Термоядерный синтез — это технология, которая, по мнению некоторых экспертов, будет освоена уже в ближайшие 30 лет как источник чистой и практически неиссякаемой энергии. Несмотря на трудности использования в качестве надежного источника энергии, термоядерные реакции, находят широкое применение в некоторых областях человеческой деятельности. Самое очевидное что приходит на ум это в оружии: водородные бомбы по сей день являются самым разрушительным оружием, которое когда-либо было создано человеком. Но существуют и другие варианты их применения, который будут намного полезнее, например, в качестве привода космических двигателей.
Концептуальный термоядерный двигатель, называемый прямым термоядерным приводом (a direct fusion drive или DFD), находится в разработке в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Ученые и инженеры во главе с доктором Сэмюэлем Коэном в настоящее время работают над второй его версией, известной как «Принстонское поле обратная конфигурация-2» (PFRC-2). Разработчики системы надеются запустить ее в космос для тестирования, а затем использовать в качестве основной системы привода двигателей космических кораблей, путешествующих по Солнечной системе.
Во внешней Солнечной системе существует интересный, с точки зрения исследований, объект, который во многом похож на Землю. Это Титан. Если использовать термоядерный двигатель для запуска к нему зонда, то зонд сможет достигнуть Титана чуть меньше чем за два года. Это значительно повышает интерес к работам по созданию данного двигателя.
И хотя двигатель все еще находится в стадии разработки результаты расчетов дают повод для оптимизма. В качестве топлива для DFD может использоваться дейтерий и изотоп гелия-3. Даже с относительно небольшим количеством этого топлива эффективность DFD может превзойти химические или электрические способы движения, которые обычно используются сегодня. Удельный импульс системы, который является мерой того, насколько эффективно двигатель использует топливо сопоставим с наиболее эффективными электрическими двигателями из имеющихся в настоящее время. Вдобавок термоядерный двигатель будет обеспечивать тягу в 4-5 Н в режиме малой мощности, что лишь немногим меньше, чем тяга, которую могут выдавать химические ракеты в течение продолжительного периода времени. По сути, DFD использует удельный импульс от электрических силовых установок и сочетает его с тягой от химических ракет, создавая комбинацию, которая объединяет лучшее из обеих систем.
Все эти характеристики выглядят более чем хорошо, но для того, чтобы быть полезным в реальных условиях нужно опробовать двигатель на реальном космическом корабле. Авторы статьи выбрали Титан в основном потому, что он находится относительно далеко, но в тоже время интересен как объект исследования. Чтобы проложить наилучший маршрут к самому большому спутнику Сатурна, итальянская команда сотрудничала с разработчиками DFD в PPPL и получила доступ к данным о производительности тестовой образца. Затем они использовали данные о положении планет с применением законов орбитальной механики. Это привело к появлению двух возможных траекторий. На одной из траектории постоянная тяга применялась только в начале и в конце траектории полета, а на другой — постоянная тяга использовалась на протяжении всего пути.
Обе траектории включали в себя изменения направления тяги, чтобы замедлить космический корабль и выйти на орбиту Сатурна. На траектории, где используется постоянная тяга на протяжении всего полета, время полета составит чуть менее двух лет, в то время, как на траектории, где тяга применяется только в начале или конце полета продолжительность составит путешествия 2,6 года. Что все равно намного меньше, чем затратил на свой полет зонд Cassini. Обе эти траектории не потребуют гравитационных маневров, которые обычно космические корабли используют для полета к внешним планетам Солнечной системы. Cassini, последняя миссия к Сатурну, использовала серию гравитационных маневров между Венерой и Землей, чтобы достичь места назначения с максимальной экономией топлива. Данный полет длился почти семь лет.
Однако, когда зонд с приводом DFD достигнет системы Сатурна, возникнут другие проблемы. Вращаться на орбите вокруг второй по величине планеты Солнечной системы относительно легко. Но перейти на орбиту к его самому большому спутнику намного сложнее. Решение этой проблемы требует решения «проблемы трех тел» — сложной задачи орбитальной механики, которая включает в себя определение орбит трех разных небесных тел одновременно (то есть космического корабля, Сатурна и Титана).
Когда все задачи по орбитальной механике решены, а космический корабль находится в безопасном месте на орбите Титана, он может начать пользоваться еще одним преимуществом DFD – обеспечение энергоснабжением всех систем космического корабля. Источником энергии для большинства миссий во внешней Солнечной системе являются радиоизотопные тепловые генераторы (РИТЭГи). Но по сути DFD является не только источником тяги, но также и источником энергии. При правильной конструкции он может обеспечить всю мощность, необходимую космическому кораблю для продолжительной работы.
Такой увеличенный срок службы означает, что термоядерный двигатель может быть полезен в широком спектре миссий. Авторы, изучавшие миссию к Титану, рассматривали возможность миссии к транснептуианским объектам, которые до сих пор посещались только аппаратом New Horizons. Для этого чтобы достичь Плутона ему потребовалось девять лет. Излишне говорить, что DFD резко сократит время, необходимое для этого путешествия в несколько раз. И если ученые смогут завершить работу над DFD в ближайшие 30 лет, то он может стать движущей силой для всех новых исследовательских миссий.