DOW-UAP-D145: הנעת היתוך אל-נייטרוני, חלק I - פיזיקת הרקטה, דלק פרוטון-בורון ומסע של 127 שנה לפרוקסימה קנטאורי

קובץ: DOW-UAP-D145_AAWSAP-DIRD-Aneutronic-Fusion-Propulsion-I-November-1-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית של ארה"ב (DIA), חטיבת ההתרעה הטכנולוגית (DWO-4) במשרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSAP סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת Defense Futures; מספר בקרה DIA-08-1011-003 (הקידומת דהויה בסריקת השער) תאריך: 1 בנובמבר 2010 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 20 ביולי 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (הסייג FOUO מחוק בעמודי הפנים; פס הסיווג בשער דהוי; פורסם לציבור ב-2026) מספר עמודים: 50 VIRIN: 260918-D-D0360-1134 שחרור PURSUE: 6

תקציר

בשחרור 6 מופיעים שני מסמכי DIRD הנושאים בדיוק אותה כותרת, "Aneutronic Fusion Propulsion", ושניהם מתוארכים ל-1 בנובמבר 2010. הסימונים "I" ו-"II" ניתנו בשחרור עצמו כדי להבחין ביניהם. זהו החלק הראשון: מספר הבקרה שלו DIA-08-1011-003, והוא נכתב בידי מחבר יחיד, AAP Person 83. המסמך המשלים, DOW-UAP-D146 (DIA-08-1011-004), נכתב בידי שלושה מחברים אחרים ובנוי בגישה מערכתית שונה.

"היתוך אל-נייטרוני" (aneutronic fusion) הוא שם כולל לתגובות היתוך גרעיני שבהן רוב האנרגיה משתחררת בחלקיקים טעונים, כמו פרוטונים וגרעיני הליום, ולא בנייטרונים. היתרון לחללית כפול: קל יותר למגן את הצוות, כי נייטרונים חודרים עמוק לחומר וחלקיקים טעונים לא; ואת האנרגיה של חלקיקים טעונים אפשר לכוון בשדה מגנטי לדחף או להמיר ישירות לחשמל. המחיר הוא טמפרטורות הצתה גבוהות בהרבה.

המסמך בנוי כמעין ספר לימוד בשבעה פרקים וחמישה נספחים: תאוריה (משוואות הרקטה, דחף סגולי, מיגון, רקטות ביקוע), תכנון רקטות היתוך, תוכניות אל-נייטרוניות, אנטי-חומר, פרויקטים קיימים, "ספקולציה על צורכי המחקר ב-30 השנים הבאות", ומסקנות. הנספחים עוסקים ברקטות יחסותיות, ברקטה אל-נייטרונית, ברקטת אנטי-חומר, ובגיליון חישוב מלא למשימה לפרוקסימה קנטאורי. יש בו 16 איורים ושלוש טבלאות. המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP.

מאמר מחקר

מדוע רקטות כימיות אינן מספיקות

המבוא מציב את הבעיה: רקטות כימיות צריכות לשאת כמויות עצומות של דלק. המחבר סוקר את החלופות הקיימות, ובהן רקטת הביקוע התרמית. בין 1956 ל-1971 נבנו ונוסו רקטות כאלה באתר הניסויים בנבדה במסגרת Project Rover; 72 ניסויי כורים הגיעו לשיאם בניסוי של 12 דקות בכור Phoebus-2A של NERVA, שהפיק יותר מ-4 ג'יגה-ואט של הספק תרמי. אבל פליטת מזהמים רדיואקטיביים הופכת את הטכנולוגיה, כלשון המסמך, לבלתי אפשרית לשיגור מכדור הארץ.

פרק 1 מסביר את היסודות למי שאינו מהנדס הנעה. בחלל אין אוויר להדוף, ולכן הרקטה חייבת לשאת את "מסת התגובה" שלה. יש שתי דרכים להגדיל דחף: לפלוט יותר מסה, כלומר לשאת יותר דלק, או לפלוט אותה מהר יותר, עד לגבול מהירות האור. מכאן המדד המרכזי במסמך, הדחף הסגולי (specific impulse, Isp), הנמדד בשניות. טבלה 1 (עמוד 11) משווה: השלבים העליונים של Saturn V הגיעו ל-421 שניות, הרקטה הכימית הטובה ביותר שנוסתה (פלואור-ליתיום-מימן) ל-542, רקטה גרעינית תרמית ל-850, מנוע יונים ל-3,000 ו-VASIMR ל-30,000. המחבר מציין את המחיר: ככל שמהירות הפליטה עולה, היעילות האנרגטית (יחס הדחף להספק) יורדת. "The point here is that for spaceflight to anywhere other than near destinations, our present rocket technology is insufficient".

פרק המיגון מספק את המספרים שמסבירים מדוע הנייטרונים הם הבעיה. אדם בארה"ב סופג כ-3.5 מיליסיוורט בשנה; בחלל, מחוץ לשדה המגנטי של כדור הארץ, כ-250 מיליסיוורט. מנה חריפה של 2,000 מיליסיוורט גורמת לבעיות רפואיות חמורות ו-5,000 בדרך כלל קטלנית. שיגור עופרת למגן עולה כ-10,000 דולר לליברה. וכור היתוך מוסיף שטף נייטרונים משלו. "A simpler solution", כותב המחבר, הוא להשתמש בתוכניות היתוך שאינן מייצרות נייטרונים כלל (עמוד 17). פרק 1 מסתיים בהיסטוריה של רקטות הביקוע: לפחות פעם אחת נפלטו בניסויי NERVA חתיכות חומר רדיואקטיבי על פני שטח קטן באתר הניסויים ונאספו ידנית, ולוויין הריגול הסובייטי Cosmos 954 התרסק ב-24 בינואר 1978 עם כור על סיפונו באזור הארקטי של קנדה, בעלות ניקוי של יותר מ-6 מיליון דולר.

מהיתוך "רגיל" להיתוך אל-נייטרוני

פרק 2 מתחיל בתגובה הקלה ביותר להצתה, דאוטריום-טריטיום (D-T): 17.6 MeV, מתוכם 14.1 MeV בנייטרון ו-3.5 MeV בגרעין הליום. הנייטרון חודר עמוק לעופרת ולפלדה; גרעין ההליום נבלם כמעט מיד, ואת האנרגיה שלו אפשר לקצור במחולל מגנטו-הידרודינמי (MHD) המפריד יונים ואלקטרונים בשדה מגנטי ומפיק חשמל ישירות (איור 5). לפי איור 8, תגובת D-T נעשית סבירה סביב 5 keV (כ-10 מיליון קלווין), D-D סביב 10 keV ודאוטריום-הליום-3 סביב 30 keV (300 מיליון קלווין). ובכל זאת, מדגיש המחבר, אחרי יותר מ-50 שנה אף שיטה לא הגיעה ל"break even", הנקודה שבה ההיתוך מפיק יותר אנרגיה ממה שנדרש כדי להציתו.

סקירת שיטות ההצתה ספציפית: כליאה כבידתית (כוכב טהור מדאוטריום יזדקק למסה של צדק); כליאה מגנטית בטוקמק; כליאה אינרציאלית, עם תיאור של המתקן הלאומי להצתה (NIF) בליברמור: תא ואקום במשקל 287,000 ליברות ובקוטר 10 מטרים, גלולת D-T של 2 מ"מ ו-4 מגה-ג'אול של אנרגיית לייזר, שפחות מ-10% ממנה מגיעה אל המעטפת; ומוקד הפלזמה הצפוף (DPF), שגם ב-10 פולסים בשנייה והמרה מלאה יפיק, לפי חישוב המחבר, 280 ואט בלבד. ההיתוך בבועות קוויטציה וההיתוך במתכות רוויות דאוטריום מתוארים כשיטות שביצועיהן "very poor" ו"low".

פרק 3 הוא לב המסמך. איור 9 מונה שמונה תגובות אל-נייטרוניות, ובהן דאוטריום-הליום-3 (פרוטון של 14.7 MeV וגרעין הליום של 3.6 MeV), הליום-3 עם הליום-3, פרוטון-ליתיום-6 ופרוטון-בורון-11, שמפיקה שלושה גרעיני הליום ו-8.7 MeV (איור 10). הליום-3 נדיר בכדור הארץ; המסמך מעריך שיש יותר ממיליון טון ממנו ברגוליט של הירח. לכן בורון-11, המהווה 80.1% מהבורון הטבעי, ולצדו ליתיום-6 (7.5% מהליתיום), הם המועמדים המעשיים. המחבר מביא את "קריטריון לוסון" משנת 1955 כמדד להשוואה: 34 ל-D-T, 0.43 ל-D-He3, 0.005 ל-p-Li6 ו-0.014 ל-p-B11. אבל טמפרטורות היונים הנדרשות ל-p-Li6 ול-p-B11 הן 800 ו-300 keV, לעומת 50 keV ל-D-T. בעיה נוספת היא קרינת בלימה (bremsstrahlung): קרני רנטגן שנפלטות כשאלקטרונים מהפלזמה פוגעים בדפנות ומקררות אותה.

אנטי-חומר, פרויקטים ומנוע ה-QED של בוסארד

פרק 4, קצר, משמש נקודת השוואה. אנטי-חומר הוא הדלק הצפוף ביותר: הדחף הסגולי המנורמל למהירות האור (Isp/c) הוא 1 לאיון אלקטרון-פוזיטרון ו-0.60 לפרוטון-אנטי-פרוטון, לעומת 0.119 להיתוך ו-0.04 לביקוע. עד 10 בחזקת 12 אנטי-פרוטונים נשמרו כבר במלכודות מגנטיות למשך ימים.

פרק 5 סוקר פרויקטים. Project Orion של General Atomics משנות ה-50 המאוחרות, פיצוצים גרעיניים מול לוחית דחיפה, עם דחף סגולי של עד 100,000 שניות ומסע למאדים בארבעה שבועות במקום 12 חודשים; Project Daedalus של האגודה הבין-כוכבית הבריטית (1973 עד 1978), גשושית לכוכב של ברנרד, 5.9 שנות אור, ב-50 שנה ובעד 12% ממהירות האור; Medusa עם "מפרש" לפני המטען; Project Longshot של הצי ו-NASA, שהיה מגיע לאלפא קנטאורי בכ-100 שנה; רכב Discovery II של מרכז גלן של NASA, לצדק ולשבתאי ב-4 עד 6 חודשים; ותכנון משותף של JPL, Rocketdyne ו-Rockwell לכלי במסת שיגור של 6,000 טון שהיה מביא צוות למאדים ב-100 יום.

החלק המסחרי מתמקד בחברת EMC2 מסנטה פה, ניו מקסיקו, של רוברט בוסארד, שעבודתה מומנה לפי המסמך בידי DARPA, NASA והצי. מנוע ה-QED שלה (איור 11) מבוסס על מאיץ Farnsworth-Hirsch, מכשיר כליאה אלקטרוסטטית אינרציאלית שנרשם כפטנט ב-1968: יונים של דאוטריום והליום-3, או של בורון-11, מוזרקים למרכז תא כדורי, והחום מההיתוך משמש לחימום מימן הנפלט דרך נחיר לאבל. המסמך מזכיר גם את צוות המושגים המתקדמים של סוכנות החלל האירופית ואת "Crossfire Fusor", שלפי המסמך היה מאפשר, תיאורטית, מסע לאלפא קנטאורי בשלוש שנים.

שלושים השנים הבאות וחשבון הדלק לכוכבים

פרק 6 נפתח בציטוט של ארתור סי. קלארק משנת 1961: "The short-lived Uranium Age will see the dawn of space flight; the succeeding era of fusion power will witness its fulfillment" (עידן האורניום קצר הימים יראה את שחר הטיסה לחלל; עידן אנרגיית ההיתוך שאחריו יחזה בהגשמתה). אחר כך הוא מנתח ארבע משימות. לשיגור למסלול נמוך נדרשים כ-30 מגה-ג'אול לקילוגרם, וההיתוך פוסל את עצמו מאותה סיבה שפסלה את NERVA: פליטה רדיואקטיבית סמוך לאוכלוסייה. המחבר צופה ששיגור בשלב יחיד למסלול (SSTO) יושג ב-30 השנים הבאות. למאדים: מנוע Hall של 8,000 שניות מפיק 2.5 ניוטון בלבד וצורך 140 קילו-ואט, ולכלי במסת תחנת החלל (370 טון) המסע יימשך ארבע שנים לפחות; מסע של 30 יום, הרצוי כדי להגביל קרינה, ידרוש 10,000 מנועים כאלה ו-1.36 ג'יגה-ואט. לירחי צדק ושבתאי, ההנעה הגרעינית התרמית נותרת לדבריו הבחירה המעשית, בלי "unresolved scientific hurdles", ואילו היתוך בפולסים הוא אפשרות לטווח הרחוק.

נספח B וגיליון החישוב בנספח D מתרגמים את כל זה למספרים. המחבר מניח את מערכת ההנעה האל-נייטרונית של בוסארד, במשקל 14 טון, המחוברת לכלי במסת תחנת החלל הבינלאומית, ודחף סגולי אידיאלי של Isp/c = 0.119. בתאוצה מתונה מאוד של 0.001 g, חצי דרך בהאצה וחצי בהאטה, המסע לפרוקסימה קנטאורי, 4.22 שנות אור, נמשך כ-127 שנה, המהירות המרבית היא כ-6.5% ממהירות האור, ו"Even at this modest acceleration, 85% of the initial mass of the spacecraft will have to be fuel/propellant". אם הדלק מוגבל למחצית ממסת הכלי, המהירות המרבית תהיה 8% ממהירות האור. לשם השוואה, נספח C מחשב שרקטת אנטי-חומר בתאוצה של 0.05 g תגיע לשם ב-18.5 שנה במהירות של 43% ממהירות האור.

כאן מופיע גם הסייג המהותי ביותר. מנוע בוסארד עצמו מדווח על דחף סגולי של 1,500 עד 6,000 שניות בלבד, בהספק של 4.5 עד 8 ג'יגה-ואט, רחוק מאוד מ-3.6 מיליון השניות של ה"מנוע האידיאלי" בטבלה 3. המחבר מונה שלושה אתגרי מחקר ל-20 עד 30 השנים הבאות: הצתה (היתוך p-B11 אמין הודגם לדבריו רק במעבדה, בלייזר פיקו-שנייה, ב-2005 בידי V. S. Belyaev ברוסיה, ודורש 300 keV, כ-3.3 מיליארד מעלות), חומרים שיעמדו בחום ובקרינה, ואלקטרומגנטים של 10 טסלה.

סתירות ומגבלות

המסמך הוא סינתזה של ספרות גלויה, והוא נשען במידה רבה על מאמריו של בוסארד ועל מקורות מקוונים (שתיים מההערות מפנות לוויקיפדיה). קריאה מלאה מגלה כמה אי-התאמות פנימיות שראוי לציין. הדחף הסגולי של VASIMR מופיע כ-30,000 שניות בטבלה 1, כ-5,000 בעמוד 14 וכ-6,000 בטבלה 3, ובטבלה 3 שורת מנוע בוסארד זהה לשורת VASIMR. מנוע Hall מופיע כ-8,000 שניות בטקסט וכ-2,500 בטבלה. אנרגיית ההצתה של D-T מופיעה כ-5 עד 10 keV, כ-50 keV וכ-66 keV במקומות שונים. לגבי קריטריון לוסון נכתב ש"lower values" מעידים על הצתה קלה יותר, אך לפי המספרים עצמם p-B11 היה קל יותר להצתה מ-D-T, בניגוד לטמפרטורות שהמסמך עצמו מביא ולקביעתו בעמוד 43 ש-D-T היא "the easiest fusion reaction to initiate". גיליון החישוב מצהיר על תאוצה של 1 g אך מחשב בפועל עם g/1000. והסעיף שכותרתו "Muon-Catalyzed Fusion" מתאר בפועל החדרת דאוטריום לגבישי מתכת באלקטרוליזה ואינו מסביר את תפקידם של המיואונים.

הנספח האחרון חורג מן ההיתוך אל "תאוריית היים" (Heim Quantum Theory) ו"גרביפוטונים" להנעה בלי פליטת מסה. המחבר מציג זאת בזהירות: יש מעט מאמרים שעברו ביקורת עמיתים, ו"physicists disagree with the formulation of the theory and its results"; ההמלצה היא רק לעקוב אחר העבודה.

משמעות

המסמך משרת בעיקר את תחום ההנעה (propulsion) מבין שנים-עשר התחומים הטכניים של AAWSAP, ובמידה פחותה את ייצור ההספק (המרה ישירה של אנרגיית חלקיקים לחשמל במחולל MHD) ואת ההשפעות על האדם (מיגון הצוות מקרינה). אין בו טענה חריגה או מסווגת: זו סקירה חינוכית של טכנולוגיה מוכרת, והיא מסכמת בגלוי שהמכשול הוא הצתה ושההיתוך "has thwarted the ability for fusion reactors to generate commercial electricity". מעניין שבסוף מסמך העוסק בהיתוך המחבר מעדיף את האנטי-חומר, כי את הטכניקה לקצור ולאחסן כמויות קטנות של אנטי-מימן, כך נכתב, כבר יש.

ההבדל מן החלק השני, DOW-UAP-D146, מהותי: D145 הוא ספר לימוד של מחבר יחיד, עם משוואות, היסטוריה ומבט על משימות בין-כוכביות; D146, מאת שלושה מחברים אחרים, מאורגן סביב שיטות כליאת פלזמה, ארכיטקטורות הנעה ויישומים לפי טווח, ורואה את השימוש הקרוב ביותר בהנעה חשמלית עתירת הספק לוויינים ולחלליות ולא בטיסה בין-כוכבית. המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תצפיות כלשהן.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Aneutronic fusion promises to be an important mechanism for future space propulsion, although novel accelerator or laser systems must be researched and developed in order to initiate, sustain, and control the fusion reaction." (ההיתוך האל-נייטרוני מבטיח להיות מנגנון חשוב להנעה עתידית בחלל, אם כי יש לחקור ולפתח מערכות מאיצים או לייזרים חדשניות כדי להצית, לקיים ולשלוט בתגובת ההיתוך.) -- עמוד 8

"The point here is that for spaceflight to anywhere other than near destinations, our present rocket technology is insufficient." (העיקר כאן הוא שלטיסה בחלל לכל יעד שאינו קרוב, טכנולוגיית הרקטות הנוכחית שלנו אינה מספיקה.) -- עמוד 10

"While fusion reactors have the potential to produce incredible amounts of energy from relatively inexpensive fuel (deuterium, tritium, helium-3), the problems of initiating, controlling, and sustaining the fusion reaction remain unsolved." (אף שלכורי היתוך יש פוטנציאל להפיק כמויות אנרגיה מדהימות מדלק זול יחסית, דאוטריום, טריטיום והליום-3, בעיות ההצתה, השליטה והקיום של תגובת ההיתוך נותרו בלתי פתורות.) -- עמוד 22

"Fusion reactors for the production of electricity have been a goal for over 50 years, yet no method has yet achieved 'break even,' where the amount of energy generated by fusion exceeds the energy required to initiate the fusion process." (כורי היתוך להפקת חשמל הם יעד כבר יותר מ-50 שנה, אך אף שיטה עדיין לא השיגה 'איזון', שבו כמות האנרגיה שמפיק ההיתוך עולה על האנרגיה הנדרשת להצתתו.) -- עמוד 24

"Even at this modest acceleration, 85% of the initial mass of the spacecraft will have to be fuel/propellant." (גם בתאוצה מתונה זו, 85% מהמסה ההתחלתית של החללית יצטרכו להיות דלק או חומר הנעה.) -- עמוד 42

"Among the various aneutronic fusion propulsion technologies developed, Robert Bussard and his colleagues appear to have the best developed proposals." (מבין טכנולוגיות ההנעה בהיתוך אל-נייטרוני שפותחו, נראה כי לרוברט בוסארד ועמיתיו יש ההצעות המפותחות ביותר.) -- עמוד 37

"Antimatter engines are a more promising technology, since the technique to harvest and store small amounts of antihydrogen already exists." (מנועי אנטי-חומר הם טכנולוגיה מבטיחה יותר, משום שהטכניקה לקצור ולאחסן כמויות קטנות של אנטי-מימן כבר קיימת.) -- עמוד 37

"There are few peer-reviewed articles on Heim Quantum Theory, and physicists disagree with the formulation of the theory and its results." (יש מעט מאמרים שעברו ביקורת עמיתים על תאוריית הקוונטים של היים, ופיזיקאים חולקים על ניסוח התאוריה ועל תוצאותיה.) -- עמוד 45