7 космических двигателей будущего
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Источник
ОСНОВЫ ФОТОННОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Михаил Пищулин
Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещает осуществление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 50 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.
Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме того, без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических «странников» типа комет, астероидов.
О высокой эффективности УТС свидетельствует положительный баланс в извлечении энергии.
С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 10 12 …10 13 Гс. Такие поля достигаются на стадиях эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.
Создание магнитного поля с индукцией 10 13 Гс
Начиная с 70-х годов прошлого века группа ученых в составе А. Борисова, А. Боровского, В. Коробкина, А. Прохорова и других изучала явление самоканалирования мощных ультракоротких лазерных импульсов в веществе. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г. Аскарьян в 1962 г. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса, составляет величину Р
3·10 11 Вт. Как установлено, обнаруженный нелинейный режим, приводящий к сильной самоконцентрации оптической энергии в малой области, перемещающейся в веществе, открывает интересные перспективы. Одним из возможных приложений является генерация сверхсильных магнитных полей. В ходе экспериментов с конденсированными средами был обнаружен эффект возникновения лазерной ЭДС в металлах. Лазерная ЭДС проявлялась, когда один из торцов металлического кольца (аналог биттеровского) освещали ультракоротким импульсом лазера с мощностью 1…10 МДж. Выбитые лучом лазера с торца электроны переходили на противоположный торец, отчего возникал импульс тока в 50 кА. Возникающее магнитное поле было порядка 10 7 Гс. Диаметр металлического кольца был на уровне нескольких миллиметров (для уменьшения реактивного сопротивления), а длительность лазерного импульса — примерно t =10 -6 с. При большей длительности импульса кольцо расплавится или его разорвет магнитное поле. Но при импульсе в одну микросекунду в нем не возникали даже механические напряжения.
При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме: индукция составляет
Для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить плотность электронов в среде (для металлов
10 23 см -3 ) или увеличить диаметр лазерного луча, сохранив интенсивность излучения. В связи с тем, что повышение интенсивности излучения связано с отдаленной перспективой развития лазерных технологий, целесообразно попытаться увеличить плотность электронов. Для этого необходимо разместить соленоиды, подобные биттеровскому, один за другим. При такой компоновке, если лазерный луч или два луча от разных лазеров будут иметь возможность последовательно и кратковременно освещать эмиссионные торцы соленоидов, то при освещении торца первого соленоида в нем возникнет мощный импульс магнитного поля, который по закону электромагнитной индукции произведет разделение зарядов в соседнем соленоиде. Разделение зарядов означает, что электронная компонента (валентные электроны) под действием пандеромоторной силы выталкиваются из объема металла соленоида на эмиссионный торец. Следовательно, на нем произойдет возрастание электронной плотности. Если в этот момент лазерный луч осветит эмиссионный торец соленоида, то значение лазерной ЭДС возрастет. Как следствие, возрастет и возникающее магнитное поле.
Численные расчеты пандеромоторной силы, действующей на свободные электроны во втором соленоиде вследствие влияния магнитного поля В = 10 7 Гс первого соленоида свидетельствуют о возрастании плотности электронной компоненты на эмиссионной поверхности второго соленоида на семь порядков, т.е. показатель плотности близок к значению 10 30 см -3 . Возросшая плотность будет наблюдаться в слое меньшем, чем глубина скин-эффекта для лазерного излучения. Повышение плотности электронной компоненты позволит подойти к значениям магнитного поля с индукцией порядка
Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения.
Согласно теории, заряженные частицы при движении в магнитном поле могут изменять направление своего движения. Так, они могут вращаться по ларморовской окружности с определенной скоростью (поперечной скоростью), либо, в более сложном случае, центры ларморовских окружностей могут двигаться вдоль силовых линий.
В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах напряженность поля меняется очень мало.
Вакуумное рождение частиц
На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантово-полевые представления о физическом вакууме (ФВ), который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум «мигает» появляющимися полями, «кипит» рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффекте, качественно предсказанном еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон-позитронная пара. Если внешнее электрическое поле способно произвести работу, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Екр
3·10 16 В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.
Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 10 21 Вт/см 2 с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Екр.
В соответствии с кинетическим уравнением (КУ), описывающим нестационарное вакуумное рождение частиц, которое было теоретически обосновано в 1997 г. физиками-теоретиками из разных стран, процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интегродифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.
Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутреннее поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, а это значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Екр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано А.А. Соколовым, Н.П. Клепиковым и И.М. Терновым в 1953 г., Ю. Швингером в 1954 г. которые получили следующий результат для потребной магнитной индукции так называемого Швингеровского поля
Известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути, не меняя ее скорости. Сила Лоренца не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, в связи с чем появляется возможность использования порогового эффекта по частоте для виртуальных частиц, рождаемых в вакууме, поскольку при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар m·с 2 перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности.
Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку Вкр = 10 13 Гс. Следовательно, в таком поле энергия кратковременно появившихся из вакуума частиц m·c 2 перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. В режиме «замагничивания» движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет невозможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим «замагничивания» позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь, наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождения из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар, которые также подвергнутся «замагничиванию». Такой множественный и последовательный процесс рождения и «замагничивания» будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник