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2013年4月11日 星期四

美國設計核聚變火箭︰載人往返火星僅需數月

核聚變的技術還未好好掌握(氫彈除外),就這麼心急來搞核聚變火箭了喔!?
據美國物理學家組織網站報道,長期以來載人火星探測一直是一個看似遙遙無期的夢想。但是現在,天文學家們或許已經朝著這一目標又邁進了一步︰他們開發出一種獨特的核聚變推進技術,這和驅動太陽和恆星發光發熱是相同的機理。

   美國華盛頓大學以及美國雷特蒙德(Redmond)地區的空間推進技術公司正致力于開發一種新型核聚變驅動火箭,該火箭的研制成功將會掃清橫亙在載人火星探測前方道路上的一系列障礙,包括長時間太空飛行,超高的費用以及健康風險等等。

   該項目的主要研究者,華盛頓大學航空航天學助理教授約翰‧斯洛(John Slough)表示︰“使用現有的火箭推進燃料幾乎不可能支持人類開展距離地球較遠的深空探測飛行。”他說︰“我們希望能獲取一種遠比現在更加高效的火箭燃料,從而最終能夠讓我們實現載人行星際旅行。”



   昂貴的火星之旅
   該項目的進行得到了美國宇航局“創新型先進理念項目”的資金資助。在上周舉辦的一個研討會上,斯洛和他的小組介紹了他們對火星載人飛行的分析以及詳細的計算機建模分析和初步的實驗結果。斯洛團隊的這一研究項目在去年秋季獲得了宇航局的第二輪資助。最初共有大約700個項目參加美國宇航局的資助申請,最終有15個項目獲得第一輪資金支持,而現在斯洛小組的項目再次通過評估,獲得了第二輪的資金支持。

   美國宇航局估計,基于現有技術,載人往返火星將至少需要4年的時間。這樣一來在整個過程中將要耗費的化學燃料和資金就將非常驚人——光發射費用就將耗去120億美元。斯洛和他的團隊已經在雜志上發表了他們的最新計算結果,評估了借助新型核聚變火箭往返火星,假設分別耗時30天或90天時將會需要的花費金額。使用核聚變技術之後,火星載人飛行將會變得更加實際也更加經濟。

   技術上的可行性
   但是這項技術是否真的能夠實現?斯洛和他的團隊相信答案是肯定的。他們已經在實驗
室中實現了整個過程的測試。現在他們面臨的問題就是將這些分別進行的部件實驗組合到一起進行整體實驗,並實際檢驗核聚變的技術方案。研究組開發出一種特殊的等離子體,其被自身的磁場束縛。當這些等離子體在磁場中受到強烈壓縮時便會發生核聚變。此前實驗小組已經在實驗室中成功驗證了這項技術。

   驅動火箭只需要非常少的核聚變燃料,一粒沙子那麼多的核聚變燃料的推進力就和一加侖普通化學染料相當。為了實現核聚變推進,研究組在磁場中的等離子體周圍使用金屬環內爆,從而對等離子體施加強大的向心壓力,進而引發核聚變。周圍的金屬環形成一個外殼激發核聚變的發生,但僅僅持續幾個微秒。但盡管只有這麼短的壓縮時間,但發生的核聚變作用已經足以產生足夠能量迅速加熱並導致外殼離子化。此時在超高溫下蒸發的金屬外殼便會被高速噴出火箭噴口從而推動火箭前進。這一過程大約每隔一分鐘重復一次,驅動火箭不斷加速飛行。

   研究小組此前已經在華盛頓大學的等離子體動力學實驗室內演示了這種基于金屬損耗的聚變推進技術。在最近一次美國宇航局舉辦的研討會上該小組還出示了一個拳頭大小的鋁制金屬球,它是這種反應機制測試中剩余的金屬物質。這個小球可以供人觸摸和觀看。斯洛表示︰“我想大家都很高興地看到我們提出的壓縮等離子體實現核聚變的方案在展示中被證明的確有效。”他說︰“我們希望全世界都能注意到我們展示的技術,讓人們明白核聚變技術並不一定還要等上40年時間才能被應用,並且應用這項技術的花費也並不需要花上20億美元。”

   新一輪的測試
   現在,該小組正致力于將等離子體壓縮過程和核聚變發生機制整合起來。斯洛希望能做好一些準備,以便在今年夏季末進行首次整體測試。斯洛和同事們進行各種實驗的等離子體動力學實驗室內充斥著各種電容,這些電容都是承載能量的容器,就像是高能電池一般。

   這些電容都被連接到一個巨大的磁鐵上,加上其他一些設施,共同組成了發生核聚變反應的設備。當啟動開關之後,電容會在瞬間向磁鐵系統釋放超過 100萬安培的電流,導致後者瞬間對金屬外殼產生劇烈壓縮。整個設備的設計非常簡單明確,斯洛表示︰“在太空里,所有的部件都必須盡量簡潔。”在實際的太空任務中,科學家們將使用鋰金屬作為金屬外殼來推動火箭飛行。之所以選用鋰,是因為這是一種非常活躍的金屬物質。而對于前期的實驗室測試來說,用鋁來代替就足夠了。

   斯洛表示,一談到核聚變的話題人們就會有一些顧慮,因為它讓人想到核武器,但是在其它方面的應用是非常不一樣的概念。用于推動火箭的聚變能相比氫彈爆炸的能量而言要小上10億倍,這種規模的聚變無法引發顯著的爆炸。另外,斯洛的設計方案中還包括使用強磁場來約束核聚變反應的產物,使其離開火箭並防止它傷害飛船中的任何乘員。

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