来自莱顿研究所的助理教授Florian Neukart提出了磁聚变等离子体驱动(MFPD)作为一种新的空间推进方法。这一概念结合了核聚变推进、离子推进等技术，有望实现高能量密度和燃油效率。

弗洛里安·纽卡特介绍了磁聚变等离子体驱动，这是一项革命融合与IO相结合的推进方法网卡技术。它提供了巨大的能量密度和众多优势，可以重新定义太空探索，尽管在太空中维持核聚变反应的挑战仍然存在。

去月球的任务，去火星的任务，去外太阳系的机器人探险者，去最近的恒星的任务，甚至可能是一个宇宙飞船去追赶穿过我们系统的星际物体。如果你认为这听起来像是对即将到来的太空探索时代的描述，那么你就对了!目前，有多个计划和建议，将宇航员和/或探测器送到所有这些目的地，进行一些有史以来最有利可图的科学研究。自然地，这些任务概况提出了各种各样的挑战，其中最重要的是推进。

简而言之，人类正在达到传统(化学)推进能力的极限。为了向火星和其他深空目的地发射任务，需要提供高加速度(delta-v)、比冲(Isp)和燃油效率的先进推进技术。在最近的一篇论文中，莱顿大学教授弗洛里安·纽卡特(Florian Neukart)提出了未来的任务如何依赖一种被称为磁聚变等离子体驱动(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，创造了一个系统，提供高能量密度和燃油效率，大大高于传统方法。

在人类有生之年，要怎样才能到达最近的星系呢?图片来源:Shigemi Numazawa/ Project Daedalus

Florian Neukart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Terra quantum AG的董事会成员。他的论文的预印本最近出现在网上，并正在爱思唯尔进行评审。

为什么需要先进的推进系统?

根据Neukart的说法，能够超越传统化学推进(CCP)的技术在当前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的其他地方的任务尤其如此，这些任务对宇航员的健康、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)，单程到火星也需要9个月的时间。再加上可能持续一年的地面操作和9个月的返回，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中，更不用说长时间在微重力环境下对他们身体造成的伤害。

因此，美国宇航局和其他太空机构正在积极研究替代推进方式。正如之前的一篇文章所指出的，“到最近的恒星旅行需要多长时间?”，这些概念也被认为是几十年来实现星际旅行的潜在手段。它们包括节油的概念，如电力或离子推进，利用电磁场电离惰性推进剂(如氙气)，并加速它通过喷嘴产生推力。然而，这些概念通常产生低推力，必须依靠重型电源(太阳能电池阵列或核反应堆)来产生更多的推力。

艺术家描绘的IKAROS太空探测器(第一个在行星际空间成功展示太阳帆技术的航天器)在飞行中。来源:Andrzej Mirecki

太阳帆是另一种选择，它可以在不需要推进剂的情况下产生持续加速(从而节省质量)。然而，配备这种技术的任务在推力方面是有限的，而且必须在离太阳更近的地方运行。这个想法的另一个转变是使用千兆瓦能量(GWe)激光阵列来加速装备有帆的航天器到相对论速度(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。

核聚变推进

另一个流行的概念是核热推进(NTP)， NASA和DARPA目前正在以敏捷地月操作演示火箭(DRACO)的形式开发。这种方法依靠核反应堆加热推进剂(如液态氢)，使其通过喷嘴膨胀以产生推力。NTP的好处包括非常高的能量密度和显著的加速，但它也带来了涉及处理和发射核材料的许多技术和安全挑战。

由正电子反应堆提供动力的航天器将类似于这位艺术家对火星参考任务航天器的概念。来源:美国国家航空航天局

还有利用聚变反应的推进概念，如氘-氚(D-T)和氘-氢三(D-He3)反应，理论科学家已经研究了几十年。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可控的聚变反应有关。还有一些更奇特的概念，比如反物质推进和阿尔库别雷曲速引擎，但这些在可预见的未来都无法实现。

Neukart的Revolutio连概念

这是Neukart的提议，它结合了聚变推进、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，通常涉及氢或氦的同位素，产生高速粒子排气，从而根据牛顿第三定律产生推力。

“聚变反应产生的等离子体受到限制，并使用磁场进行操纵，以确保可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的可能性，以维持机载系统，可能还有航天器的反应控制系统。”

艺术家的概念，双峰核热火箭在低地球轨道。来源:美国国家航空航天局

为了发展这一概念，Nuekart从氘-氚(D-T)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和熟悉的基础。此外，Neukart补充道，与其他概念相比，D-T反应具有相对较低的点火温度和较高的横截面，这使其成为一个很好的“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的最终目标是利用无中子聚变(p-B11)，在这种情况下，反应释放的能量中只有很少一部分是由中子携带的。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，从而显著减少产生的中子辐射水平。

MFPD的优点

该系统的优点是显而易见的，结合了高比冲和巨大的能量密度，并从单一的能源提供推力和动力。Neukert表示，MFPD的其他优点还包括:高比冲:MFPD可以提供高比冲，为航天器提供大量的速度变化(delta-v)，促进遥远天体的任务。高能量密度燃料:像氢的同位素一样，核聚变燃料具有极高的能量密度，可以在不需要大量推进剂的情况下进行长期任务。更低的质量分数:航天器可能会设计出更低的质量分数，专门用于燃料储存，为科学仪器或其他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;它还被设想为航天器的系统和仪器提供电力，这对长期任务至关重要。适应性:调整推力和比冲的潜力，为不同的任务阶段提供多功能性，如加速、巡航和减速。缩短飞行时间:更高的持续推力可能会大大减少到遥远目的地的飞行时间，降低与宇宙辐射暴露和机载资源管理相关的风险。辐射屏蔽:虽然具有挑战性，但固有的磁性和物理结构可以设计为航天器和机组人员提供一定程度的辐射屏蔽，利用等离子体和磁场。与太阳帆或太阳能电力推进不同，MFPD不依赖于接近太阳;因此，它是可行的任务进入外太阳系和超越。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降低放射性污染的风险，因为核聚变通常需要较少的放射性物质，并且可能允许更安全的反应堆关闭。

影响与挑战

至于这个系统可能对太空探索的影响，Nuekart强调了在缩短的时间框架内穿越广阔宇宙距离的能力，扩展任务剖面(快速过境到太阳系中的其他行星和星际任务)，减轻长时间太空任务的风险(暴露于辐射和微重力)，通过同时提供推进和电力来革新航天器设计，并增强人类的探索能力。

除此之外，他还预见了材料科学、等离子体物理学和能源生产等领域的技术衍生产品在地球上的应用潜力。这一系统的发展还可以促进国际合作，将来自多个领域的专家和资源聚集在一起，实现共同的探索目标。

当然，如果没有一些警告和补充，任何下一代技术提案都是不完整的。例如，Nuekart说，MFPD推进的主要挑战在于在太空中实现和保持稳定的聚变关系。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的形式限制聚变，而后者依靠激光压缩和加热D-T燃料片。

然而，类似的实验还没有在太空中进行，这导致了关于该系统如何处理由反应引起的热量、由此产生的辐射以及对航天器的结构影响的问题。尽管如此，太空核试验已经开始了(前面提到的DRACO演示器)。考虑到核聚变推进的好处，它不太可能长期停留在设计阶段。Nuekart说，最终，对MFPD的研究旨在建立一条通往行星际和(有朝一日)星际探索的途径:

“不可否认，实现MFPD概念的过程将充满挑战和科学障碍，但潜在的回报是巨大的。实现可靠、有效和高效的核聚变推进可以重新定义可实现目标的界限，推动人类进入探索、发现和理解宇宙的新时代。我们希望这项研究能在全球科学家、工程师和探险家中播下好奇心、创新和决心的种子，为我们在星际间的未来指明方向。”

改编自最初发表在《今日宇宙》上的一篇文章。

参考文献:Florian Neukart的“磁聚变等离子体驱动”，2023年9月20日，物理>普通物理。arXiv: 2309.11524