Rumfartøjsdesign kunne nå Titan på kun 2 år ved hjælp af et direkte fusionsdrev

Fusionskraft er teknologien, der er 30 år væk, og vil altid være, ifølge skeptikere, i det mindste. På trods af den vanskelige overgang til en pålidelig strømkilde, de nukleare reaktioner, der driver solen, har en bred vifte af anvendelser på andre områder. Det mest oplagte er i våben; brintbomber er den dag i dag de mest kraftfulde våben, vi nogensinde har produceret. Men der er en anden use case, der er meget mindre destruktiv og kunne vise sig meget mere interessant - rumdrev.

Konceptet fusionsdrev, kaldet et direkte fusionsdrev (eller DFD), er under udvikling på Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Videnskabsmænd og ingeniører der, ledet af Dr. Samuel Cohen, arbejder i øjeblikket på den anden iteration af det, kendt som Princeton-feltet omvendt konfiguration-2 (PFRC-2). Til sidst, systemets udviklere håber at kunne sende det ud i rummet for at teste, og til sidst blive det primære drivsystem for rumfartøjer, der rejser gennem solsystemet.

Der er allerede et særligt interessant mål i det ydre solsystem, der ligner Jorden på mange måder - Titan. Dets væskekredsløb og potentiale til at rumme liv har fascineret videnskabsmænd, siden de først begyndte at indsamle data om det. Og hvis vi brugte DFD korrekt, vi kunne sende en sonde dertil om lidt under to år, ifølge forskning udført af et hold af rumfartsingeniører ved fysikafdelingen ved New York City College of Technology, ledet af professor Roman Kezerashvili og ledsaget af to stipendiater fra Politecnico di Torino i Italien - Paolo Aime og Marco Gajeri.

Selvom det stadig er under udvikling, motoren selv udnytter mange af fordelene ved aneutronisk fusion, mest bemærkelsesværdigt et ekstremt højt effekt-til-vægt-forhold. Brændstoffet til et DFD-drev kan variere lidt i masse og indeholder deuterium og en helium-3 isotop. Selv med relativt små mængder ekstremt kraftigt brændstof, DFD kan udkonkurrere de kemiske eller elektriske fremdriftsmetoder, der er almindeligt anvendte i dag. Systemets specifikke impuls, som er et mål for, hvor effektivt en motor bruger brændstof, vurderes at være sammenlignelig med elektriske motorer, den mest effektive tilgængelige i øjeblikket. Ud over, DFD-motoren ville give 4-5 N tryk i laveffekttilstand, kun lidt mindre end hvad en kemisk raket ville producere over lange perioder. I det væsentlige, DFD'en tager den fremragende specifikke impuls fra elektriske fremdrivningssystemer og kombinerer den med den fremragende fremdrift fra kemiske raketter, for en kombination, der forener det bedste fra begge flysystemer.

Alle de forbedrede specifikationer er fantastiske, men for at være nyttig, de er faktisk nødt til at få et rumfartøj et sted. Avisens forfattere valgte Titan, hovedsagelig fordi det er relativt langt væk, men også ekstremt interessant på grund af dets væskekredsløb og rigelige organiske molekyler. For at kortlægge den bedste rute til Saturns største måne, det italienske team samarbejdede med DFD's udviklere på PPPL og fik adgang til ydeevnedata fra testmotoren. De trak derefter nogle yderligere data om planetariske justeringer og begyndte at arbejde på orbital mekanik. Dette resulterede i to forskellige potentielle veje, en, hvor der kun blev påført konstant træk ved begyndelsen og slutningen af ​​rejsen (kaldet en thrust-coast-thrust-TCT-profil), og en hvor trykket var konstant i hele rejsens varighed.

Begge rejser involverede skift af trykretningen for at bremse rumfartøjet for at komme ind i det saturnske system. At give konstant fremdrift ville sætte rejsen på lidt mindre end to år, mens TCT-profilen ville resultere i en samlet rejsevarighed på 2,6 år for et rumfartøj, der er meget større end Cassini. Begge disse stier ville ikke kræve nogen tyngdekraftsassistance, som rumfartøjer, der rejser til de ydre planeter, jævnligt har nydt godt af.

Cassini, den sidste berømte mission for at besøge det Saturnske system, brugte en række tyngdekraftsassistancer mellem Venus og Jorden for at nå sin destination, en rejse, der tog næsten syv år. En vigtig ting at bemærke, siger Marco Gajeri, avisens tilsvarende forfatter, er, at det vindue, der gør disse kortrejser til de mest effektive, åbner sig omkring 2046. Selvom det ikke er helt 30 år fra nu, det giver teamet hos PPPL meget mere tid til at forbedre deres nuværende design.

Andre udfordringer opstår, når en DFD-aktiveret sonde når det saturnske system, imidlertid. At kredse om den næststørste planet i solsystemet er relativt let. Det er meget vanskeligere at overføre baner til dens største måne. At løse det problem kræver at tackle problemet med tre kroppe, et notorisk vanskeligt orbital mekanik problem, der involverer løsning af banerne for tre forskellige orbitale legemer (dvs. rumfartøjet, Saturn og Titan).

Med al orbital mekanik af vejen og rumfartøjet sikkert i Titans kredsløb, den kan begynde at drage fordel af en anden af ​​DFD's fordele - den kan give direkte strøm til rumfartøjets systemer. De fleste ydre solsystemmissioner er afhængige af radioisotop-termiske generatorer (RTG'er) til deres strømkilde. Men en DFD er, faktisk, en strømkilde ud over at være en trykkilde. Hvis designet er korrekt, det kunne give al den kraft et rumfartøj har brug for til en forlænget missions levetid.

Den forlængede missions levetid betyder, at DFD kan være nyttig i en bred vifte af missioner. Forfatterne, der studerede missionen til Titan, så også på potentialet for en mission til de trans-neptuianske objekter, som hidtil kun har været besøgt af New Horizons, som tog ni år at nå Pluto. Det er overflødigt at sige, en DFD ville dramatisk reducere den tid, der er nødvendig for at foretage den rejse. Og hvis det tilfældigvis er operationelt inden for de næste 30 år, det kan begynde at tjene som drivkraften for alle slags nye udforskningsmissioner.