Otålig? En rymdfarkost kunde ta sig till Titan på bara 2 år med hjälp av en direkt fusionsenhet
Fusionskraft är den teknik som är trettio år bort, och alltid kommer att vara – enligt skeptiker åtminstone. Trots sin svåra övergång till en pålitlig kraftkälla har kärnreaktionerna som driver solen en mängd olika användningsområden inom andra områden. Den mest uppenbara är i vapen, där vätebomber är till denna dag de mest kraftfulla vapnen vi någonsin har producerat. Men det finns ett annat användningsfall som är mycket mindre destruktivt och kan visa sig vara mycket mer intressant - rymddrift.
Konceptet fusionsdrift, kallat en direkt fusionsdrift (eller DFD ) är under utveckling vid Princeton Plasma Physics Laboratory ( PPPL ). Forskare och ingenjörer där, under ledning av Dr Samuel Cohen , arbetar för närvarande på den andra iterationen av den, känd som Princeton-fältet omvänd konfiguration-2 ( PFRC-2 ). Så småningom hoppas systemets utvecklare kunna skjuta upp det i rymden för att testa det och så småningom bli det primära drivsystemet för rymdfarkoster som färdas genom vårt solsystem. Det finns redan ett särskilt intressant mål i det yttre solsystemet som liknar jorden på många sätt – Titan . Dess vätskekretslopp och potential att hysa liv har fascinerat forskare sedan de först började samla in data om det. Och om vi använde DFD på rätt sätt skulle vi kunna skicka en sond dit om lite under två år, enligt forskning gjord av ett team av flygingenjörer vid fysikavdelningen i New York City Tekniska högskolan , ledd av professor Roman Kezerashvili och sällskap av två stipendiater från Yrkeshögskola i Turin i Italien - Paolo Aime och Marco Gajeri.
Teamet som var involverat i att ta fram de optimala DFD-banorna. Från vänster till höger: Marco Gajeri, Dr. Samuel Cohen, Paolo Aime, Prof. Roman Kezerashvili, vid PPPL.
Kredit: Prof. Roman Kezerashvili
Även om motorn fortfarande är under utveckling, använder den många av fördelarna med aneutronisk fusion, framför allt ett extremt högt förhållande mellan effekt och vikt. Bränslet för en DFD-drift kan variera något i massa och innehåller deuterium och a helium-3 isotop. Även med relativt små mängder extremt kraftfullt bränsle kan DFD:n överträffa de kemiska eller elektriska framdrivningsmetoderna som vanligtvis används idag. De specifik impuls av systemet, som är ett mått på hur effektivt en motor använder bränsle, uppskattas vara jämförbart med elmotorer, de mest effektiva som finns tillgängliga för närvarande. Dessutom skulle DFD-motorn ge 4-5 N av sticka i lågeffektläge, bara något mindre än vad en kemisk raket skulle producera under långa tidsperioder. I huvudsak tar DFD den utmärkta specifika impulsen från elektriska framdrivningssystem och kombinerar den med den utmärkta dragkraften från kemiska raketer, för en kombination som kombinerar det bästa från båda flygsystemen.
Video från Princeton Satellite Systems som beskriver den tekniska driften av DFD.
Kredit: Princeton Satellite Systems Youtube-kanal
Alla dessa förbättrade specifikationer är fantastiska, men för att vara användbara måste de faktiskt skaffa en rymdfarkost någonstans. Tidningens författare valde Titan, till stor del för att den är relativt långt borta men också extremt intressant på grund av dess vätskekretslopp och riklig organiska molekyler . För att kartlägga den bästa vägen till Saturnus största måne, samarbetade det italienska teamet med DFD:s utvecklare på PPPL och fick tillgång till prestandadata från testmotorn. De hämtade sedan lite ytterligare data om planetariska anpassningar och började arbeta med någon orbital mekanik. Detta resulterade i två olika potentiella banor, en där konstant dragkraft endast applicerades i början och slutet av resan (kallad en dragkraft-kust-thrust – TCT – profil) och en där dragkraften var konstant under hela resan. resa.
UT:s syn på varför det är viktigt att utforska Titan.
Båda resorna involverade att byta dragkraftsriktning för att sakta ner rymdfarkosten för att komma in i det Saturniska systemet. Att tillhandahålla konstant dragkraft skulle sätta resan på lite mindre än 2 år, medan TCT-profilen skulle resultera i en total reselängd på 2,6 år för en rymdfarkost som är mycket större än Cassini . Båda dessa banor skulle inte kräva någon gravitationshjälp, vilket rymdfarkoster som reser till de yttre planeterna regelbundet har dragit nytta av. Cassini, det sista berömda uppdraget att besöka det Saturniska systemet, använde en serie gravitationshjälp mellan Venus och jorden för att nå sin destination, en resa som tog nästan 7 år. En viktig sak att notera, säger Marco Gajeri, tidningens motsvarande författare, är att fönstret som gör dessa korta reselängder mest effektiva öppnas runt 2046. Även om det inte är riktigt 30 år från nu, ger det teamet på PPPL mycket mer tid att förbättra sin nuvarande design.
Andra utmaningar uppstår när en DFD-aktiverad sond når det saturniska systemet. Att kretsa runt den näst största planeten i solsystemet är relativt lätt. Att överföra banor till dess största måne är mycket svårare. Att lösa det problemet kräver att man tar itu med trekroppsproblem , ett notoriskt svårt orbitalmekanikproblem som involverar att lösa banorna för tre olika orbitala kroppar (dvs. rymdfarkosten, Saturnus och Titan).
Bild på PFRC-2 DFD Drive på jobbet.
Kredit: Wikipedia-användare Cswancmu / PPPL
Med all orbital mekanik ur vägen, och rymdfarkosten säkert i Titans bana, kan den börja dra nytta av en annan av DFD:s fördelar - den kan ge direkt kraft till rymdfarkostens system. De flesta yttre solsystemuppdrag förlitar sig på termiska generatorer med radioisotop ( RTG:er ) för sin strömkälla. Men en DFD är i själva verket en kraftkälla förutom att den är en drivkraftskälla. Om den är designad på rätt sätt kan den ge all kraft som ett rymdskepp behöver för en längre livslängd på uppdraget.
Den förlängda uppdragets livslängd innebär att DFD kan vara användbar i ett brett spektrum av uppdrag. Författarna som studerade uppdraget till Titan tittade också på potentialen för ett uppdrag till de trans-neptuianska objekten, som hittills bara har besökts av New Horizons, vilket tog 9 år att nå Pluto. Onödigt att säga att en DFD dramatiskt skulle minska den tid som behövs för att göra den resan. Och om den råkar vara i drift under de kommande 30 åren kan den börja fungera som drivkraften för alla typer av nya prospekteringsuppdrag.
Läs mer:
arXiv: Ett Titan-uppdrag med Direct Fusion Drive
Marco Gajeri - MS Examensarbete - Bandesign för ett Titan-uppdrag med Direct Fusion Drive
ITER - Ha fusion, kommer att resa
Nästa stora framtid – Megawatt Class Direct Fusion Drive för 25X ISP och 3 Time Faster till Pluto
Feature Image Credit: Konstnärens uppfattning om Direct Fusion Drive. Kredit: Princeton Satellite Systems