نافذ الصبر؟ يمكن لمركبة فضائية الوصول إلى تيتان في غضون عامين فقط باستخدام محرك الانصهار المباشر

قوة الانصهار هي التكنولوجيا التي تفصلنا عن ثلاثين عامًا ، وستظل دائمًا - وفقًا للمتشككين على الأقل. على الرغم من صعوبة تحولها إلى مصدر طاقة موثوق ، فإن التفاعلات النووية التي تشغل الشمس لها مجموعة متنوعة من الاستخدامات في مجالات أخرى. الأكثر وضوحا في الأسلحة ، أين قنابل هيدروجينية هي حتى يومنا هذا أقوى الأسلحة التي قمنا بإنتاجها على الإطلاق. ولكن هناك حالة استخدام أخرى أقل تدميراً بكثير ويمكن أن تكون أكثر إثارة للاهتمام - محركات الفضاء.

محرك الانصهار المفهوم ، يسمى محرك الاندماج المباشر (أو DFD ) قيد التطوير في مختبر برينستون لفيزياء البلازما ( PPPL ). العلماء والمهندسون هناك بقيادة د. صموئيل كوهين ، تعمل حاليًا على التكرار الثاني لها ، والمعروف باسم التكوين المعكوس لحقل برينستون -2 ( PFRC-2 ). في النهاية يأمل مطورو النظام في إطلاقه في الفضاء للاختبار ، وأن يصبح في النهاية نظام القيادة الأساسي للمركبة الفضائية التي تنتقل عبر نظامنا الشمسي. يوجد بالفعل هدف مثير للاهتمام بشكل خاص في النظام الشمسي الخارجي يشبه الأرض من نواح كثيرة - تيتان . لقد أذهلت دورات السائل وإمكانية إيواء الحياة العلماء منذ أن بدأوا في جمع البيانات عنها لأول مرة. وإذا استخدمنا DFD بشكل صحيح ، فيمكننا إرسال مسبار هناك في أقل من عامين بقليل ، وفقًا لبحث أجراه فريق من مهندسي الطيران في قسم الفيزياء في مدينة نيويورك كلية تكنولوجيا بقيادة الأستاذ رومان كيزراشفيلي وانضم إليهم زميلان من البوليتكنيك في تورينو في إيطاليا - باولو أيمي وماركو جاجيري.

الفريق المشارك في اشتقاق مسارات DFD المثلى. من اليسار إلى اليمين: ماركو جاجيري ، د. صموئيل كوهين ، باولو أيمي ، البروفيسور رومان كيزراشفيلي ، في PPPL.
الائتمان: البروفيسور رومان كيزيراشفيلي

على الرغم من أن المحرك نفسه لا يزال قيد التطوير ، إلا أنه يستخدم العديد من مزايا الاندماج غير الآلي ، وأبرزها نسبة الطاقة إلى الوزن العالية للغاية. يمكن أن يختلف وقود محرك DFD قليلاً في الكتلة والاحتواء الديوتيريوم و أ الهليوم 3 النظير. حتى مع وجود كميات صغيرة نسبيًا من الوقود القوي للغاية ، يمكن أن يتفوق DFD على طرق الدفع الكيميائية أو الكهربائية المستخدمة بشكل شائع اليوم. ال دافع محدد يُقدر النظام ، وهو مقياس لمدى فعالية استخدام المحرك للوقود ، بأنه يمكن مقارنته بالمحركات الكهربائية ، وهي الأكثر كفاءة المتوفرة حاليًا. بالإضافة إلى ذلك ، سيوفر محرك DFD 4-5 نيوتن من دفع في وضع الطاقة المنخفضة ، أقل بقليل مما سينتجه صاروخ كيميائي على مدى فترات طويلة من الزمن. يأخذ DFD بشكل أساسي الدافع النوعي الممتاز لأنظمة الدفع الكهربائية ويجمعها مع الدفع الممتاز للصواريخ الكيميائية ، من أجل مزيج يمزج بين أفضل نظامي الطيران.

فيديو من أنظمة برينستون للأقمار الصناعية يصف التشغيل التقني لمحطة توزيع البيانات.
الائتمان: قناة يوتيوب لأنظمة برينستون للأقمار الصناعية

كل هذه المواصفات المحسّنة رائعة ، ولكن لكي تكون مفيدة ، يجب عليهم الحصول على مركبة فضائية في مكان ما. اختار مؤلفو الورقة تيتان ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنه بعيد نسبيًا ولكنه أيضًا ممتع للغاية بسببه دورات السائل ووفرة جزيئات عضوية . من أجل تحديد أفضل طريق إلى أكبر قمر لكوكب زحل ، تعاون الفريق الإيطالي مع مطوري DFD في PPPL وتم منحهم الوصول إلى بيانات الأداء من محرك الاختبار. ثم قاموا بسحب بعض البيانات الإضافية حول محاذاة الكواكب وبدأوا العمل على بعض ميكانيكا المدارات. نتج عن ذلك مساران محتملان مختلفان ، أحدهما حيث تم تطبيق الدفع الثابت فقط في بداية الرحلة ونهايتها (يُطلق عليه اسم الدفع - الساحل - الملف الشخصي - TCT - الملف الشخصي) والآخر كان الدفع فيه ثابتًا طوال مدة الرحلة. رحلة.

يوضح UT سبب أهمية استكشاف Titan.

تضمنت كلتا الرحلتين تبديل اتجاه الدفع لإبطاء المركبة الفضائية للدخول في نظام زحل. إن توفير قوة دفع ثابتة من شأنه أن يضع الرحلة في أقل من عامين بقليل ، في حين أن ملف تعريف TCT قد ينتج عنه مدة رحلة إجمالية تبلغ 2.6 سنة لمركبة فضائية أكبر بكثير من كاسيني . لن يتطلب كلا المسارين أي مساعدة في الجاذبية ، والتي استفادت منها المركبات الفضائية التي تسافر إلى الكواكب الخارجية بانتظام. استخدمت كاسيني ، وهي آخر مهمة شهيرة زارت نظام زحل ، سلسلة من مساعدات الجاذبية بين كوكب الزهرة والأرض للوصول إلى وجهتها ، وهي رحلة استغرقت ما يقرب من 7 سنوات. يقول ماركو جاجيري ، مؤلف الورقة المطابق ، إن أحد الأشياء المهمة التي يجب ملاحظتها هو أن النافذة التي تجعل فترات الرحلات القصيرة هذه الأكثر كفاءة تفتح حوالي عام 2046. وعلى الرغم من أنه ليس بعد 30 عامًا من الآن ، فإنها تمنح فريق PPPL الكثير مزيد من الوقت لتحسين تصميمهم الحالي.

تظهر تحديات أخرى بمجرد وصول مسبار DFD الممكّن إلى نظام ساتورني. من السهل نسبيًا أن تدور حول ثاني أكبر كوكب في النظام الشمسي. يعد نقل المدارات إلى أكبر قمر لها أكثر صعوبة. حل هذه المشكلة يتطلب معالجة مشكلة ثلاثة أجسام ، وهي مشكلة تشتهر بصعوبة ميكانيكا المدارات والتي تنطوي على حل مدارات ثلاثة أجسام مدارية مختلفة (مثل المركبة الفضائية وزحل وتيتان).

صورة محرك PFRC-2 DFD أثناء العمل.
الائتمان: مستخدم ويكيبيديا Cswancmu / PPPL

مع كل الميكانيكا المدارية بعيدًا عن الطريق ، والمركبة الفضائية بأمان في مدار تيتان ، يمكن أن تبدأ في الاستفادة من مزايا أخرى من DFD - يمكن أن توفر طاقة مباشرة لأنظمة المركبة الفضائية. تعتمد معظم مهام النظام الشمسي الخارجي على المولدات الحرارية ذات النظائر المشعة ( RTGs ) لمصدر قوتهم. لكن DFD هو في الواقع مصدر طاقة بالإضافة إلى كونه مصدر دفع. إذا تم تصميمه بشكل صحيح ، يمكن أن يوفر كل الطاقة التي تحتاجها المركبة الفضائية الحامل لإطالة عمر المهمة.

يعني هذا العمر الطويل للبعثة أن DFD يمكن أن يكون مفيدًا في مجموعة واسعة من المهام. نظر المؤلفون الذين درسوا المهمة إلى تيتان أيضًا في إمكانية القيام بمهمة للأجسام العابرة لنبتون ، والتي لم تزورها حتى الآن سوى شركة نيو هورايزونز ، والتي استغرقت 9 سنوات للوصول إلى بلوتو. وغني عن القول ، فإن DFD من شأنه أن يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم للقيام بهذه الرحلة. وإذا تم تشغيلها خلال الثلاثين عامًا القادمة ، فيمكن أن تبدأ في العمل كقوة دافعة لجميع أنواع مهام الاستكشاف الجديدة.

يتعلم أكثر:
arXiv: مهمة Titan باستخدام Direct Fusion Drive
ماركو جاجيري - رسالة ماجستير - تصميم المسار لمهمة Titan باستخدام Direct Fusion Drive
ITER - هل الانصهار ، سوف يسافر
المستقبل الكبير القادم - محرك فيوجن مباشر من ميغاواط لـ 25X ISP و 3 مرات أسرع إلى بلوتو

ائتمان الصورة المميزة: تصور الفنان لمحرك Direct Fusion Drive. الائتمان: أنظمة برينستون للأقمار الصناعية