Плазмовий двигун VASIMR – революція космічних двигунів чи наукова фантастика?

VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, дослівно – магнітоплазмовий ракетний двигун зі змінним питомим імпульсом) – це перспективний електричний плазмовий двигун, який обіцяє здійснити прорив у космічних польотах. Він використовує надгарячу плазму, втримувану магнітним полем, щоб створювати тягу з надзвичайно високим питомим імпульсом. У цій статті розглянуто історію створення VASIMR і його винахідника Франкліна Чанг-Діаса, принцип дії двигуна, порівняння з хімічними, іонними та «резонансними» двигунами, поточний стан розробок, можливі застосування (польоти на Марс, космічні буксири, очищення орбіти), критику та технічні виклики, а також перспективи розвитку технології.

Витоки технології: Франклін Чанг-Діас і народження VASIMR

Франклін Чанг-Діас – костарикансько-американський фізик та інженер, семиразовий астронавт НАСА (загалом провів понад 1 600 годин у космосі)[5]. Він народився 1950 року в Коста-Риці, з дитинства мріяв про космос і здобув освіту в США (докторський ступінь з прикладної плазмової фізики в MIT). Ще у 1979 році Чанг-Діас запропонував концепцію електромагнітного ракетного двигуна на основі магнітно утримуваної високотемпературної плазми[4]. Протягом 1980–90-х він очолював програми з плазмової та термоядерної рушійної установки – спершу в Массачусетському технологічному інституті, а згодом у Лабораторії передових космічних рушіїв (ASPL) в Центрі ім. Джонсона (НАСА)[9]. Саме там з’явились перші прототипи плазмових двигунів (VX-10, VX-25 тощо). У 2005 році Франклін Чанг-Діас завершив кар’єру астронавта та заснував компанію Ad Astra Rocket Company для втілення в життя свого новаторського двигуна VASIMR[5]. За десятиліття досліджень він став провідним фахівцем у цій галузі та отримав профільні нагороди (наприклад, премію Вайльда AIAA за 21 рік роботи над VASIMR[9]). Його шлях – яскравий приклад переходу від астронавта до інженера-новатора.

Франклін Чанг-Діас. Автор: NASA - NASA Image and Video Library, Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7722976

Принцип дії VASIMR: магніти, плазма і радіохвилі

VASIMR належить до електромагнітних плазмових двигунів, які використовують електроенергію для розігріву газу до стану плазми та прискорення її витікання зі створенням реактивної тяги[4]. Двигун складається з трьох основних секцій:

• Іонізація газу: спочатку нейтральний робочий газ (аргон, неон, водень або ін.) подається у камеру, де під дією радіочастотного випромінювання (так званий геліконний RF-резонатор) газ іонізується – атоми газу втрачають електрони і перетворюються на плазму[4]. Цей “холодний” плазмовий струмінь все ще має температуру порядку тисяч градусів (для порівняння, ~5 500 °C, як поверхня Сонця)[7].

• Нагрівання плазми: далі плазма потрапляє у другу зону, де додатково прогрівається високочастотними радіохвилями за допомогою іон-циклотронного резонансного нагріву[4]. Цей метод запозичений з установок термоядерного синтезу і дозволяє розігріти іони плазми до температур мільйонів градусів – співставно з ядром Сонця[7]. Важливо, що жодних твердих електродів усередині плазми немає – стінки камери екрановані магнітним полем, тому навіть плазма з температурою >1 000 000 °C не торкається матеріалів і не руйнує їх[3][8]. Це ключова перевага: магнітне утримання слугує своєрідним “невидимим контейнером” для плазми, захищаючи двигун від перегріву.

• Розгін і викид плазми: нагріта плазма переходить у третю секцію – магнітне сопло. Сильне магнітне поле спрямовує рух заряджених часток, перетворюючи їх теплову енергію на спрямований потік і прискорюючи плазму до дуже високої швидкості[4]. На виході утворюється реактивний струмінь плазми, який і створює тягу (згідно з принципом дії ракетного двигуна та законом збереження імпульсу). Жодного “палива” в традиційному розумінні не спалюється – енергія подається від бортового джерела електроживлення, а робоче тіло витрачається дуже економно у вигляді плазми.

  

  Схема VASIMR. Автор: NASA , Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8189264

У результаті такої триступеневої обробки вихлопні швидкості іонів досягають величезних значень. Оціночний темп витікання плазми з VASIMR – до 50 км/с (близько 180 000 км/год) і більше[7][5]. Це відповідає питомому імпульсу понад 5 000 с при потужності ~200 кВт(для порівняння, у кращих хімічних ракет він ~300–450 с). Теоретично, маючи достатньо енергії, VASIMR може безперервно розганяти апарат у космосі тижнями, досягаючи частки швидкості світла[7]. Формула сили тяги електрорухової установки – F = ṁ·vₑ (де *ṁ – витрата маси, vₑ – швидкість витікання) – демонструє, що чим більша швидкість викиду плазми, тим ефективніше витрачається кожен кілограм робочого тіла. Саме тому двигуни на кшталт VASIMR, з їх неймовірно високими швидкостями витікання, забезпечують надзвичайно економну витрату пропеленту[8][2].

Ще одна особливість VASIMR – гнучкість режимів роботи. Змінюючи співвідношення потужності нагріву плазми та витрати газу, двигун може працювати у режимах “високий питомий імпульс – низька тяга” або “низький питомий імпульс – вища тяга”. Іншими словами, VASIMR здатний регулювати свою характеристику: від економного, але повільного розгону (як іонні двигуни), до потужнішого тягового зусилля, хоч і з більшим споживанням палива (наближаючись до хімічних систем). Це явище називають “постійна потужність – змінний імпульс”: двигун може тримати задану електричну потужність, але “перекладати” її або в прискорення частинок, або в збільшення масової витрати плазми (підвищуючи тягу)[4]. Така властивість дуже цінна, адже дозволяє підлаштовувати двигун під різні місії – від швидкісних міжпланетних перельотів до перевезення важких вантажів.

VASIMR на випробувальному стенді

З точки зору фізики плазми, VASIMR поєднує принципи, що застосовуються у термоядерних установках (магнітне утримання, іонно-циклотронний резонанс) та у ракетних прискорювачах. Заряджені частинки плазми підпорядковуються силі Лоренца F = q·(E + vB), тому їх можна ефективно розганяти електричними і магнітними полями. При іонно-циклотронному нагріві іони поглинають енергію радіохвилі на резонансній частоті їх обертання в магнітному полі, що дозволяє швидко і рівномірно “накачати” плазму енергією. Теоретичні роботи показали, що в конструкції VASIMR іони встигають поглинути майже всю енергію за один прохід через зону резонансу і вилітають через магнітне сопло з вузьким розподілом швидкостей. Це спрощує конфігурацію магнітів і покращує керованість струменя. Відсутність електродів у зоні плазми усуває проблему ерозії – деталі двигуна взагалі не контактують з гарячою плазмою, що потенційно дає довший ресурс роботи, ніж у іонних двигунів з металевими решітками[4].

Отже, принцип дії VASIMR ґрунтується на перетворенні електричної енергії у кінетичну енергію плазмових струменів. Чим гарячіший вихлоп – тим швидший і ефективніший двигун. Магнітне поле виконує роль і форсунки, і теплоізоляції одночасно, дозволяючи досягти параметрів недосяжних для хімічних ракет. Не дивно, що VASIMR часто називають «ракетним двигуном на принципах термоядерного реактора» (хоча реальні термоядерні реакції в ньому не відбуваються – йдеться лише про подібність методів нагріву плазми).

VASIMR vs інші двигуни: хімічні, іонні та “резонансні”

Хімічні ракети – це традиційні двигуни, що створюють тягу шляхом спалювання палива і викиду газів через сопло. Вони здатні розвивати велику миттєву тягу (необхідну для старту з планети), але неекономні з точки зору питомого імпульсу: навіть найкращі з них досягають ~450 секунд (для рідинних воднево-кисневих двигунів), а більшість – ~300 с. Через низьку ефективність хімічним ракетам потрібні тонни палива для розгону – наприклад, запуск місії на Марс вимагає спалити десятки тонн реагентів[4]. Крім того, хімічний двигун працює відносно короткий час (хвилини) і не може довго прискорювати апарат у глибокому космосі через обмежений запас палива. Переваги хімічних систем – висока тяга та перевіреність технології, недоліки – низька швидкість вихлопу та величезна маса палива, потрібна для досягнення великих швидкостей.

Схема двокомпонентного РРД 1 — магістраль пального 2 — магістраль окисника 3 — насос пального 4 — насос окисник 5 — турбіна 6 — газогенератор 7 — клапан газогенератора (пальне) 8 — клапан газогенератора (окисник) 9 — головний клапан пального 10 — головний клапан окисника 11 — вихлоп турбіни 12 — змішувальна головка 13 — Камера згоряння 14 — сопло. Автор: ЮК - Власна робота, Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3604201

Іонні двигуни (електростатичні або електродинамічні, як-от двигуни Холла, gridded ion thrusters тощо) використовують електричне поле для прискорення іонів інертного газу (звичайно ксенону). Вони мають набагато вищий питомий імпульс – зазвичай 1 500–4 000 с (швидкість витікання до ~40 км/с) і споживають у десятки разів менше пропеленту, ніж хімічні[4]. Іонні двигуни успішно застосовуються на космічних апаратах для корекції орбіти і міжпланетних подорожей (приклади: зонд Dawn до астероїдів, BepiColombo до Меркурія, численні супутники зв’язку з електричними буксирами). Проте тяга іонних двигунів дуже мала – вимірюється міліньютонами або сотими ньютонів. Розгін відбувається повільно (місяці), а для подолання гравітації планети вони не придатні. Ще один недолік класичних іонних рушіїв – наявність електродів/решіток, які еродують під бомбардуванням іонами, обмежуючи ресурс двигуна.

Принцип роботи іонного двигуна. Автор: Losobuck - Власна робота, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=75546331

VASIMR за концепцією належить до електромагнітних двигунів (іноді їх відносять до електротермічних), де іонізація та розгін виконуються безелектродними методами – це усуває проблему ерозії і дає потенціал довговічності. Більше того, VASIMR спроектований на значно більшу потужність ніж існуючі іонні двигуни: якщо сучасні іонні системи зазвичай споживають десятки кіловат, то VASIMR вже на експериментальному етапі оперує сотнями кіловат, а в перспективі – мегаватами. Це означає, що він теоретично може розвивати на порядок більшу тягу (до кількох ньютонів і більше), зберігаючи високий питомий імпульс. Наприклад, двигун VX-200SS (прототип VASIMR) при потужності ~100 кВт має тягу близько 5 Н, а оптимальний I_sp ~5000 с на аргоні. Для порівняння, йонний двигун NASA HiPEP мав ККД ~80% і тягу ~0,5 Н при 40 кВт. Таким чином, VASIMR ніби поєднує переваги хімічних (більша тяга) та іонних (високий імпульс) систем, заповнюючи проміжок між “слабкими, але ощадливими” і “потужними, але ненажерливими” двигунами[4].

Резонансні двигуни – під цією умовною назвою часто мають на увазі експериментальні установки на кшталт EMDrive (Electromagnetic Drive) та подібні “реактивні” резонатори. EMDrive – гіпотетичний двигун, в якому мікрохвилі багаторазово відбиваються всередині конусоподібного резонатора, нібито створюючи поступальну тягу без викиду робочої маси. Якби це було правдою, такий двигун порушував би закон збереження імпульсу і відкрив би шлях до “двигунів без палива”. На початку 2000-х ідея EMDrive привернула увагу, а в 2016–2017 рр. навіть з’явилися повідомлення, що в лабораторії NASA Eagleworks зафіксували крихітний thrust (~1 мН) при живленні резонатора потужністю ~60 Вт. Однак подальші перевірки показали, що ніякого «диво-ефекту» немає – виміряні сили були побічним результатом взаємодії дротів живлення з магнітним полем Землі. Німецькі дослідники з TU Dresden у 2018 році відтворили EMDrive в вакуумі і дійшли висновку, що “тяга” виникає не в резонаторі, а внаслідок електромагнітної взаємодії установки з зовнішнім середовищем[6]. Таким чином, на сьогодні EMDrive вважається нежиттєздатним – жоден експеримент переконливо не довів його роботу, і більшість науковців схиляються до думки, що цей концепт порушує закони фізики.

EMDrive, побудований лабораторією NASA Eagleworks під час експериментів 2013–2014 років. Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49595842

На цьому тлі VASIMR виглядає технологією набагато реальнішою. Хоча він теж використовує радіочастотний резонанс (для нагріву плазми), принцип його дії не суперечить класичній фізиці: реактивна тяга генерується за рахунок викиду маси (плазми) з сопла, повністю виконуючи третій закон Ньютона. Тобто VASIMR – це не “інерцоід” чи інша міфічна установка, а логічне продовження розвитку електричних ракетних двигунів на основі відомих наукових принципів. Звісно, він потребує дуже потужного джерела енергії, але жодних нових законів природи вигадувати не треба.

Проміжний підсумок: хімічні двигуни дають велику силу, але швидко виїдають паливо; іонні – неймовірно ощадні, та дуже слабкі; “резонансні” безмасові двигуни поки залишаються фантазією. А VASIMR обіцяє високу швидкість польоту при помірній тязі і прийнятній витраті робочого тіла, якщо йому забезпечити достатню електричну потужність. Саме цей баланс може відкрити нові можливості для космонавтики.

Поточний стан розробки: експерименти Ad Astra, участь NASA і плани Axiom Space

Розробкою двигуна VASIMR вже багато років займається приватна компанія Ad Astra Rocket Company, очолювана д-ром Чанг-Діасом. Після численних лабораторних експериментів у NASA (двигуни серії VX-10, VX-25, VX-50) перший високопотужний прототип VX-200 був створений наприкінці 2000-х. У жовтні 2008 року Ad Astra повідомила, що VX-200 успішно генерує плазму і досягнув запланованих параметрів по першому каскаду (30 кВт на іонізацію аргону) та по другому каскаду (170 кВт на розгін плазми). При цьому ключові підсистеми показали вражаючу ефективність – наприклад, перетворення постійного струму в радіохвилі досягло ККД ~98%. У 2009 році вперше випробували VASIMR з використанням надпровідних магнітів – це важливо, адже високі магнітні поля потрібні для утримання плазми, і застосування надпровідників дозволяє отримати потужне поле без гігантських витрат електроенергії на нагрів обмоток[4].

На початку планувалося встановити експериментальний двигун VASIMR на Міжнародну космічну станцію. У грудні 2008 р. Ad Astra уклала контракт з НАСА на розміщення на МКС двигуна VF-200 (двокаскадний VASIMR, 200 кВт) для випробувань та використання у якості рушійної установки станції. Передбачалося, що двигун зможе піднімати орбіту МКС, періодично вмикаючись на ~10 хвилин (станція мала накопичувати заряд на батареях і живити VASIMR ривками через обмежену потужність сонячних батарей). Таким чином, станцію можна було б утримувати на орбіті без застосування дорогих кораблів-прогресів і хімічних двигунів[4]. Спершу запуск VF-200 на МКС планували на ~2015 рік, але цього так і не сталося – проект затримався через брак фінансування і зміну пріоритетів НАСА. Проте Ad Astra продовжила відшліфовувати технологію на Землі.

Художня ілюстрація майбутнього космічного корабля, який використовує двигун VASIMR. By NASA; Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1322462

У 2015 році компанія виграла контракт NASA NextSTEP на суму ~$9–10 млн** для доведення технології. Метою було до 2018 р. продемонструвати роботу VASIMR протягом 100 годин при потужності 100 кВт у безперервному режимі[2]. Для цього побудували удосконалений прототип VX-200SS (SS – Steady State, тобто здатний до тривалої безперервної роботи). Науковці приділили особливу увагу системі терморегуляції– адже при ККД ~60% двигун на 100 кВт виділяє 40 кВт зайвого тепла, і його потрібно відводити, щоб захистити магніти та електроніку[4]. Було реалізовано нову систему активного охолодження, розраховану на тривалу роботу на повній потужності. Перші етапи пройшли успішно: вже у 2017 р. Ad Astra рапортувала про 100 годин сумарного напрацювання (в імпульсному режимі) та виконання всіх проміжних віх контракту[2].

Кульмінацією стало вмикання VX-200SS на рекордні 88 годин поспіль у 2021 році. Двигун працював при потужності ~80 кВт і підтвердив здатність тривалого стабільного горіння плазми без деградації – фактично, випробування показало, що VASIMR може працювати «практично необмежено довго на високій потужності». Це великий крок вперед, який дозволив підняти готовність технології до рівня TRL-5/6 (технологічний рівень, близький до випробувань у космосі)[5]. Після цього контракт з NASA успішно завершився, але роботи не зупинилися. У 2023 році Ad Astra уклала два нові договори з NASA на подальшу доводку високочастотної підсистеми VASIMR. Зокрема, розробляється новий 2-й ступінь RF-резонатора (так званий RF-coupler, що передає енергію плазмі) з покращених матеріалів, стійких до кількасотградусних температур і високої напруги. Також випробовується удосконалена конструкція високострумової лінії живлення резонатора, яка зменшить її нагрів і вагу. Очікується, що ці інновації дозволять підняти сталу робочу потужність прототипу VX-200SS з 80 кВт до 100+ кВт та довести двигун до рубежу TRL-6 (готовність до космічного польоту). За словами д-ра Чанг-Діаса, програма VASIMR вже пройшла довгий шлях від лабораторної концепції до технології, майже готової до випробувань у космосі[8].

Компанія активно співпрацює з міжнародними партнерами: значний внесок робить Канадське космічне агентство (CSA) та компанія Aethera Technology – вони розробили високоефективні радіочастотні генератори для VASIMR і профінансували їх вдосконалення на $1,5 млн. Ці RF-модулі досягли рекордних показників щільності потужності та ККД, що критично для компактності бортової апаратури[2]. Успіхи Ad Astra привертають увагу і потенційних замовників з комерційного сектора. Зокрема, компанія Axiom Space, яка будує першу приватну орбітальну станцію, розглядає можливості застосування електричних двигунів високої потужності. Хоча прямих заяв про встановлення VASIMR на станцію Axiom не було, експерти відзначають, що приватні космічні станції потребуватимуть ефективних буксирів та засобів корекції орбіти, і плазмові двигуни можуть стати ключовою технологією для цього. Адже VASIMR здатен підтримувати орбіту станції значно дешевше, ніж періодично підвозити паливо для традиційних двигунів. Не виключено, що Axiom Space або інші комерційні оператори візьмуть участь у фінансуванні першого орбітального демонстратора VASIMR у найближчі роки.

Важливо розуміти, що головним стримуючим фактором на шляху до практичного застосування VASIMR залишається джерело енергії. Усі наземні експерименти живлять двигун від електромережі. У космосі ж потрібна компактна і потужна енергетична установка. Сонячні батареї у найкращому разі можуть забезпечити сотні кіловат (для порівняння, МКС має ~120 кВт сонячних панелей). Для мегаватних рівнів майбутніх VASIMR потрібні або значні площі сонячних панелей (що важко через масу і розміри при запуску), або ядерна енергетична установканового покоління. НАСА розвиває програму малих космічних реакторів (Kilopower, DRACO тощо). У 2023 р. Ad Astra оголосила про стратегічне партнерство з компанією Space Nuclear Power Corporation (SpaceNukes) – розробником технологій ядерних реакторів для космосу Цей альянс націлений на створення прототипу ядерно-електричної рухової установки (NEP) спочатку на 100 кВт, а згодом – багатомегаватного легкого реактора з питомою масою <5 кг/кВт. Поєднання VASIMR з такими реакторами дозволить отримати справжній “космічний буксир” для далеких місій.

Отже, наразі VASIMR перебуває на порозі космічних випробувань. Дорожня карта Ad Astra на найближчі роки включає: довести наземний прототип до 100 кВт (2024), залучити ~$200 млн інвестицій на створення повноцінного льотного зразка, запустити демонстраційну місію протягом ~3 років від отримання фінансування, а далі – масштабувати технологію до мегаватного рівня. Можливо, першим буде апарат для перевезення вантажів між орбітами Землі і Місяця на сонячній енергії (розглядається модуль 150 кВт на сонячних батареях для “ближнього космосу”[5]). Паралельно співпраця зі SpaceNukes і, ймовірно, з NASA, має підготувати ґрунт для ядерно-електричного марсіанського буксира.

Практичне застосування: від супутникових буксирів до експрес-місій на Марс

Які ж реальні задачі зможе вирішувати VASIMR у космосі? Експерти і сама Ad Astra бачать цілу низку застосувань, що можуть змінити підхід до космічних місій:

• Швидкі польоти на Марс та інші планети. Найбільш амбітна мета – скорочення тривалості польоту людини до Марса з нинішніх ~6–9 місяців до кількох десятків днів. Розрахунки показують, що за наявності потужного джерела (~200 МВт) корабель з двигунами VASIMR зможе дістатися Марса приблизно за 39 днів[1][4]. Це передбачає майже постійне прискорення протягом половини шляху і постійне гальмування – щось неможливе для хімічних ракет, які більшу частину польоту летять за інерцією. 39-денний переліт до Марса значно знизив би радіаційне опромінення екіпажу та ризики для здоров’я астронавтів[5], а також підвищив шанси на успіх місії (менше часу – менше накопиченої ймовірності відмов). Звісно, для цього потрібен ядерний реактор мегаватного класу, але навіть без максимуму можливостей VASIMR обіцяє прискорити доставку вантажів і автоматичних зондів. Наприклад, плазмовий буксир з 5 двигунами VASIMR (сукупно ~1 МВт потужності) міг би перевести корисний вантаж з низької навколоземної орбіти на низьку навколомісячну орбіту, витративши всього ~8 тонн аргону як робоче тіло – тоді як хімічній ракеті знадобилося б ~60 тонн палива на аналогічний маневр. Час такого перельоту можна гнучко зменшувати, витрачаючи більше пропеленту на більшу тягу: порожній буксир зміг би повернутися з Місяця до Землі за 23 дні або навіть за 14 днів, якщо пожертвувати ефективністю заради швидкості[4]. Отже, міжпланетні експрес-маршрути – головна довгострокова перспектива VASIMR.

  

  Ілюстрація космічного корабля, що працює на VASIMR. Зображення: https://interestingengineering.com/innovation/vasimr-plasma-engine-humans-mars

• Космічний буксир і орбітальні перевезення. У ближчій перспективі VASIMR розглядається як рушій для орбітальних буксирів – безпілотних транспортних «локомотивів», що переміщують супутники і вантажі між різними орбітами. Дослідження показують, що апарат із двигуном VASIMR здатен значно ефективніше виконувати переліт між орбітами, ніж традиційні хімічні розгінні блоки. Доставка вантажів на Місяць – перший такий кейс, озвучений ще у 2008 році: директор розвитку Ad Astra Тім Гловер заявив, що дебютним застосуванням VASIMR буде перевезення вантажів з низької навколоземної орбіти на навколомісячну для підтримки місячної програми. Плазмовий буксир може виконувати роль останньої ступені ракети: після виведення корисного навантаження на орбіту, він підчепить його і власним ходом доправить, наприклад, до Місяця або до пункту Lagrange. Це дозволить запускати важкі об’єкти на далекі орбіти з меншими ракетоносіями, заощаджуючи кошти. Розрахунки свідчать, що вартість доставки вантажів VASIMR-буксиром може бути в рази меншою, ніж хімічними засобами[4], оскільки не треба кожного разу витрачати новий розгінний блок і тисячі кг палива – буксир використовує свої запаси аргону багаторазово, поповнюючи їх за потреби.

• Підтримка орбітальних станцій. Як вже зазначалося, VASIMR може виконувати маневри з підняття орбіти великих об’єктів. Для МКС це мало економічний сенс – один двигун VF-200 міг би зекономити NASA десятки мільйонів доларів, усунувши потребу в спеціальних маневрах вантажних кораблів для корекції висоти станції[4]. У майбутньому приватні станції (Axiom, Orbital Reef тощо) також виграють від вбудованої електричної рухової установки для маневрування. Плазмовий двигун може тихо і планомірно підтримувати потрібну орбіту, компенсуючи аеродинамічне гальмування в атмосфері на низьких висотах. До того ж, VASIMR зможе виконувати переліт станції з однієї орбіти на іншу або навіть переміщення між Землею і Місяцем у складі модульної архітектури (наприклад, буксир з туристичним модулем).

  

  Рендер: Axiomspace. https://thealphacentauri.net/kosmicheskaya-stanciya-axiom/

• Обслуговування та прибирання на орбіті. Висока ефективність електродвигуна робить його ідеальним кандидатом для місій з обслуговування супутників та зачистки космічного сміття. Невеликий роботизований апарат з VASIMR зможе відносно швидко перелітати між різними орбітами, витрачаючи мінімум робочого тіла. Він може інспектувати, ремонтувати або дозаправляти діючі супутники. Або ж стикуватися з відпрацьованими об’єктами і зводити їх з орбіти в атмосферу (або переміщати на “орбіти кладовища”). Зараз подібні місії ускладнені тим, що на один супутник-ціль треба витрачати окремий хімічний розгінний модуль. Плазмовий буксир міг би послідовно очистити відразу багато об’єктів, маючи запас електрики від сонячних батарей і певну кількість аргону для маневрів. Ad Astra прямо вказує серед цілей технології: “refurbishment and end-of-life disposal” (оновлення і утилізація супутників)[2], а також “очищення орбіти від космічного сміття”[3]. Це важливе завдання, адже навколоземний простір дедалі більше заповнюється фрагментами відпрацьованої техніки.

• Доставка ресурсів і міжпланетна логістика. Електричні ракети відкривають економічно доцільні сценарії видобутку корисних копалин на астероїдах та перевезення їх на орбіту Землі. VASIMR, з його низькою витратою маси, міг би буксирувати видобувні модулі до астероїдів, перевозити зібрані ресурси (воду, метали) до станцій переробки. Так само і для підтримки марсіанської бази: вантажні кораблі з продовольством чи обладнанням можуть летіти місяць-два замість півроку, що особливо важливо для свіжих запасів. Заправка паливом у космосі – ще один напрям: плазмові буксири можуть транспортувати пальне (наприклад, кріогенні компоненти) від орбітальних танкерів до космічних кораблів, що мандрують далі (це розглядається у концепціях місячної і марсіанської інфраструктури)[4].

• Планетарна оборона та наукові місії. Високошвидкісний електрорушій корисний і для захисту Землі від астероїдів. Якщо виявлено небезпечний об’єкт, апарат з VASIMR зможе відносно швидко наздогнати його і відхилити траєкторію (наприклад, гравітаційним буксиром або кінетичним імпактором). Такі місії вимагають великих дельта-V, де хімічна ракета мусила б нести неефективно багато палива. Плазмовий же буксир, хоча й не створить різкого імпульсу, може завчасно за кілька років підштовхувати астероїд на трохи іншу траєкторію, сумарно зміщуючи його на потрібну відстань. Щодо науки: VASIMR придатний для швидкого запуску автоматичних зондів у зовнішню Сонячну систему. Наприклад, з ним можна відправити апарат до Юпітера чи Сатурна в рази швидше, ніж нині (коли переліт триває 5-7 років і використовуються гравітаційні маневри). Швидший доліт означає більше часу для досліджень, менші вимоги до надійності (зонд менше “старіє” поки долетить). У далекому майбутньому, якщо з’являться достатньо потужні реактори, плазмові двигуни можуть відкрити шлях і до міжзоряних польотів з безпрецедентними швидкостями.

Підсумовуючи, VASIMR здатен революціонізувати космічну логістику: зробити перевезення вантажів у просторі дешевшими і масштабнішими, а польоти людини – швидшими і безпечнішими. Звісно, ці можливості реалізуються не миттєво – знадобиться розвиток суміжних технологій (енергетика, матеріали, теплообмін). Але вже перші ніші використання (орбітальний буксир, підняття орбіти станцій) можуть з’явитися у найближчі 5–10 років.

Критика та технічні труднощі: чи не фантастика?

Проєкт VASIMR часто викликає палкі дискусії. З одного боку – інтригуючі обіцянки (політ на Марс за місяць, “двигун з наукової фантастики”), з іншого – скептицизм частини наукової спільноти. Розглянемо основні пункти критики та виклики, що стоять перед технологією:

• Вимоги до енергії – “фантастичний реактор”. Найчастіше скептики вказують, що чудові цифри (39 днів до Марса) досяжні лише на папері, бо потребують гігантської потужності, на порядки більшої, ніж доступно зараз. Так, для 39-денного польоту Chang Díaz припускає ядерний реактор ~200 МВт[4]. В даний час жодної космічної енергоустановки такого масштабу не існує: МКС дає ~0,1 МВт, проект DRACO від NASA/DARPA прагне протестувати лише ~0,001 МВт (термоядерний) реактор у 2027 році[5]. Навіть перспективні проекти на кшталт Kilopower (10 кВт) чи мегаватних концептів поки далекі від реалізації. Відомий інженер і популяризатор Марса Роберт Зубрін назвав заяви про 39-дений переліт “оманою” і зауважив, що «немає жодних підстав вірити у реальність “фантазійної” енергосистеми Чанг-Діаза»[3]. Він зазначив, що навіть набагато потужніші ядерні іонні двигуни, якби існували, все одно не мали б достатнього тягооснащення: тобто вага реактора + радіаторів + двигуна переважила б їхню тягу. На його думку, “жодна електрична рухова установка – ні VASIMR, ні навіть кращі іонні – не забезпечать швидкого польоту до Марса, бо співвідношення тяги до маси у будь-якої реальної енергосистеми занадто мале”[3]. Зубрін та інші критики фактично акцентують на тому, що VASIMR потребує прориву не тільки в самих двигунах, а і в галузі космічної енергетики. Без легкого і потужного джерела струму він не розкриє свій потенціал і залишатиметься хіба що дорогим експериментом.

  

  Блок з п'яти двигунів Draco у службовому відсіку корабля Dragon. Авторство: Steve Jurvetson. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21273215

• Маса і габарити системи. В доповнення до енергетичного питання, стоїть проблема масогабаритних показників. Суперпровідні магніти VASIMR потребують кріогенних охолоджувачів (це додаткове обладнання і енергоспоживання). Великі радіатори необхідні для відведення тепла: наприклад, 100 кВт двигун з ККД ~60% мусить розсіювати ~40 кВт тепла, а при 1 МВт ці втрати – ~400 кВт, що еквівалентно енергії сотень сонячних панелей. Радіатори для цього займуть площу сотні квадратних метрів, додаючи ваги і опору маневрам. Конструкція самого двигуна теж непроста: вакуумна камера, магнітні котушки, РЧ-генератори – усе це збільшує масу апарату. У концепті VF-200 для МКС оцінена питома потужність ~1 кг/кВт (тобто двигун 200 кВт важив би ~200–300 кг)[4]. Це непогано, але якщо додати вагу реактора, захист від радіації, системи живлення – сумарне відношення тяги до ваги у агрегату може скласти лише частки відсотка. Аби стартувати з Землі, цього абсолютно недостатньо (VASIMR і не призначений для цього – він працює тільки в невагомості). Але навіть для космічного буксира занадто важка силова установка означає, що значна частина тяги йде на розгін власної маси. Таким чином, є ризик, що реальна ефективність “повного комплекту” VASIMR + живлення + тепло відведення буде нижчою, ніж розрахункова. Інженерам потрібно мінімізувати вагу кожного компонента, аби виправдати використання такої системи.

• Тепловий режим і матеріали. Як вже згадувалось, VASIMR зіштовхується з проблемою утилізації потужного теплового потоку. Робота на повній потужності довгий час потребує бездоганної системи охолодження. На Землі вакуумні камери дозволяли відкачувати тепло, та у космосі лишається тільки радіаційний теплообмін (випромінювання). Створити радіатор, здатний розсіювати сотні кіловат, непросто – він матиме значну площу і повинен витримувати високі температури, щоб ефективно фонувати в інфрачервоному діапазоні. Будь-який відмово в системі охолодження призведе до перегріву і вимкнення двигуна (або й пошкодження). До того ж, вакуум і плазма – ворожі середовища для електроніки: сильні електромагнітні поля і потоки заряджених часток можуть вивести з ладу компоненти, якщо не забезпечити екранування. У прототипі VX-200SS активно застосовуються водяне охолодження і теплообмінники; цікаво, що деякі елементи друкованих плат довелося замінити на керамічні, щоб ті не розплавилися від внутрішнього нагріву при випробуваннях[5]. Розробники запевняють, що впоралися з цим викликом, але тільки реальний політ покаже надійність терморегуляції. Ще один нюанс – відведення плазми від магнітів. Теорія говорить, що магнітне сопло скеровує плазму геть від двигуна, не даючи їй повернутися назад і замкнути магнітні силові лінії (інакше може виникнути тяга, направлена вперед – “присмоктування” плазми до апарату). Цей ефект називають магнітною реконекцією, і досліди 2000-х показали, що плазма таки відривається і залишає двигун чистим. Проте за деяких умов частина іонів може спрямовуватися назад – це зменшує корисну тягу і може опромінювати пристрій. Буде потрібне додаткове тестування в повномасштабних умовах (у вакуумній камері достатнього розміру), щоб гарантувати повне від’єднання плазмового струменя[4].

• Вартість і фінансові ризики. Проект VASIMR – довготривалий і капіталомісткий. За оцінками самого Чанг-Діаса, на створення повністю готового до польоту двигуна потрібно близько $100 млн, і ще $50–60 млн на сам запуск і місію-демонстратор[5]. На сьогодні Ad Astra інвестувала понад $30 млн власних коштів у R&D[3], плюс отримала близько $20 млн контрактів від NASA та інших (CSA тощо). Але щоб перейти від випробувань до реального застосування, потрібне багатократне збільшення фінансування. Як завжди, знайти такі кошти під інноваційний, але ризиковий проект непросто. NASA частково підтримує, однак прямих програм під VASIMR поки немає – агентство також вкладається і в класичні сонячно-електричні двигуни, і в ядерно-термальні (NTP). Конкуренція за бюджет високотехнологічних програм велика, і VASIMR потрібно довести свою унікальну цінність. Існує побоювання, що без комерційного замовлення проект може застопоритися. Скептики згадують, що Чанг-Діас обіцяв вивести двигун на МКС ще у 2015-му, потім говорив про 2018-й, тепер йдеться про “3 роки після фінансування” (тобто середина 2020-х). Такі постійні переноси викликають сумніви: чи не залишиться VASIMR назавжди технологією “за 5 років до реалізації”? Опоненти іронізують, що VASIMR більше схожий на стартап, який живе за рахунок грантів, ніж на реальний інженерний продукт. Водночас прихильники відповідають: жодна революційна технологія не створюється швидко, на це йдуть десятиліття, і прогрес VASIMR очевидний – він пройшов шлях від настільного експерименту до прототипу з 80 кВт стійкої роботи[5].

  

  Засновник Ad Astra Франклін Чанг-Діас з прототипом Vasimr. Зображення: https://interestingengineering.com/innovation/vasimr-plasma-engine-humans-mars

• Порівняння з альтернативами. VASIMR – не єдиний спосіб покращити космічні двигуни. Наприклад, НАСА активно розвиває ядерно-термальні ракетні двигуни (NTR) – у них ядерний реактор напряму нагріває водень, який витікає через сопло (класичний приклад – проект NERVA 1960-х). Хоча питомий імпульс NTR менший, ніж у VASIMR, він не потребує складної електроніки і працює без електрики, що робить його привабливим для відносно швидкої реалізації. З іншого боку, NTR не такий гнучкий і матиме обмеження по кількості запусків (через радіоактивність). Ще альтернативи – сонячно-електричні двигуни великої тяги, які зараз розробляються для буксирів між Землею та Місяцем. ESA, наприклад, інвестує у проекти з двигунами Холла на 50–100 кВт із кластеризацією (кілька двигунів на одному апараті) – вони простіші, хоч і не такі ефективні як VASIMR. Деякі критики кажуть: поки VASIMR доводять до кондиції, класичні іонні двигуни теж еволюціонують, і можливо, досягнуть потрібних параметрів раніше. Крім того, в основі VASIMR лежать складні плазмові процеси, якими досі мало хто займався поза Ad Astra – на відміну від двигунів Холла, де в світі десятки команд і зрозумілий досвід експлуатації. Отже, є ризик, що навіть ставши працездатним, VASIMR може виявитись занадто складним і дорогим, якщо простіші рішення встигнуть закрити більшість потреб.

Загалом, VASIMR – це високотехнологічний проект з високими ставками. Він кидає виклик усталеним методам руху в космосі, але водночас залежить від прогресу у суміжних напрямах. Багато експертів підтримують дослідження плазмових двигунів, але закликають тверезо оцінювати часові рамки: ймовірно, знадобиться ще не один рік (а то й десятиліття), щоб такі установки стали невід’ємною частиною космічної інфраструктури. Тим часом, скептицизм – нормальна реакція на будь-який “революційний” винахід, який довго не виходить за межі лабораторії.

Перспективи та дорожня карта розвитку

Попри усі виклики, перспективи VASIMR виглядають обнадійливо. Прогрес за останні 5–10 років є беззаперечним: двигун вийшов на рекордні для електричних РД потужності і тривалість роботи. Що ж далі чекає цю технологію, якщо все піде за планом?

Короткострокові плани (2025–2030): Завершення наземних тестів на рівні ~100 кВт і перехід до орбітальної демонстрації. Ad Astra оцінює, що за умови фінансування прототип VASIMR VX-200SS можна підготувати до запуску приблизно за 3 роки[5]. Найімовірніше, перше випробування відбудеться на низькій навколоземній орбіті: або у складі спеціально запущеного експериментального супутника, або на борту комерційної станції/модуля. Мета – підтвердити роботу двигуна у відкритому космосі, перевірити системи живлення від сонячних батарей, маневреність апарату з плазмовим рушієм. Вже перший тест може продемонструвати практичну користь: наприклад, орбітальний апарат з VASIMR може виконати маневр перелету на іншу орбіту і повернення, якому хімічний аналог не зміг би – тим самим рекламуючи переваги технології. Після польоту-демонстратора двигун отримає статус TRL-7/8, що значно підвищить довіру до нього з боку потенційних замовників. Паралельно триватиме масштабування енергосистем: можливо, у співпраці з космічними агентствами буде створено сонячну електростанцію ~200–300 кВт для живлення буксиру на LEO.

Середньострокова перспектива (2030-ті роки): Інтеграція VASIMR у реальні місії в межах системи Земля–Місяць. У цей період очікується становлення повноцінної місячної інфраструктури (станція Lunar Gateway, база на Місяці). VASIMR може знайти застосування у вигляді місячних вантажних кораблів. Наприклад, корабель з кількома 100-кіловатними двигунами зможе регулярно курсувати між орбітою Землі і Місяця, перевозячи тонни вантажів для бази (пального, кисню, обладнання). Також можливе використання на комерційних космічних буксирах для виведення супутників: замість багаторазового буксира на хімічному паливі (який проєктують зараз) міг би з’явитися буксир на електриці, що забирає супутники з низької орбіти і доправляє на геостаціонарну чи іншу цільову – витрачаючи лише десятки кілограмів газу. У сфері безпеки – орбітальні перехоплювачі сміття: вже до кінця 2020-х Європа планує місію з прибирання великого уламка, а в 2030-х такі місії можуть стати регулярними. Плазмові буксири суттєво підвищать ефективність очищення орбіти, виконуючи багаторазові рейси. Крім того, на цей час можуть з’явитися перші ядерні енергоджерела середньої потужності (десятки – сотні кіловат) у космосі. Якщо проєкти Kilopower (10 кВт) і наступних реакторів будуть втілені, їх можна об’єднати з VASIMR для створення прототипу ядерно-електричного буксира. Такий апарат зможе показати переваги довготривалої роботи незалежно від освітлення Сонцем (наприклад, діяти на високих нахилах або навіть в далекому космосі, де сонячні панелі неефективні).

Прототип ядерного реактора NASA потужністю 1 кВт для використання в космосі та на поверхнях планет. Автор: NASA. Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64076512

Довгострокова перспектива (2040-ві і далі): Якщо всі попередні етапи пройдено успішно, VASIMR може стати ядром міжпланетних транспортних систем. У 2040-х людство планує здійснити польоти на Марс у межах програм NASA або приватних ініціатив. У разі наявності випробуваного VASIMR і космічного реактора мегаватного класу, цілком реально побудувати корабель для експедиції на Марс саме з такою руховою установкою. Це був би справді інший підхід до місій – швидкоплинні “рейси” до Марса замість піврічних подорожей. Наприклад, концепт Ad Astra передбачає, що 200-мегаватний VASIMR-корабель доправить людей на Марс за 1,3 місяці[4], проведе там необхідний час і поверне назад за схожий термін (разом менше року на весь політ). Звичайні ж хімічні місії типу “Apollo to Mars” розраховують щонайменше на 2–3 роки (полет+очікування сприятливої позиції планет для повернення). Отже, двигуни на зразок VASIMR можуть змінити саму парадигму: польоти на Марс стануть коротшими за півтора місяці в один бік, без жорсткої прив’язки до пускових вікон (потужні електробуксири мають широкі вікна для старту).

Далі – колонізація астероїдів, супутників Юпітера і Сатурна, і можливо, перші зонди до найближчих зір. Звісно, це поки мрії, але саме так колись фантастикою видавалися і плазмові двигуни. Технологія VASIMR надає універсальний інструмент для епохи, коли космічні польоти стануть рутиною: безпечний, регульований, довговічний двигун з високою ефективністю.

Чи справдиться ця перспектива? Багато залежить від успішності наступних кроків. Якщо найближчим часом VASIMR покаже себе у космосі і приверне інвесторів, він може отримати друге дихання і стрімко еволюціонувати. Дорожня карта розвитку вже намічена: спершу буксири на сонячній енергії ближче до Землі, потім – буксири на ядерній енергії для дальнього космосу, і врешті – кораблі для пілотованих експедицій. Кожен етап має свої труднощі, але також і величезний потенціал вигоди.

У підсумку, VASIMR не є “чарівним двигуном”, що вмить вирішить усі проблеми космонавтики. Проте він є логічним і необхідним кроком вперед відносно існуючих технологій. Маючи значно вищий питомий імпульс і гнучкість, плазмові двигуни такого типу можуть відкрити перед людством Сонячну систему, зробивши подорожі в глибокий космос більш практичними. Як і свого часу перехід від парусних кораблів до пароплавів революціонізував морські перевезення, так і перехід від хімічних ракет до електроплазмових може революціонізувати космічні. Залишається слідкувати за новинами: найближчі кілька років стануть вирішальними для VASIMR – чи залишиться він лише сміливою ідеєю, чи справді поведе наші кораблі до зірок.

Список використаних джерел:

1. Franklin Chang-Díaz – Wikipedia – en.wikipedia.org.

2. Ad Astra Rocket Company – Прес-реліз 26.06.2018 – VASIMR VX-200SS: adastrarocket.com

3. Quantumrun – «39-day mission to Mars» (2016) – quantumrun.com

4. Wikipedia (укр.) – «Електромагнітний ракетний прискорювач (VASIMR)» – uk.wikipedia.org.

5. Interesting Engineering – «VASIMR: plasma engine to Mars in 45 days» (2023) – Інтерв’ю з F. Chang-Díaz: interestingengineering.com.

6. Space.com – space.com.

7. Futurism – «VASIMR: How We Might Reach Mars in 39 Days» (2017) – futurism.com.

8. SpaceRef – «Ad Astra Wins Two NASA Contracts for VASIMR Tech» (Press release, 08.08.2023) – spaceref.com.

9. Chang Díaz F. R. – NASA Biographical Data (09/2012) – nasa.gov.