محرك بوسارد النفاث

أدت مشكلة استخدام الوسط بين النجوم كمصدر وحيد للوقود إلى دراسة الصاروخ بين النجومي المُعزز بالدفع (RAIR). يحمل هذا الصاروخ إمداداته من الوقود النووي، ويُطلق نواتج التفاعل لتوليد جزء من قوة دفعه. ومع ذلك، فإنه يُحسّن أداءه بشكل كبير عن طريق جمع الوسط بين النجوم واستخدامه ككتلة تفاعل إضافية لتعزيز قوة الصاروخ. يتكون نظام دفع الصاروخ RAIR من ثلاثة أنظمة فرعية: مفاعل اندماج نووي، وحقل جمع الوقود، ومُسرّع بلازما. يُطلق الوقود أمام المركبة بواسطة المُسرّع. ^{[ 8 ]} يقوم حقل جمع الوقود بتوجيه الوقود إلى مُسرّع آخر (قد يكون، على سبيل المثال، نظام تبادل حراري ينقل الطاقة الحرارية من المفاعل مباشرةً إلى الغاز بين النجوم) والذي يُزوّد ​​بالطاقة من المفاعل. إحدى أفضل الطرق لفهم هذا المفهوم هي اعتبار أن وقود الهيدروجين النووي المحمول على متن المركبة يعمل كوقود (مصدر طاقة)، ​​بينما يعمل الغاز بين النجوم الذي يجمعه المغرفة ثم يُطلقه بسرعة عالية من الخلف كوقود دافع ( كتلة التفاعل ). وبالتالي، فإن المركبة لديها إمداد محدود من الوقود، ولكن إمداد غير محدود من الوقود الدافع. في المقابل، يمتلك محرك بوسارد النفاث العادي إمدادًا لا نهائيًا من كليهما. ومع ذلك، تشير النظرية إلى أنه في حين يعاني محرك بوسارد النفاث من مقاومة ناتجة عن اضطراره لتسريع الغاز بين النجوم مسبقًا إلى سرعته الخاصة قبل سحبه، فإن نظام RAIR سيكون قادرًا على نقل الطاقة عبر آلية "التسريع" إلى الوسط بين النجوم على الرغم من اختلافات السرعة، وبالتالي سيعاني من مقاومة أقل بكثير. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

يُعدّ استخدام الطاقة الموجهة المقترنة بمركبة تجمع الهيدروجين من الوسط بين النجوم خيارًا آخر. إذ تقوم مصفوفة ليزر في النظام الشمسي بتوجيه شعاع إلى مُجمِّع على مركبة تستخدم ما يشبه المُسرِّع الخطي لتوليد قوة الدفع. وهذا يحلّ مشكلة مفاعل الاندماج النووي للمحرك النفاث التضاغطي. إلا أن هناك قيودًا بسبب تضاؤل ​​الطاقة الموجهة مع المسافة. ^{[ 13 ]}

ألهمت الحسابات (التي أجراها روبرت زوبرين ودانا أندروز) فكرة المظلة أو الشراع المغناطيسي . قد يكون هذا الأمر مهمًا للسفر بين النجوم لأنه يعني إمكانية التباطؤ عند الوصول إلى الوجهة باستخدام مظلة مغناطيسية بدلًا من صاروخ. ^{[ 14 ]}

اقترح عالم الفيزياء الفلكية ماثيو إي. كابلان من جامعة ولاية إلينوي نوعًا من المحركات النجمية التي تستخدم سربًا من مرايا دايسون لتركيز الطاقة النجمية على مناطق محددة من نجم شبيه بالشمس، مما ينتج حزمًا من الرياح الشمسية يتم تجميعها بواسطة مجموعة من المحركات النفاثة المتعددة، والتي بدورها تنتج نفاثات موجهة من البلازما لتثبيت مدارها، بالإضافة إلى الأكسجين-14 لدفع النجم. وباستخدام حسابات أولية تفترض أقصى كفاءة، يقدر كابلان أن محرك بوسارد سيستخدم 10^ ¹⁵ غرامًا من المادة الشمسية في الثانية الواحدة لإنتاج تسارع أقصى قدره 10 ^{^-9} م/ث² ^، مما ينتج عنه سرعة 200  كم/ث بعد 5 ملايين سنة، ومسافة 10 فرسخ فلكي على مدى مليون سنة. من الناحية النظرية، سيعمل محرك بوسارد لمدة 100 مليون سنة نظرًا لمعدل فقدان كتلة الشمس، لكن كابلان يعتبر 10 ملايين سنة كافية لتجنب الاصطدام النجمي. ^{[ 15 ]}

يمكن التغلب على العديد من الصعوبات التقنية الواضحة في محرك بوسارد النفاث عن طريق وضع حبيبات وقود صلبة على طول مسار المركبة الفضائية مسبقًا. ^{[ 16 ]} ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مركبة فضائية "ناقلة" مختلفة تقوم بإسقاط حبيبات الوقود ^{[ 16 ] [ 17 ]} أو باستخدام الدفع الليزري. ^{[ 18 ]} وقد أُطلق على هذه الطريقة اسم "مدرج الاندماج النووي" ^{[ 16 ] [ 18 ]} أو " مدرج المحرك النفاث " ^{[ 17 ]} أو "مدرج إعادة التموين الأمامي". ^{[ 19 ]}

بينما تستخدم معظم المقترحات طاقة الاندماج، كما هو الحال مع محركات بوسارد النفاثة التقليدية، فقد تم اقتراح الانشطار النووي أيضًا. ^{[ 19 ]}

تشمل مزايا هذا النظام ما يلي:

• يمكن تحقيق الاندماج النووي عن طريق اصطدام حبيبتين من الوقود النووي بسرعة لا تقل عن 200 كم/ث، ويُعرف هذا بالاندماج التصادمي. وبالمقارنة مع الاندماج بالقصور الذاتي، لا يتطلب الاندماج التصادمي حبيبات متناظرة كرويًا أو تطبيق قوة من جميع الاتجاهات. ^{[ 16 ]}
• يمكن استخدام نظائر مثل الديوتيريوم (الهيدروجين-2) أو التريتيوم (الهيدروجين-3) في كريات الوقود. ^{[ 20 ]} ويجمع محرك بوسارد النفاث التقليدي في الغالب البروتون (الهيدروجين-1)، لأنه النظير الأكثر وفرة للهيدروجين في الطبيعة.
• يتم إطلاق وقود الاندماج المؤين فقط، مما يُسهّل على المجارف المغناطيسية أو الكهروستاتيكية توجيه الوقود إلى المحرك. لكن يعيب هذه الطريقة تشتت الوقود نتيجة التنافر الكهروستاتيكي.
• يتم إطلاق الوقود على مسار بحيث يتطابق متجه سرعة الوقود تقريبًا مع متجه السرعة المتوقع للمركبة الفضائية عند تلك النقطة من مسارها. وهذا من شأنه أن يقلل من قوى السحب الناتجة عن عملية تجميع الوقود.
• على الرغم من أن الوقود الذي يتم إطلاقه مسبقًا للمحرك النفاث يلغي إحدى مزايا تصميم بوسارد (جمع الوقود أثناء تحركه عبر الوسط بين النجوم، مما يوفر تكلفة إطلاق كتلة الوقود)، إلا أنه على الأقل يحتفظ بميزة عدم الحاجة إلى تسريع كتلة الوقود وكتلة الصاروخ في نفس الوقت.
• من شأن الوقود الذي تم إطلاقه مسبقًا أن يوفر بعض الرؤية في الوسط بين النجوم - وبالتالي تنبيه المركبة الفضائية اللاحقة للمخاطر غير المرئية (مثل الأقزام البنية ).

تشمل العيوب الرئيسية لهذا النظام ما يلي:

• تكمن الحاجة في اعتراض كريات مسار الاندماج بدقة بواسطة مركبة فضائية تتحرك بسرعة عالية. ويمكن استخدام نبضات الليزر لتوجيه الكريات. ^{[ 16 ]}
• في حال استخدام الاندماج النووي الناتج عن الاصطدام، يجب أن تتحرك المركبة الفضائية بسرعة دنيا لتحقيق الاندماج. ومن المقترحات أن تستخدم المركبة الفضائية مناورة الاقتراب من الشمس للوصول إلى سرعة 600 كم/ث. ^{[ 16 ]}
• لا يمكن للمركبة الفضائية أن تحيد عن مسارها المحسوب مسبقًا إلا في حالة الضرورة القصوى. فأي انحراف من هذا القبيل سيؤدي إلى فصل المركبة عن مصدر وقودها، ولن يتبقى لها سوى قدرة ضئيلة على العودة إلى مسارها الأصلي.
• لن يكون الوقود المُخزّن مسبقًا لإبطاء سرعة المركبة عند الوصول إلى النجم المستهدف متاحًا إلا إذا تم إطلاقه قبل إطلاق المركبة الفضائية بعقود عديدة. ومع ذلك، يمكن استخدام أنظمة أخرى (مثل الأشرعة المغناطيسية ) لهذا الغرض.