свинца?
Я уже не говорю о том что полного выгорания сборки можно достич в центре реактора. Тогда как для радио-изотопного элемента полое выгорание вообще невозможно. Потому нужна лаборатория для разделения продуктов реакции и непрореагировавших элементов.

[AlexAV]

чем шлак ядерного реактора хуже, свинца?

Там коктейль из половины таблицы Менделеева. Брать ещё на борт целый радиохимический завод - это уже слишком.

[ВадимZero]

Брать ещё на борт целый радиохимический завод - это уже слишком.

А зачем? Ионизируйте продукты реакции, засовывайте их в ионник и будет вам счастье