磁聚变等离子体发动机可以带我们穿越太阳系并进入星际空间

月球任务、火星任务、外太阳系机器人探险家、最近恒星的任务，甚至可能是追赶穿过我们系统的星际物体的航天器。如果您认为这听起来像是对即将到来的太空探索时代的描述，那么您是对的。

目前，有多个任务计划和建议，将宇航员和/或探测器发送到所有这些目的地，以进行一些有史以来最赚钱的科学研究。当然，这些任务概况提出了各种挑战，其中最重要的是推进力。

简而言之，人类正在达到传统(化学)推进力的极限。为了向火星和其他深空目的地发送任务，需要先进的推进技术来提供高加速度(delta-v)、比冲量(Isp)和燃油效率。

在最近的一篇论文中，莱顿教授弗洛里安·纽卡特(FlorianNeukart)提出了未来的任务如何依赖一种称为磁聚变等离子驱动器(MFPD)的新型推进概念。该装置结合了不同推进方法的各个方面，创建了一个系统，该系统可提供比传统方法高得多的能量密度和燃油效率。论文发表在预印本服务器arXiv上。

FlorianNeukart是莱顿大学莱顿高级计算机科学研究所(LIACS)的助理教授，也是瑞士量子技术开发商TerraQuantumAG的董事会成员。

他的论文的预印本正在接受审查以供出版。Neukart认为，能够超越传统化学推进(CCP)的技术在当今的太空探索时代至关重要。特别是，这些技术必须为长期任务提供更高的能源效率、推力和能力。

对于火星和地月系统以外其他地点的任务尤其如此，这对宇航员的健康、安全和福祉构成严重风险。即使地球和火星每26个月最接近一次(火星冲日)，单程凌日也可能需要长达九个月的时间。

加上可能持续长达一年的地面作业和九个月的回程，火星任务可能会持续长达900天。在此期间，宇航员将暴露在高水平的宇宙和太阳辐射下，更不用说长时间处于微重力环境中对他们的身体造成的伤害。

因此，美国宇航局和其他航天机构正在积极研究替代推进方式。正如之前的文章《前往最近的恒星需要多长时间?》中指出的那样，这些概念也被认为是实现数十年星际旅行的潜在手段。

它们包括电力或离子推进等节能概念，利用电磁场电离惰性推进剂(如氙气)并通过喷嘴加速以产生推力。然而，这些概念通常产生较低的推力，并且必须依靠重型动力源(太阳能电池阵列或核反应堆)来产生更多的推力。

太阳帆是另一种选择，它可以产生连续加速度，同时不需要推进剂(从而节省质量)。然而，配备这项技术的任务在推力方面受到限制，并且必须在靠近太阳的地方运行。这个想法的一个转变是利用吉瓦能量(GWe)激光阵列将配备帆的航天器加速到相对论速度(光速的一小部分)。然而，这个概念需要昂贵的基础设施和大量的电力才能实现。

另一个流行的概念是核热推进(NTP)，美国国家航空航天局(NASA)和美国国防部高级研究计划局(DARPA)目前正在以敏捷地月操作演示火箭(DRACO)的形式开发该概念。这种方法依靠核反应堆来加热推进剂(如液氢)，使其通过喷嘴膨胀以产生推力。NTP的优点包括非常高的能量密度和显着的加速度，但它也带来了涉及核材料处理和发射的众多技术和安全挑战。

还有一些利用聚变反应的推进概念，例如氘-氚(DT)和氘-氢三(D-He3)反应，理论科学家们已经研究了几十年。这些方法提供了高推力和极高比冲的潜力，但也提出了技术挑战，其中最重要的是与处理必要的燃料和实现持续和受控的聚变反应有关。

还有一些更奇特的概念，例如反物质推进和阿尔库别雷曲速引擎，但在可预见的未来，这些都不会可用。

纽卡特的提议结合了聚变推进、离子推进和其他概念的元素。正如他通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样：

“MFPD是一种用于太空探索的推进系统，利用受控核聚变反应作为推力和潜在发电的主要能源。该系统的基础是利用聚变反应产生的巨大能量输出，通常涉及氢或同位素。氦气，产生高速粒子排气，从而根据牛顿第三定律产生推力。

“利用磁场限制和操纵聚变反应产生的等离子体，确保受控的能量释放和方向性。同时，MFPD概念设想了将部分聚变能转化为电能以维持机载系统以及可能的反应控制系统的可能性。航天器的。”

为了发展这一概念，Nuekart从氘-氚(DT)聚变反应开始，因为它是研究和理解最多的反应之一，并为阐述MFPD的核心原理和机制提供了清晰且熟悉的基础。

此外，Neukart补充道，与其他概念相比，DT反应具有相对较低的点火温度和较高的横截面，这使其成为一个良好的“起点”。因此，它们为测量和比较该理论推进系统的性能提供了有用的基准。

然而，MFPD的最终目标是利用中子聚变(p-B11)，其中反应释放的能量很少是由中子携带的。相反，非中子反应以带电粒子(通常是质子或α粒子)的形式释放能量，从而显着降低产生的中子辐射水平。

该系统的优点显而易见，结合了高比冲和巨大的能量密度，并从单一能源提供推力和功率。诺克特说，其他好处包括：

高比冲：MFPD可以提供高比冲，为航天器提供显着的速度变化(delta-v)，从而促进遥远天体的任务。

能量密集燃料：聚变燃料，如氢同位素，能量密度极高，可以在不需要大量推进剂的情况下实现延长的任务。

较低的质量分数：航天器可以设计成专用于燃料储存的较低质量分数，为科学仪器或附加技术提供更多的质量分配。

双重用途：MFPD不仅仅是一个推进系统;它还是一个推进系统。它还预计为航天器的系统和仪器提供电力，这对于长期任务至关重要。

适应性：调整推力和比冲量的潜力，为不同的任务阶段提供多功能性，例如加速、巡航和减速。

减少旅行时间：更高的连续推力的潜力可能会显着减少到遥远目的地的运输时间，从而减轻与宇宙辐射暴露和机上资源管理相关的风险。

辐射屏蔽：虽然具有挑战性，但可以利用等离子体和磁场设计固有的磁性和物理结构，为航天器和机组人员提供一定程度的辐射屏蔽。

不受太阳距离影响：与太阳帆或太阳能电力推进不同，MFPD不依赖于与太阳的距离;因此，它对于进入太阳系外及更远的地方的任务是可行的。

核污染风险最小化：与核热或裂变电概念相比，MFPD的设计可以最大限度地减少放射性污染的风险，因为聚变通常需要较少的放射性材料，并且可能允许更安全的反应堆关闭。

至于该系统可能对太空探索产生的影响，努卡特强调了在更短的时间内穿越广阔宇宙距离的能力，扩大了任务范围(快速凌日到太阳系中的其他行星和星际任务)，减轻了长期任务的风险太空任务(暴露于辐射和微重力)，通过同时提供推进和电力彻底改变航天器设计，并增强人类探索能力。

除此之外，他还预见到材料科学、等离子体物理学和能源生产等技术衍生品的潜力，这些技术可以在地球上得到应用。该系统的开发还可以促进国际合作，将多个领域的专家和资源聚集在一起，以实现共同的探索目标。

当然，如果没有一些警告和附录，任何下一代技术提案都是不完整的。Nuekart举例说，MFPD推进的主要挑战在于在太空中实现和维持稳定的聚变关系。

在地球上，研究人员在磁约束(MCF)和惯性约束聚变(ICF)方面取得了相当大的进展。前者涉及托卡莫克反应堆，利用磁场以等离子体形式限制聚变，而后者则依靠激光来压缩和加热DT燃料片。

然而，类似的实验尚未在太空中进行，这引发了人们对系统如何处理反应引起的热量、由此产生的辐射以及对航天器结构影响的疑问。尽管如此，太空核试验已经开始进行(前面提到的DRACO演示器)。

考虑到聚变推进的好处，它不太可能长期停留在绘图板上。Nuekart表示，MFPD的研究最终旨在建立一条通往行星际和(有一天)星际探索的途径：

“虽然实现MFPD概念的过程无疑将面临挑战和科学障碍，但潜在的回报是巨大的。实现可靠、有效和高效的聚变推进可以重新定义可实现目标的界限，推动人类进入一个新的探索时代、发现和理解宇宙。”

“我们希望这项研究能够在全球科学家、工程师和探险家中播下好奇心、创新精神和决心，为我们在星际中的未来指明方向。”