2.2 Литий или бор в водороде: ледяные изотопы

В определенном смысле обычный водород (протий) - идеальным материал/реактивная масса, поскольку он чрезвычайно дешев и имеет самую маленькую молекулярную массу среди всех материалов в качестве отбрасываемой ракетой массы. Но можно рассматривать его как горючее в реакции синтеза [20] обычного водорода, где соединяются два протона и рождают дейтрон (ядро дейтерия), позитрон (антиэлектрон) и нейтрино. При этом так же выделяется и энергия0.42 МэВ (миллионов электрон-вольт). Это условно 2.0 x 10¹³ Дж на килограмм топлива: 

p + p -> D + e⁺ + v

Но воспользоваться этим не получится, потому что данная реакция не является истинной реакцией синтеза. Это видно по эмиссии нейтрино. Это скорей "слабосила" реакция чем "сильная" реакция. Кроме того, много энергии уносит нейтрино. Реакция крайне тяжело запускается. Общий выход энергии - относительно ничтожен. С гораздо меньшим усилием и с более хитрым топливом мы можем получить куда лучшие результаты.

Если наш водородный лед изготовлен из равных частей протия и дейтерия, то мы можем соединить эти две частицы чтобы получить гелий-3 и гамма-квант с выделением 5.49 МэВ энергии. В пересчете это 1.75 x 10¹⁴ Джоулей в килограмме топлива: 

p + D -> He³ + gamma

Но это не намного лучшая идея. Гамма-излучение разлетаться во всех направлениях и будет иметь тенденцию "поджарить" полезную нагрузку. Мы могли бы избавиться от протия полностью и использовать либо чистый дейтериевый лед, либо смесь дейтерия с тритием. 

Лед из чистого дейтерия сгорал бы по двум возможным цепочкам реакций, которые заканчивались бы появлением смеси ядер гелия-3, трития, протия и нейтронов:

D + D -> He³ + n       3.27 Mev (7.8 x 10¹³ J/kg)

D + D -> Т + p         4.03 Mev (9.65 x 10¹³ J/kg)

Дейтерий легкодоступен в большом количестве, так как он составляет примерно 1/6000 часть всего водорода здесь на Земле [23]. Окись дейтерия, тяжелая вода D₂O стоит от 0.06$ до 1$ за грамм в зависимости от количества и чистоты [23]. Дейтерий-дейтериевую реакцию относительно просто запустить для чего нужно достигнуть температуры около 10 миллионов градусов. Но нейтроны, возникающие в реакции, создают неприятности. Так как они незаражены, то разлетаются во всех направлениях и не поддаются управлению никакими электрическими или магнитными полями. Они пронизывая все на своем пути и наводя радиоактивность в полезной нагрузке. Тем не мнение именно это топливо используется по умолчанию везде в этой работе.

Энергетика дейтерий-тритиевой реакции на первый взгляд имеет явные преимущества. Это наиболее изученная на сегодня реакция из-за низкой температуры поджега, грубо 10 миллионов градусов:

D + Т -> He⁴ + n       17.6 Mev (3.37 x 10¹⁴ J/kg)

Это, по сути, самая легкая из реакций синтеза для воспламенения и таким образом может быть первой использована для земной термоядерной энергетики. Но тритий радиоактивен, его период полураспада около десятилетия и нейтроны по-прежнему очень неприятны. 

Имеется ряд интересных реакций использующих в качестве топлива гелий-3, но мы их игнорируем по двум причинам. Прежде всего, гелий-3 очень тяжело добыть, хотя это можно сделать из верхнего несколько-сантиметрового слоя лунного реголита где этот газ накапливался из солнечного ветра. Во-вторых, технология самоохлаждения, описанная в моей статье для водорода, не годится для изотопов гелия, которые в таком случае должны быть охлаждены ниже фоновой температуры вселенной. Замороженный в лед гелий будет слишком энергозатратен.

В результате мы остались с несколькими еще более экзотическими реакциями. Мы рассмотрим литий. Литий существует в природе [21] в относительном изобилии и 7.39% его составляет изотоп литий-6 (Li⁶). 92.61% составляет литий-7 (Li⁷). Литий тает при температуре 180⁰ C и кипит при 1326⁰ C. Если мы построим корабль из равных частей лития и протия то мы имеем:

p + Li⁶ -> He⁴ + He³       3.90 Mev (5.53 x 10¹³ J/kg)

Тогда мы использовали бы водородный лед с литиевой фольгой плюс стены и несущие балки из лития. Литий - мягкий металл, но в области криогенных температур (и без воды) он достаточно прочный и твердый чтобы удовлетворить требованиям предъявляемым к конструкционным материалам. К сожалению, это достаточно трудная для поджигания реакция.

Мы заключим несколько более выгодную сделку, если используем изотопно-чистый литий-7 для реакции, которая порождает хорошо фокусируемые магнитным полем альфа-частицы:

p + Li⁷ -> He⁴ + He⁴       17.00 Mev (2.0 x 10¹⁴ J/kg)

Но опять же, это слишком тяжелая реакция для поджигания.

Мы можем использовать дейтериевый лед и чистый литий-6 и снова получить поток альфа-частиц:

D + Li⁶ -> He⁴ + He⁴       22.30 Mev (2.67 x 10¹⁴ J/kg)

Или даже рассмотреть протий плюс бор-11 для так называемой реакции "бор-распада": 

p + B¹¹ -> He⁴ + He⁴ + He⁴       8.80 Mev (7.0 x 10¹³ J/kg)

Но эти реакции еще меньше изучены и так же чрезвычайно трудно поджигаются. Требуется, возможно, в 1000 раз большая температура воспламенения, чем для дейтерия. Литий или бор могли бы начать гореть под ударами межзвездного водорода, собираемого специальным магнитной воронкой, после того как такая "прямоточка" достигнет скорости 0.02с, и подобное решение могло бы стать полезно как последняя ступень межзвездного космического корабля [28].

Если мы воспользуемся волокнами из бор-11 чтобы усилить (армировать) ими тритиевый или дейтериевый лед, то можно было бы позволить этим волокнам бора сгорать в двигателе ракеты там испаряться и частично участвовать в ядерных реакциях. Непрореагировавший бор несколько уменьшил бы энергетический выход и использовался бы как простая реактивная масса. 

Имеется хитрый способ получить литий смешанный с водородом. Литий активно растворяется в ангидриде аммиака (NH₃ без воды). В результате получается жидкость с самой низкой плотностью при комнатной температуре, всего 0.51 г/л [22]. Обычный аммиак, NH₃, имеет молекулярную массу 17.03, а плотность 0.771 г/л. плавится при -77.7⁰С в то время как тридейтерит амония, ND₃, имеет молекулярный вес 20.05 и плавится при температуре -74⁰С. Литиевый раствор в аммиаке имеет металлическую электропроводность при боле чем 9 молях металла. Такая же эвтектика с 22 молями метала при температуре 88⁰K и при более низких температурах можно получить очень твердый состав, возможно Li(NH₃) [4].

Мы можем смешивать части лития-6 (или лития-7) с ангидридом аммиака или литий-6 с полностью дейтеризированным ангидридом аммиака, заморозить эту смесь в сферы со слоями перфорированной литиевой фольги и строить наш корабль из этого податливого аммиачного льда. Конечно, после сжигания компонентов мы останемся с некоторым количеством бесполезного азота, который будет загрязнять термоядерную реакцию синтеза, если его предварительно не отделить (а потом использовать как негорючую реактивную массу). Но возможно ангидридный аммиачный лед следовало бы исследовать как экзотическое химическое топливо для жидросных ракет.

И так, на чем мы остановимся? Мы не имеем ясной идеи относительно термоядерного космического корабля, который бы сжигал литий или бор [31]. Так что нам, вероятно, придется скрепя зубами, взяться за проблему нейтронного облучения и строить наш корабль из дейтерия или даже смешанного дейтерия-трития. Остальная часть этой работы опирается на эту идею. Нордей (Nordley) [32] говорит: "как только основная (дейтерий-тритиевой) реакция будет запущена, другие второстепенные реакции тоже становятся возможными. Хотя энергия нейтральных частиц, рождающихся в этих реакциях, может быть в несколько раз меньше чем у основной реакции, и таким образом не представляют интереса с точки зрения кинематики полета, но эти частицы будут все же сильно проникающими (особенно нейтроны) для электроники и биологических объектов, участвующих в межзвездном путешествии." 

Нужно обратить внимание, что литий может поглощать нейтроны, нагреваясь при этом и передавать тепло водородному льду, растапливая его в жидкость или в шугу. Но в любом случае будущие исследования должны включать анализ нейтронной стойкости полезной нагрузки через дублирование (избыточность) самовосстановление (саом-ремонт) или даже нано-технологию [33].