AC ζ DC !
Получение электроэнергии на борту космического корабля, пожалуй, будет заключительной частью моего рассказа о возможных технологиях межпланетного корабля с ТЯРД и визуализации его подсистем в виде иллюстраций к книге.
В конечном счете, именно на электроэнергию замыкается в том или ином качестве большая часть нашей машинной цивилизации: мы отнюдь не «цивилизация нефти», «цивилизация урана» или «цивилизация каменного угля», но, скорее, по совокупности всех этих энергоносителей - цивилизация электричества.
Именно за счет электричества мы во-многом делаем современный нам мир реальным, добиваясь за счет управления электромагнитной энергией в её чистом виде массой технических изобретений и технологических процессов.
Не поменяется этот подход, скорее всего, и при переходе к космическим просторам: по-прежнему именно от электроэнергии и её наличия и будет зависеть масса систем на будущих кораблях.
Рассмотрение практики и технологий получения электроэнергии в системах космического корабля лучше начинать «с конца», то есть - от тех самых радиаторов, которые мы рассмотрели в предыдущей статье о технологиях «Султана Демонов Азатота».
Напомню, что мощность любого радиатора, рассеивающего теплоту в окружающее пространство, определяется, исходя из массы его конструктивных особенностей (которые выливаются в коэффициет «качества» радиатора, колеблющийся от ноля, когда радиатор не может ничего рассеять и вплоть до единицы, когда он рассеивает с максимальной эффективностью), постоянной Стефана-Больцмана, площади радиатора и четвёртой степени температуры.
Отсюда уже наглядно видно, что снижение температуры радиаторов вдвое, должно приводить к падению требований по рассеиванию энергии в 16 раз - если мы не сможем найти какие-то приемлемые процессы для утилизации тепла в работу, то, как пример, переход с утилизации тепловой энергии на радиаторы с КПД в 50% при 3000 К к утилизации при КПД в 75% при 1500 К приведёт только к тому, что мы увеличим площадь радиаторов в восемь раз.
Поскольку вместо 50% тепла нам надо будет рассеять 25% тепла (вдвое меньше) но в шестнадцать раз менее эффективно. Итого - потери в восемь раз на площади радиаторов.
Я уже как-то писал об этой дилемме и о невозможности её решения.
«Думал спрятаться. вражина? А вот те хрен!
В космосе нет невидимок. В этом пустом громадном месте нет никакого практического способа спрятать корабль от обнаружения.
Для понимания сути задачи - у корабля, способного долететь от нас до Альфы Центавра (ну да, до той самой Проксимы, которая в модели расположена где-то в Австралии, а на деле - на расстоянии в 4,22 светового года от Солнца) излучение полной тяги составляет несколько тераватт. Его можно заметить от той же самой Альфа Центавра. Пассивным сенсором.
Куда более слабые маршевые двигатели космического современного шаттла видны "всего лишь" с орбиты Плутона. Что же до маневровых двигателей того же шаттла - их видно из пояса астероидов. Даже крохотный ионнный двигатель, который может ускорить ракету всего на 1/1000 g виден в хороший пассивный сенсор с дистанции в одну астрономическую единицу (каких-то жалких 150 миллионов километров).
Так что да, "Cкрытно подобравшись к флоту противника, мы нанесли ему внезапный удар".»
Таким образом, нам нет особого смысла бороться за КПД получения электроэнергии в космосе в отрыве от того, насколько горячие холодильники мы получим в результате, чтобы обеспечить работу наших машин, получающих для нас совсем небесплатное в условиях космоса электричество. Ведь любой, даже самый мало-мальский теплоизлучающий объект на борту космического корабля - начиная от экипажа и их электробритв или зубных щёток и заканчивая реактором, главным двигателем или батареями лучевого оружия, будет в конечном счете оседать своим избыточным теплом на радиаторах.
Единственным автономным объектом со своим контуром охлаждения может быть жилой модуль, служебные и военные отсеки. Для этих отсеков, скорее всего, потребуется отдельная охлаждающая система - для всех этих систем «комфортными» величинами по температуре будет диапазон в 300-400 К, что потребует для них отдельной системы сброса низкопотенциального тепла, либо через водо-аммиачную систему, как на МКС, либо же с использованием, например, фреоновых машин цикла Ренкина, о которых я уже как-то тоже рассказывал.
В любом случае, для таких целей нам потребуются весьма немалые низкотемпературные радиаторы, либо же часть полученной электроэнергии нам надо «закачивать» назад в холодильные циклы, для того, чтобы обеспечить для оружия, средств связи и самого экипажа более-менее сносные условия в пределах рабочих температур в 300-400 К. И именно в холодильном цикле, как видится мне, и будет запасаться необходимая «энергия холода», в котором потом будет неснижаемая потребность во время космического разгона, торможения или же манёвренного энергетического боя.
Ну, в общем, вы поняли. Так они сражаться не будут. И с точки зрения расстояний, и с точки зрения самих кораблей.
В итоге любое сражение энергетическим оружием в космосе будет выливаться исключительно в соревнование, кто быстрее нагреет и перегрузит радиаторные системы охлаждения противника - или же выведет нагревом за диапазон возможного применения свои, когда существующая система охлаждения уже не будет справляться с тепловыми нагрузками на корабль.
Фантасты, конечно, придумывают различные системы для организации неких выдуманных «подпорок» под такую прозаическую механику космического боя на энергетическом оружии, чтобы сохранить его эпичность, а не превратить его в соревнование в том, кто быстрее «закипятит» противника и не закипит сам.
Например, в «Мошке в зенице господней» Ларри Нивена и Джерри Прунелла даже выдумали некое «поле Лэнгстона», которе выполняло для корабля функцию универсального радиатора - и его внезапная «перегрузка» вызывала внезапное высвобождение всей накопленной в нем тепловой энергии и мгновенное уничтожение корабля:
«Поле Лэнгстона поглощало энергию - это было его основное назначение. Оно поглощало даже кинетическую энергию взрывающегося газа или радиоактивных частиц с эффективностью, пропорциональной кубу скорости поступления энергии. В сражении адская ярость водородных торпед и концентрированная энергия лазеров могли быть рассеяны Полем, поглощены и сохранены. Когда уровень энергии увеличивался, Поле могло начать гореть, становясь из абсолютно черного красным, оранжевым, желтым и постепенно подбираясь к фиолетовому.
Это было главной проблемой для Поля Лэнгстона: энергию требовалось излучать наружу. Если Поле перегружалось, оно могло высвободить всю накопленную энергию в слепящей белой вспышке, излучая ее и наружу, и вовнутрь. Это заставляло корабельные двигатели противодействовать, и их энергия добавлялась к уже имеющейся в Поле. Когда Поле разогревалось слишком сильно, корабли погибали. И быстро.»
В реальности, конечно, никакого поля Лэнгстона у нас нет и не предвидится - и поэтому обеспечить равномерное накопление и спокойное излучение поступающей тепловой энергии нам довольно затруднительно: какие-то части космического корабля будут нагреваться больше и быстрее, а какие-то - меньше и медленнее.
И вот тут-то нам и стоит вспомнить о холодильных циклах. Которые и могут стать тем самым «полем Лэнгстона», позволяющим сопротивляться разрушающему воздействию тепла во всех формах атакующим космический корабль.
Во-первых, часть наших систем, а именно сверхпроводящие магниты термоядерного пробкотрона, в любом случае будут использовать жидкий гелий и жидкий дейтерий для своей работы - им критически важна низкая температура. Во-вторых, реактивную массу для режима «Быстрый разгон» / «Ведущий передний мост» нашего гипотетического ТЯРД нужно тоже хранить в жидком виде - либо как более удобную к транспортировке воду, либо же в виде уже подготовленного за счёт электролиза жидкого водорода, с плавающими в нем хлопьями водорода твёрдого.
Так же хранится, кстати, и основное термоядерное горючее - гелий-3 и дейтерий, но его не так и много, как я уже упоминал: практически весь этот хладагент, за исключением водорода для системы быстрого разгона, спокойно умещается в системе охлаждения сверхпроводящих магнитов.
В силу этого, скорее всего, военному кораблю будет выгодно «накапливать холод» в виде переохлажденного водорода, дейтерия и гелия-3 - для того, чтобы в решающий момент боя иметь тот самый запас по поглощению тепла, которое обеспечивало в мире «Мошки в зенице господней» воображаемое поле Лэнгстона.
Хорошо, скажет читатель, а как же получать электроэнергию с плазменного термоядерного шнура, если мы сознательно отказались от низкотемпературных циклов и наши основные радиаторы работают с температурой в 3000 К?
Для этого были придуманы две системы прямого преобразования энергии термоядерного шнура в столь нужное нам AC/DC.
И зависит их комбинация исключительно от того, сколько гелия-3 мы запускаем в процесс термоядерной реакции. Вот наглядная иллюстрация:
Первые две колонки - это реакции на дейтерии и тритии (D+T) и чистом дейтерии (D+D, монотопливо).
Как видите, для них достаточно много энергии термоядерной реакции уходит в виде нейтронов (80% для D+T и 30-40% для D+D), которые могут лишь нагреть какой-то объём газа, жидкости или конструкций реактора. Поскольку нейтроны - это нейтральные частицы без электрического заряда их не получается использовать как-то по иному, кроме как на нагрев вещества и именно в силу этого обычные термоядерные реакторы слабо подходят для космических путешествий.
Это происходит потому, что потом нам надо снять это тепло, организованное посредством нейтронов через какую-то паросиловую машину, которая и даст нам столь необходимую электроэнергию. Процесс совершенствования паросиловых машин, шедший нога в ногу с программой высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, сегодня привел нас в диапазон температур 900-1200 °C (1200-1500 К), где уже уверенно работают газовые турбины на цикле Брайтона.
КПД этих турбин не так и велик и составляет около 30% на сегодняшний день. При условии, понятное дело, достаточно горячего выхлопа (около 800 К), если мы не хотим мучаться с громадными радиаторами.
Если же вы поставите вместо обычной газовой турбины турбину комбинированного цикла Брайтона-Ренкина, то она обеспечит нам 50-60% КПД, но при этом её выхлоп окажется уже гораздо менее высокотемпературным (около 400К), что увеличит размер радиатора ещё в 8 раз от радиаторов газовой турбины цикла Брайтона.
В общем, как ни крути, а путь получается тупиковым (о чём я говорил вначале статьи) - погоня за КПД просто увеличивает радиаторы корабля сверх всяких разумных пределов.
Поэтому, для преобразования тепловой энергии термоядерного синтеза гелия-3 и дейтерия используются две альтернативные системы, которые утилизируют транспорт заряженных частиц (transport, желтое на диаграмме выше) и синхротронное излучение пробкотрона (synchrotron, синее на диаграмме), которое термоядерная плазма в основном «выплёвывает» в СВЧ-диапазоне. У гелиево-дейтериевой плазмы присутствует ещё и неприятное тормозное рентгеновское излучение (по-немецки bremsstrahlung, фиолтовое на диаграмме), но с ним, как говорится, «АС/DC не сваришь».
С рентгеном, коего в плазме дейтерий-гелий-3 около 25% мало что можно сделать - скорее всего, его, как и нейтроны, надо будет просто пустить на нагрев конструкции космолёта и по-быстрому сбросить через радиаторы (перегонять в электроэнергию его себе дороже в силу геометрического роста поверхности радиаторов), а вот СВЧ и заряженные частицы можно вполне превратить в электрический ток.
Для СВЧ-излучения (а его около 40% в дейтериево-гелиевой плазме) можно использовать сетчатый экран, построенный из так называемых pin-диодов. Такие диоды очень хорошо работают в СВЧ-диапазоне и из них можно легко собрать так называемый ректенный преобразователь, который уже достаточно изучен для систем СВЧ-передачи электроэнергии. Другим вариантом утилизации СВЧ-излучения является циклотронный преобразователь.
Эти преобразователи обеспечивают достаточно высокий КПД преобразования СВЧ-излучения в электрический ток, составляющий 70-90%. Остальное, как мы помним, уходит неизбежно на нагрев конструкции.
Ну и, с ростом доли гелия-3 в нашей плазме, будет расти и доля заряженных частиц в нашем энергетическом выходе - от 15% на смеси дейтерий-гелий и вплоть до 95% на чистом гелии-3.
Для утилизации их энергии можно применять так называемое прямое преобразование энергии в электрический ток. В таких преобразователях в электрическую энергию превращается непосредственно кинетическая энергия заряженной частицы.
КПД такого преобразования, продемонстрированный в опытах, проведенных ещё в 1950-х годах, составил около 50%, при пиковых значениях в 65%. Однако, физические основы такого преобразования позволяют достигнуть КПД и в 70, и даже в 90%.
Кроме того, как и в случае пин-диодов мы не лимитированы ограничениями циклов Брайтона и Ренкина и, в принципе, можем сбрасывать избыточное тепло на весьма горячие радиаторы.
Вот и всё, что я имею сказать по-поводу «Султана Демонов Азатота»...
Ну а Дмитрий тем временем продолжает рисовать пейзажи Новой Москвы и Космопорта:
