萊頓研究所助理教授弗洛里安-諾伊卡特（Florian Neukart）提出了磁核聚變等離子體驅動器（MFPD）這項新型太空推進方法。這個概念結合了核融合推進、離子推進等技術，可望實現高能量密度和燃料效率。

Florian Neukart 介紹了磁核融合等離子體驅動器，這是一種結合了核融合和離子技術的革命性推進方法。它具有巨大的能量密度和眾多優勢，可以重新定義太空探索，儘管在太空中維持核融合反應仍面臨挑戰。

登月任務、火星任務、外太陽系機器人探索者、最近恆星任務，甚至是追趕穿越我們系統的星際物體的太空船。如果你認為這聽起來像是對即將到來的太空探索時代的描述，那你就對了！目前，已經有多項計劃和建議，將太空人和/或探測器送往所有這些目的地，進行一些有史以來最賺錢的科學研究。自然，這些任務的概況提出了各種挑戰，其中最重要的是推進問題。簡而言之，人類已經達到了傳統（化學）推進器的極限。要將任務送往火星和其他深空目的地，需要先進的推進技術，以提供高加速度（delta-v）、比衝（Isp）和燃料效率。萊頓大學教授弗洛里安-諾伊卡特（Florian Neukart）在最近的一篇論文中提出，未來的飛行任務可以依靠一種被稱為磁聚變等離子體驅動器（MFPD）的新型推進概念。這種裝置結合了不同推進方法的各個方面，創造出一種能量密度高、燃料效率明顯高於傳統方法的系統。人類要如何在有生之年前往最近的恆星系統？圖片來源：沼澤茂美/神匠計劃Florian Neukart 是萊頓大學萊頓高級電腦科學研究所（LIACS）的助理教授，也是瑞士量子技術開發商Terra Quantum AG 的董事會成員。他的論文預印本最近已在網路上發表，目前正在接受愛思唯爾的審稿。為什麼需要先進的推進技術？諾伊卡特認為，能夠超越傳統化學推進（CCP）的技術在當今太空探索時代至關重要。特別是，這些技術必須提供更高的能源效率、推力和執行長時間任務的能力。這對於前往火星和地月系統以外的其他地點的任務尤其如此，因為這些任務對太空人的健康、安全和福祉構成嚴重威脅。即使地球和火星每26 個月最接近一次（火星對沖），單程飛往火星也需要長達9 個月的時間。加上可能長達一年的地面行動和9 個月的回程，火星任務可能長達900 天！在此期間，太空人將暴露在高水平的宇宙輻射和太陽輻射下，更不用說長期處於微重力狀態對身體的傷害了。因此，美國國家航空暨太空總署和其他航太機構正在積極研究其他推進方式。正如上一篇文章《到最近的恆星旅行需要多長時間？它們包括電推進或離子推進等節省燃料的概念，利用電磁場電離惰性推進劑（如氙氣），並透過噴嘴加速以產生推力。不過，這些概念通常產生的推力較小，必須依靠重型電源（太陽能電池陣列或核反應器）才能產生更大的推力。藝術家描繪的飛行中的IKAROS 空間探測器（第一個在行星際空間成功展示太陽帆技術的太空船）。資料來源：Andrzej Mirecki太陽帆是另一種選擇，它可以產生持續的加速度，同時不需要推進劑（從而節省品質）。不過，配備這種技術的飛行任務在推力方面受到限制，而且必須在更靠近太陽的地方運行。這個想法的一個轉折點是採用千兆瓦級（GWe）雷射陣列，將裝有風帆的太空船加速到相對論速度（光速的幾分之一）。然而，這個概念需要昂貴的基礎設施和巨大的能量才能實現。核與聚變推進另一個流行的概念是核熱推進（NTP），美國國家航空暨太空總署（NASA）和美國國防部高級研究計劃局（DARPA）目前正在以”敏捷星月運行示範火箭”（DRACO）的形式開發這種推進器。這種方法依靠核反應器加熱推進劑（如液氫），使其透過噴嘴膨脹產生推力。NTP 的優點包括能量密度高、加速度大，但也面臨許多涉及核子材料處理和發射的技術和安全挑戰。由正電子反應器提供動力的太空船將類似於藝術家構思的火星參考任務太空船。資料來源：美國國家航空暨太空總署還有一些利用核融合反應的推進概念，如氘-氚（DT）和氘-氫3（D-He3）反應，這是理論科學家幾十年來一直在研究的。這些方法提供了獲得大推力和極高比衝的潛力，但也帶來了技術挑戰，其中最主要的挑戰是如何處理必要的燃料以及實現持續和可控的聚變反應。此外，還有一些更奇特的概念，如反物質推進和阿爾庫比耶爾翹曲驅動器，但在可預見的未來都無法實現。紐卡爾特的革命性概念紐卡爾特的建議結合了聚變推進、離子推進和其他概念。正如他透過電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣：“MFPD是一種用於太空探索的推進系統，利用受控核融合反應作為主要能源，既能產生推力，又能產生潛在的電力。該系統的前提是利用核融合反應（通常涉及氫或氦的同位素）產生的巨大能量，產生高速粒子廢氣，從而根據牛頓第三定律產生推力。利用磁場對聚變反應產生的等離子體進行約束和操縱，確保能量釋放的可控性和方向性。同時，MFPD概念還設想了將部分聚變能轉化為電能的可能性，以維持太空船的機載系統和可能的反應控制系統”。低地球軌道雙模核熱火箭的藝術家概念圖。資料來源：美國國家航空暨太空總署為了發展這個概念，紐卡爾特從氘-氚（DT）聚變反應入手，因為它是研究和了解最多的反應之一，為闡述MFPD 的核心原理和力學提供了一個清晰而熟悉的基礎。此外，Neukart 補充說，與其他概念相比，DT 反應的點火溫度相對較低，截面較高，是一個很好的”起點”。因此，它們為測量和比較這種理論推進系統的性能提供了一個有用的基準。然而，MFPD 的最終目標是利用非中子聚變（p-B11），在這種情況下，反應釋放的能量很少由中子攜帶。相反，非中子反應以帶電粒子（通常是質子或α粒子）的形式釋放能量，從而大大降低了所產生的中子輻射水平。多介質分解技術的優勢這種系統的優勢顯而易見，它結合了高比沖和巨大的能量密度，並能從單一能源中提供推力和動力。諾伊克特說，其他優點還包括以下幾點：高比衝力：MFPD 可以提供高比衝力，為太空船帶來巨大的速度變化（delta-v），有助於執行前往遙遠天體的任務。高能量燃料：核融合燃料（如氫的同位素）具有驚人的高能量密度，有可能在不需要大量推進劑的情況下延長任務時間。更低的質量分數： 太空船的設計可能會降低燃料儲存的品質分數，為科學儀器或附加技術提供更多的品質分配。雙重用途： 多用途推進器不僅僅是一個推進系統，它還能為太空船的系統和儀器提供電力，這對長時間飛行任務至關重要。適應性： 有可能調整推力和比衝，為不同的任務階段（如加速、巡航和減速）提供多功能性。縮短旅行時間：更大的持續推力可能會大大縮短前往遙遠目的地的時間，並降低與宇宙輻射照射和機載資源管理有關的風險。輻射屏蔽： 雖然具有挑戰性，但可以設計固有的磁場和物理結構，利用等離子體和磁場為太空船和乘員提供一定程度的輻射屏蔽。獨立於太陽附近： 與太陽帆或太陽能推進器不同，多用途多磁場推進器不依賴與太陽的接近程度；因此，它在外太陽系及更遠的地方執行任務是可行的。核污染風險最小化： 與核-熱或裂變-電概念相比，由於聚變一般需要較少的放射性物質，並有可能使反應器的關閉更加安全，因此可以設計多功能燃料電池，將放射性污染的風險降至最低。影響與挑戰至於該系統對太空探索的影響，Nuekart 強調，它能夠在更短的時間內穿越遙遠的宇宙距離，擴大任務範圍（快速穿越太陽係其他行星和星際任務），降低長期太空任務的風險（暴露於輻射和微重力），透過同時提供推進力和電力徹底改變太空船的設計，並增強人類的探索能力。除此之外，他還預見材料科學、等離子物理學和能源生產的技術衍生潛力，這些技術在地球上也有應用。該系統的發展也能促進國際合作，將多個領域的專家和資源匯聚在一起，實現共同的探索目標。當然，如果沒有一些注意事項和附錄，任何下一代技術提案都是不完整的。例如，努埃卡特說，MFPD推進技術的主要挑戰在於實現和維持太空中穩定的聚變關係。在地球上，研究人員已經在磁性約束（MCF）和慣性約束聚變（ICF）方面取得了相當大的進展。前者涉及託卡馬克反應堆，利用磁場以等離子體的形式限制聚變，後者則依靠雷射壓縮和加熱DT 燃料片。然而，類似的實驗還沒有在太空中進行過，因此人們對該系統如何處理反應產生的熱量、由此產生的輻射以及對太空船結構的影響產生了疑問。儘管如此，太空核試驗（前述的DRACO 演示器）已經開始啟動。鑑於核融合推進技術的優勢，它不可能在圖紙上停留太久。努埃卡特說，最終，多燃料推進器的研究旨在建立一條通往星際和（有朝一日）星際探索的道路：「不可否認，在實現多介質催化分解概念的過程中，會遇到重重挑戰和科學障礙，但潛在的回報是巨大的。實現可靠、有效和高效的聚變推進可以重新定義可實現目標的界限，推動人類進入探索、發現和了解宇宙的新時代。希望這項研究能為全球的科學家、工程師和探險家播下好奇、創新和決心的種子，為我們在星際中的未來指明方向」。改編自最初發表在《今日宇宙》上的一篇文章。