莱顿研究所助理教授弗洛里安-诺伊卡特（Florian Neukart）提出了磁核聚变等离子体驱动器（196世界之最MFPD）这一新型太空推进方法。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料效率。

Florian Neukart 介绍了磁核聚变等离子体驱动器，这是一种结合了核聚变和离子技术的革命性推进方法。它具有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仍面临挑战。

登月任务、火星任务、外太阳系机器人探索者、最近恒星任务，甚至是追赶穿过我们系统的星际www.196nk.cn物体的航天器。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，那你就对了！目前，已经有多项计划和建议，将宇航员和/或探测器送往所有这些目的地，进行一些有史以来最赚钱的科学研究。自然，这些任务的概况提出了各种挑战，其中最重要的是推进问题。

简而言之，人类已经达到了传统（化学）推进器的极限。要将任务送往火星和其他深空目的地，需要先进的推进技术，以提供高加速度（delta-v）、比冲（Isp）和燃料效率。莱顿大学教授弗洛里安-诺伊卡特（Florian Neukart）在最近的一篇论文中提出，未来的飞行任务可以依靠一种被称为磁聚变等离子体驱动器（MFPD）的新型推进概念。这种装置结合了不同推进方法的各个方面，创造出一种能量密度高、燃料效率明显高于传统方法的系统。

人类要怎样才能在有生之年前往最近的恒星系统？图片来源：沼泽茂美/神匠计划

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。他的论文预印本最近已在网上发表，目前正在接受爱思唯尔的审稿。

为什么需要先进的推进技术？

诺伊卡特认为，能够超越传统化学推进（CCP）的技术在当今太空探索时代至关重要。特别是，这些技术必须提供更高的能效、推力和执行长时间任务的能力。

这对于前往火星和地月系统以外的其他地点的任务尤其如此，因为这些任务对宇航员的健康、安全和福祉构成严重威胁。即使地球和火星每 26 个月最接近一次（火星对冲），单程飞往火星也需要长达 9 个月的时间。加上可能长达一年的地面行动和 9 个月的回程，火星任务可能长达 900 天！在此期间，宇航员将暴露在高水平的宇宙辐射和太阳辐射下www.196nk.cn，更不用说长期处于微重力状态对身体的伤害了。

因此，美国国家航空航天局和其他航天机构正在积极研究其他推进方式。正如上一篇文章《到最近的恒星旅行需要多长时间？它们包括电推进或离子推进等节省燃料的概念，利用电磁场电离惰性推进剂（如氙气），并通过喷嘴加速以产生推力。不过，这些概念通常产生的推力较小，必须依靠重型电源（太阳能电池阵列或核反应堆）才能产生更大的推力。

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

太阳帆是另一种选择，它可以产生持续的加速度，同时不需要推进剂（从而节省质量）。不过，配备这种技术的飞行任务在推力方面受到限制，而且必须在更靠近太阳的地方运行。这一想法的一个转折点是采用千兆瓦级（GWe）激光阵列，将装有风帆的航天器加速到相对论速度（光速的几分之一）。然而，这一概念需要昂贵的基础设施和巨大的能量才能实现。

核与聚变推进

另一个流行的概念是核热推进（NTP），美国国家航空航天局（NASA）和美国国防部高级研究计划局（DARPA）目前正在以"敏捷星月运行示范火箭"（DRACO）的形式开发这种推进器。这种方法依靠核反应堆加热推进剂（如液氢），使其通过喷嘴膨胀产生推力。NTP 的优点包括能量密度高、加速度大，但也面临着许多涉及核材料处理和发射的技术和安全挑战。

由正电子反应堆提供动力的航天器将类似于艺术家构想的火星参考任务航天器。资料来源：美国国家航空航天局

还有一些利用核聚变反应的推进概念，如氘-氚（D-T）和氘-氢3（D-He3）反应，这是理论科学家几十年来一直在研究的。这些方法提供了获得大推力和极高比冲的潜力，但也带来了技术挑战，其中最主要的挑战是如何处理必要的燃料以及实现持续和可控的聚变反应。此外，还有一些更奇特的概念，如反物质推进和阿尔JWHUSu库比耶尔翘曲驱动器，但在可预见的未来都无法实现。

纽卡尔特的革命性概念

纽卡尔特的建议结合了聚变推进、离子推进和其他概念。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主要能源，既能产生推力，又能产生潜在的电力。该系统的前提是利用核聚变反应（通常涉及氢或氦的同位素）产生的巨大能量，产生高速粒子废气，从而根据牛顿第三定律产生推力。利用磁场对聚变反应产生的等离子体进行约束和操纵，确保能量释放的可控性和方向性。同时，MFPD 概念还设想了将部分聚变能转化为电能的可能性，以维持航天器的机载系统和可能的反应控制系统"。

低地球轨道双模核热火箭的艺术家概念图。资料来源：美国国家航空航天局

为了发展这一概念，纽卡尔特从氘-氚（D-T）聚变反应入手，因为它是研究和了解最多的反应之一，为阐述 MFPD 的核心原理和力学http://www.196nk.cn提供了一个清晰而熟悉的基础。此外，Neukart 补充说，与其他概念相比，D-T 反应的点火温度相对较低，截面较高，是一个很好的"起点"。因此，它们为测量和比较这种理论推进系统的性能提供了一个有用的基准。

然而，MFPD 的最终目标是利用非中子聚变（p-B11），在这种情况下，反应释放的能量很少由中子携带。相反，非中子反应以带电粒子（通常是质子或粒子）的形式释放能量，从而大大降低了所产生的中子辐射水平。

多介质分解技术的优势

这种系统的优势显而易见，它结合了高比冲和巨大的能量密度，并能从单一能源中提供推力和动力。诺伊克特说，其他优势还包括以下几点：

高比冲力：MFPD 可以提供高比冲力，为航天器带来巨大的速度变化（delta-v），有助于执行前往遥远天体的任务。

高能量燃料：核聚变燃料（如氢的同位素）具有惊人的高能量密度，有可能在不需要大量推进剂的情况下延长任务时间。

更低的质量分数： 航天器的设计可能会降低燃料储存的质量分数，为科学仪器或附加技术提供更多的质量分配。

双重用途： 多用途推进器不仅仅是一个推进系统，它还能为航天器的系统和仪器提供电力，这对长时间飞行任务至关重要。

适应性： 有可能调整推力和比冲，为不同的任务阶段（如加速、巡航和减速）提供多功能性。

缩短旅行时间：更大的持续推力可能会大大缩短前往遥远目的地的时间，降低与宇宙辐射照射和机载资源管理有关的风险。

辐射屏蔽： 虽然具有挑战性，但可以设计固有的磁场和物理结构，利用等离子体和磁场为航天器和乘员提供一定程度的辐射屏蔽。

独立于太阳附近： 与太阳帆或太阳能电力推进器不同，多用途多磁场推进器不依赖于与太阳的接近程度；因此，它在外太阳系及更远的地方执行任务是可行的。

核污染风险最小化： 与核-热或裂变-电概念相比，由于聚变一般需要较少的放射性物质，并有可能使反应堆的关闭更加安全，因此可以设计多功能燃料电池，将放射性污染的风险降至最低。

影响与挑战

至于该系统对太空探索的影响，Nuekart 强调，它能够在更短的时间内穿越遥远的宇宙距离，扩大任务范围（快速穿越太阳系其他行星和星际任务），降低长期太空任务的风险（暴露于辐射和微重力），通过同时提供推进力和电力彻底改变航天器的设计，并增强人类的探索能力。

除此之外，他还预见到材料科学、等离子物理学和能源生产方面的技术衍生潜力，这些技术在地球上也有应用。该系统的开发还能促进国际合作，将多个领域的专家和资源汇聚在一起，实现共同的探索目标。

当然，如果没有一些注意事项和附录，任何下一代技术提案都是不完整的。例如，努埃卡特说，MFPD推进技术的主要挑战在于实现和维持太空中稳定的聚变关系。在地球上，研究人员已经在磁约束（MCF）和惯性约束聚变（ICF）方面取得了相当大的进展。前者涉及托卡马克反应堆，利用磁场以等离子体的形式限制聚变，后者则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过，因此人们对该系统如何处理反应产生的热量、由此产生的辐射以及对航天器结构的影响产生了疑问。尽管如此，太空核试验（前述的 DRACO 演示器）已经开始启动。鉴于核聚变推进技术的优势，它不可能在图纸上停留太久。努埃卡特说，最终，多燃料推进器的研究旨在建立一条通往星际和（有朝一日）星际探索的道路：

"不可否认，在实现多介质催化分解概念的过程中，会遇到重重挑战和科学障碍，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、发现和了解宇宙的新时代。希望这项研究能为全球的科学家、工程师和探险家们播下好奇、创新和决心的种子，为我们在星际中的未来指明方向"。

改编自最初发表在《今日宇宙》上的一篇文章。