Съвременните ракетни двигатели се справят добре с пускането на технологията в орбита, но са напълно неподходящи за дълги космически пътувания. Затова в продължение на повече от десетина години учените работят върху създаването на алтернативни космически двигатели, които биха могли да ускорят корабите до рекордни скорости. Нека да разгледаме седем ключови идеи от тази област.
EmDrive
За да се движите, трябва да се отблъснете от нещо - това правило се счита за един от непоклатимите стълбове на физиката и космонавтиката. От какво точно да започнем - от земя, вода, въздух или струя газ, както в случая с ракетните двигатели - не е толкова важно.
Добре известен мисловен експеримент: представете си, че астронавт отиде в космоса, но кабелът, който го свързва с космическия кораб, изведнъж се счупи и човекът започва бавно да лети. Всичко, което има, е кутия с инструменти. Какви са неговите действия? Правилен отговор: той трябва да изхвърли инструменти далеч от кораба. Според закона за запазване на инерцията човекът ще бъде изхвърлен от инструмента с абсолютно същата сила като инструмента от човека, така че той постепенно ще се придвижи към кораба. Това е реактивна тяга - единственият възможен начин за придвижване в празно пространство. Вярно е, че EmDrive, както показват експериментите, има някои шансове да опровергае това непоклатимо твърдение.
Създателят на този двигател е британският инженер Роджър Шейър, който основава собствена компания Satellite Propulsion Research през 2001 г. Дизайнът на EmDrive е доста екстравагантен и представлява метална кофа с форма, запечатана от двата края. Вътре в тази кофа е магнетрон, който излъчва електромагнитни вълни - същият като в конвенционална микровълнова печка. И се оказва достатъчно, за да създадете много малка, но доста забележима тяга.
Самият автор обяснява работата на двигателя си чрез разликата в налягането на електромагнитното излъчване в различни краища на "кофата" - в тесния край е по-малко, отколкото в широкия. Това създава тяга, насочена към тесния край. Възможността за подобна работа на двигателя е била оспорвана повече от веднъж, но във всички експерименти, инсталацията Shaer показва наличието на тяга в предвидената посока.
Промоционално видео:
Експериментаторите, които са тествали кофата на Шаер, включват организации като НАСА, Техническия университет в Дрезден и Китайската академия на науките. Изобретението беше тествано в различни условия, включително във вакуум, където показа наличието на тяга от 20 микроневици.
Това е много малко в сравнение с химическите реактивни двигатели. Но като се има предвид, че двигателят на Shaer може да работи толкова дълго, колкото искате, тъй като не се нуждае от доставка на гориво (слънчевите батерии могат да осигурят работа на магнетрона), той е потенциално способен да ускори космическите кораби до огромни скорости, измерени като процент от скоростта на светлината.
За да се докаже напълно работата на двигателя, е необходимо да се извършат много повече измервания и да се отървете от страничните ефекти, които могат да бъдат генерирани, например, от външни магнитни полета. Въпреки това, вече се предлагат алтернативни възможни обяснения за ненормалната тяга на двигателя на Shaer, което по принцип нарушава обичайните закони на физиката.
Например се предлагат версии, че двигателят може да създаде тяга поради взаимодействието си с физически вакуум, който на квантово ниво има ненулева енергия и е изпълнен с постоянно възникващи и изчезващи виртуални елементарни частици. Кой ще бъде прав в крайна сметка - авторите на тази теория, самият Шаер или други скептици, ще разберем в близко бъдеще.
Слънчево платно
Както бе споменато по-горе, електромагнитното излъчване оказва налягане. Това означава, че на теория той може да бъде превърнат в движение - например с помощта на платно. Точно както корабите от миналите векове уловиха вятъра в платната си, космическият кораб на бъдещето щеше да хване слънцето или всяка друга звездна светлина в платната им.
Проблемът обаче е, че светлинното налягане е изключително малко и намалява с увеличаване на разстоянието от източника. Следователно, за да бъде ефективна, такова платно трябва да е много леко и много голямо. А това увеличава риска от разрушаване на цялата структура, когато се натъкне на астероид или друг обект.
Опити за изграждане и изстрелване на слънчеви ветроходни кораби в космоса вече са направени - през 1993 г. Русия тества слънчевото платно на космическия кораб „Прогрес“, а през 2010 г. Япония провежда успешни тестове на път за Венера. Но нито един кораб никога не е използвал платното като основен източник на ускорение. Друг проект, електрическо платно, изглежда малко по-обещаващ в това отношение.
Електрическо платно
Слънцето излъчва не само фотони, но и електрически заредени частици от материята: електрони, протони и йони. Всички те образуват така наречения слънчев вятър, който отнася от повърхността на слънцето около един милион тона материя всяка секунда.
Слънчевият вятър се разпространява на милиарди километри и е отговорен за някои природни явления на нашата планета: геомагнитни бури и северното сияние. Земята е защитена от слънчевия вятър от собственото си магнитно поле.
Слънчевият вятър, подобно на въздушния вятър, е доста подходящ за пътуване, просто трябва да го накарате да духа в платната. Проектът на електрическото платно, създаден през 2006 г. от финландския учен Пекка Янхунен, външно няма много общо със слънчевия. Този двигател се състои от няколко дълги тънки кабела, подобни на спиците на колело без джанта.
Благодарение на електронния пистолет, излъчващ се срещу посоката на движение, тези кабели придобиват положителен зареден потенциал. Тъй като масата на електрон е около 1800 пъти по-малка от масата на протона, тягата, създадена от електрони, няма да играе основна роля. Електроните на слънчевия вятър не са важни за такова платно. Но положително заредените частици - протоните и алфа-лъчението - ще бъдат отблъснати от въжетата, като по този начин ще създадат струйна тяга.
Въпреки че тази тяга ще бъде около 200 пъти по-малка от тази на слънчевото платно, Европейската космическа агенция се интересува от проекта. Факт е, че електрическото платно е много по-лесно да се проектира, произвежда, разполага и работи в космоса. Освен това, използвайки гравитацията, платното също ви позволява да пътувате до източника на звезден вятър, а не само от него. И тъй като повърхността на такова платно е много по-малка от тази на слънчевото платно, то е много по-малко уязвима за астероиди и космически отломки. Може би ще видим първите експериментални кораби на електрическо платно през следващите няколко години.
Йонен двигател
Потокът от заредени частици от материята, тоест йони, се излъчва не само от звезди. Йонизираният газ също може да бъде създаден изкуствено. Обикновено газовите частици са електрически неутрални, но когато неговите атоми или молекули губят електрони, те се превръщат в йони. В общата си маса такъв газ все още няма електрически заряд, но отделните му частици стават заредени, което означава, че могат да се движат в магнитно поле.
В йонния двигател инертен газ (обикновено ксенон) се йонизира от поток високоенергийни електрони. Те избиват електрони от атомите и те придобиват положителен заряд. Освен това получените йони се ускоряват в електростатично поле до скорости от порядъка на 200 km / s, което е 50 пъти по-голямо от скоростта на изтичане на газ от химически реактивни двигатели. Независимо от това, съвременните йонни тласкачи имат много малка тяга - около 50-100 милинеутона. Такъв двигател дори не би могъл да се движи от масата. Но той има сериозен плюс.
Голям специфичен импулс може значително да намали разхода на гориво в двигателя. Енергията, получена от слънчеви батерии, се използва за йонизиране на газ, така че йонният двигател е в състояние да работи много дълго време - до три години без прекъсване. За такъв период той ще има време да ускори космическия кораб до скорости, за които химическите двигатели никога не са мечтали.
Йонните двигатели многократно изорават необятността на Слънчевата система като част от различни мисии, но обикновено като спомагателни, а не основни. Днес, като възможна алтернатива на йонните дросели, все по-често се говори за плазмени дросели.
Плазмен двигател
Ако степента на йонизация на атомите стане висока (около 99%), тогава такова агрегирано състояние на материята се нарича плазма. Плазменото състояние може да се постигне само при високи температури, следователно йонизираният газ се нагрява до няколко милиона градуса в плазмените двигатели. Отоплението се извършва с помощта на външен източник на енергия - слънчеви панели или, по-реалистично, малък ядрен реактор.
След това горещата плазма се изхвърля през ракетния накрайник, създавайки тяга десетки пъти по-голяма от тази на йонна тяга. Един пример за плазмен двигател е проектът VASIMR, който се развива от 70-те години на миналия век. За разлика от йонните дросели, плазмените дросели все още не са тествани в космоса, но големи надежди се полагат върху тях. Именно плазменият двигател VASIMR е един от основните кандидати за полети с пилотиран полет до Марс.
Fusion двигател
Хората се опитват да опитомят енергията на термоядрения синтез от средата на ХХ век, но досега не са успели да направят това. Независимо от това, контролираният термоядрен синтез все още е много привлекателен, тъй като е източник на огромна енергия, получена от много евтино гориво - изотопи на хелий и водород.
В момента има няколко проекта за проектиране на реактивен двигател за енергията на термоядрения синтез. Най-обещаващият от тях се счита за модел, базиран на реактор с магнитна плазма. Термоядрен реактор в такъв двигател ще бъде без налягане, цилиндрична камера с дължина 100-300 метра и диаметър 1-3 метра. Камерата трябва да бъде снабдена с гориво под формата на високотемпературна плазма, която при достатъчно налягане влиза в реакция на ядрен синтез. Намотките на магнитната система, разположени около камерата, трябва да предпазват тази плазма от контакт с оборудването.
Термоядрената реакционна зона е разположена по оста на такъв цилиндър. С помощта на магнитни полета изключително гореща плазма преминава през дюзата на реактора, създавайки огромна тяга, многократно по-голяма от тази на химическите двигатели.
Антиматериален двигател
Цялата материя около нас се състои от фермиони - елементарни частици с полу-цяло число спин. Това са например кваркове, които съставят протони и неутрони в атомни ядра, както и електрони. Освен това всеки фермион има своя собствена античастица. За електрон това е позитрон, за кварк - антикварк.
Античастиците имат същата маса и същото завъртане като обичайните им „другари“, различаващи се по знака на всички други квантови параметри. На теория античастиците са способни да съставят антиматерия, но засега никъде във Вселената не е регистрирана антиматерия. За основната наука големият въпрос е защо тя не съществува.
Но при лабораторни условия можете да получите някаква антиматерия. Например наскоро беше проведен експеримент, който сравнява свойствата на протони и антипротони, които се съхраняват в магнитен капан.
Когато се срещнат антиматерията и обикновената материя, възниква процес на взаимно унищожаване, придружен от изблик на колосална енергия. И така, ако вземем килограм материя и антиматерия, тогава количеството енергия, освободено, когато се срещнат, ще бъде сравнимо с експлозията на „Царската бомба“- най-мощната водородна бомба в историята на човечеството.
Освен това значителна част от енергията ще се отделя под формата на фотони на електромагнитно излъчване. Съответно има желание да се използва тази енергия за космическо пътуване чрез създаване на фотонен двигател, подобен на слънчево платно, само в този случай светлината ще се генерира от вътрешен източник.
Но за да се използва ефективно радиацията в реактивен двигател, е необходимо да се реши проблемът с създаването на „огледало“, което би могло да отразява тези фотони. В крайна сметка корабът трябва по някакъв начин да се изтласка, за да създаде тяга.
Нито един съвременен материал просто не може да издържи на радиацията, възникнала в случай на такава експлозия и незабавно ще се изпари. В своите научнофантастични романи братя Стругацки решават този проблем, като създават „абсолютен отражател“. В реалния живот все още нищо подобно не е направено. Тази задача, подобно на въпросите за създаването на голямо количество антиматерия и дългосрочното й съхранение, е въпрос на физиката на бъдещето.