Двигатель Бассарда | [Невозможные изобретения]⁠⁠

В 1960 году американский физик Роберт Бассард придумал оригинальную идею. Для осуществления межзвездных путешествий он предложил использовать специальный прямоточный термоядерный двигатель.

В основе его концепции лежит захват вещества (водорода и пыли) из межзвёздной среды, идущим на высокой скорости космическим кораблём и использование этого вещества в качестве рабочего тела (либо непосредственно топлива) в термоядерном ракетном двигателе корабля.

Первоначально проект Бассарда предусматривал механический захват атомов водорода космическим кораблем в процессе его движения. Однако расчеты показали, что для достижения «идеального» ускорения в 1g в типичных областях межзвездного пространства, где содержание атомов водорода на единицу объема крайне мало, 1000-тонному космическому кораблю потребуется фронтальная зона сбора вещества просто огромной площади.

Даже если предположить, что технологии будущего позволят построить подобный сборщик водорода, его масса будет просто колоссальна Например, конструкция площадью 10 000 квадратных километров, изготовленная из майлара, и имеющая толщину 0,1 сантиметра, будет весить около 250 000 тонн.

Одним из способов решения этой проблемы является ионизация водорода перед космическим кораблем с помощью мощного лазера. Ионы водорода, имеющие электрический заряд (то есть, по сути, протоны) смогут втягиваться относительно небольшим коллектором Бассарда, который генерирует мощное магнитное поле. Тогда процесс «сбора урожая» будет иметь электромагнитную природу, а не механическую.

Поэтому сборщик не обязательно должен быть твердым. Можно использовать и сетку. И она не должна быть нереально большой. Поскольку магнитное поле может иметь конфигурацию, превышающую по размеру физические размеры сборщика материи.

Зачем?

Двигатель Бассарда обещает релятивистские скорости на всем протяжении маршрута, позволяя человечеству достичь ближайшей звездной системы менее чем за 4 года и ближайшей галактики менее чем за 30 лет. И все это при отсутствии бортового топлива.

Необходимость нести топливо останавливает нашу способность исследовать глубокий космос. Сегодня чтобы осуществить межзвездный полет, космическому кораблю, использующему химические ракеты, нужен топливный бак, больший, чем вся наблюдаемая вселенная. Химические ракеты никогда не выведут нас за пределы Солнечной системы. Именно это делает реактивный двигатель Бассарда таким революционным.

Как?

В основе прямоточного двигателя лежит слияние. Электромагнитные поля будут собирать водород, который затем попадет в термоядерный реактор и обеспечит энергию для мощной выхлопной струи. Неиспользованный водород также выбрасывается в выхлоп. Эта термоядерная реакция продвигает корабль вперед на невероятных скоростях, при этом собирая больше водорода из межзвездной среды, и избавляя от необходимости останавливаться по пути для дозаправки.

Бассард стремился к ускорению в 1g, чтобы люди на борту космического корабля могли испытывать гравитацию, подобную земной. Такое ускорение, безопасное для путешествий людей, но все же достаточно быстрое, чтобы достичь краев Галактики Андромеды всего за 30 лет.

Но для ускорения в 1g требует много водорода. Межзвездная среда имеет среднюю плотность около 1 атома водорода на кубический сантиметр, что делает ее чрезвычайно диффузной. Некоторые области Вселенной, такие как туманности, более концентрированы, чем другие. Ускорение 1g в средней межзвездной среде потребовало бы лобовой площади сбора водорода в 10 000 квадратных километров.

Осуществимость

Однако, колоссальным преимуществам сопутствуют серьезные и уникальные проблемы, которые нужно преодолеть.

Так как необходимо перемещаться очень быстро, чтобы собирать достаточное количество водорода, изначально требуется разогнаться до критической скорости, которая составляет около 6% от скорости света.

Это означает, что, хотя для двигателя Бассарда, возможно, не понадобится бортовое топливо во время путешествия, ему понадобится некоторое количество топлива в начале пути. Когда корабль движется, возникает проблема с питанием магнитных полей и лазеров, необходимых для ионизации и сбора водорода.

Термоядерный реактор корабля, по идее Бассарда, должен быть реализован на протон-протонном синтезе – это та же цепная реакция синтеза, которая происходит внутри звезд.

Некоторые исследователи сочли этот подход неэффективным. Так в 1974 году Алан Бонд предложил использовать входящий водород для синтеза с литием-6 или бором-11. Это слияние не только легче, но и приведет к высвобождению большей энергии. Водород будет взаимодействовать с бортовым топливом и придаст кораблю больше ускорения в этой модификации двигателя Бассарда.

Другой подход к слиянию был предложен физиком Дэниелом Уитмиром в 1970-х годах. По его мнению еще более эффективно использование каталитической цепочки ядерных реакций, так называемого цикла CNO, вместо протон-протонного горения, предложенного Бассардом.

Цикл CNO происходит в звездах, более массивных, чем Солнце, и на 9 порядков быстрее, чем протон-протонный синтез. Однако цикл CNO реализуется при температуре и плотности, которые мы пока не можем достичь с помощью наших технологий.

За прошедшие годы появилось не только много модификаций двигателя Бассарда, но сопутствующих изобретений.

Так, например, расчеты, выполненные физиком Робертом Зубриным и его коллегами, для решения проблемы торможения корабля встречным потоком водорода, вдохновили на идею создания магнитного парашюта или паруса. Это может быть важным для межзвездных путешествий будущего, потому что это означает, что замедление в пункте назначения станет возможно выполнить с магнитным парашютом, а не с ракетой.

А совсем недавно астрофизик Мэтью Каплан из Университета штата Иллинойс предложил тип звездной машины, в которой совместное использование двигателя Бассарда и Сферы Дайсона, позволило бы сделать всю нашу Солнечную систему гигантским космическим кораблем. Каплан описал как с помощью его изобретения можно целенаправленно перемещать Солнце, а, следовательно, и все гравитационно связанные с центральной звездой планеты.

Сама идея использования попутной среды для перемещения космического корабля мысленно возвращает нас во времена первых мореплавателей, которые использовали только море и ветер для движения вперед. Но пока для нас концепция двигателя Бассарда выглядит почти такой же далекой и нереализуемой, какой во времена первых морских путешествий могла показаться идея космических полетов в принципе.