Тяговые установки для ракет могут доставлять технику на орбиту, но не приспособлены для их продолжительного использования в межзвездных треках. Уже много лет ученые пытаются разработать такие классы космических силовых установок, которые смогут позволить космическим кораблям достигать предельных скоростей, приближающихся к скорости света.
Статья освещает семь главных разработок подобных агрегатов.
EmDrive
Для того чтобы начать движение следует осуществить толчок – это основа движения всех материальных объектов. Если взять ракетные силовые установки, то точка, от которой можно оттолкнуться может быть любой: воздух, вода, поверхность земли, газовая струя. Чтобы понять общий принцип можно представить астронавта в открытом космосе, у которого порвался трос, который связывает его с орбитальной станцией. Астронавт начинает плавно удаляться от станции. Единственное что у него осталось – обрывок троса и сумка с инструментами. Что он может предпринять в такой ситуации?
Как это ни парадоксально, но ему нужно бросать в сторону от станции инструменты. Это напрямую связано с законом сохранения импульса. Астронавт отлетит от инструмента с такой же силой, как и инструмент от самого астронавта. Получив импульс от броска, он плавно полетит обратно к станции. Это эффект реактивной тяги, она является единственным возможным способом перемещения в космосе.
У EmDrive есть много шансов, хотя некоторые проведенные опыты позволят оспорить перспективность данной разработки. Создал его английский инженер-разработчик Роджер Шаер, который в 2001 году основал корпорацию Satellite Propulsion Research. Задумка достаточно оригинальная, она представлена в виде формы обыкновенного ведра, которое герметично запаяно с двух сторон. Во внутренней части его установлен магнетрон, испускающий волны электромагнитного спектра (аналогичные излучению микроволновки). Полученного излучения хватит для того, чтобы получить тягу. Изобретатель описывает работу своего силового агрегата, как разницу в показателях давления электромагнитного спектра с обоих сторон «ведра» (в узкой части оно значительно ниже, чем в широкой части). Это способствует созданию тяги, которая направлена в узкую часть «ведра». Вокруг этого агрегата было много споров, но в результате проведенных опытов агрегат Шаера всегда демонстрировал присутствие реактивной тяги в определенном направлении.
Технологию Шаера использовали в своих опытах NASA, в Техническом университете Дрездена и в Китайской академии наук. Тестирование агрегата проводилось в различных условиях, тест в вакууме позволил достичь тяги в 20 мкН. Но, если сравнить эти цифры с показателями топливного реактивного агрегата, то они будут очень маленькими, однако, если учесть, что агрегат Шаера может функционировать практически бесконечно, по причине того, что не нужен запас топлива. Функционирование магнетрона может обеспечить солнечная батарея, благодаря вышеописанным качествам агрегат способен разогнать космолет до огромной скорости, которую можно измерить в процентном соотношении к скорости света.
Для того чтобы окончательно подтвердить эффективность агрегата и убрать все непредвиденные эффекты от воздействия внешних магнитных полей, нужно сделать еще очень много. Некоторые ученые дают совершенно другое объяснение такой аномальной тяги агрегата Шаера, которое противоречит земным законам физики.
Как образец приводится версия, при которой агрегат вырабатывает тягу от соприкосновения с вакуумом, который наполнен регулярно обновляющимися виртуальными элементарными частицами, имеющим на уровне квантов положительный энергетический заряд. Будущие исследования покажут, чья модель лучше подойдет для создания подобной бесконечной тяги.
Межзвездный двигатель по типу солнечного паруса
Из вышеприведенного материала стало ясно, что электромагнитные волны способны оказывать давление, а его в свою очередь можно преобразовать в движение, используя модель парусника. Корабли прошлых веков ловили своими парусами обычный ветер, а звездолет будет ловить своим парусом лучи от звезд и другие излучения. Но сложность в том, что свет оказывает совсем небольшое давление, которое ещё в придачу уменьшается при удалении от источника излучения. Максимальная эффективность такого способа получится, если создать парус с маленьким весом и максимально большой площадью, однако, это также повысит риск его повреждения от случайного астероида, метеора и других объектов.
Подобные парусники уже запускались в космическое пространство:
первый раз это было в 1993 году, пробную модель тестировали на Российском корабле «Прогресс»;
во второй раз в 2010 году Япония осуществила удачный эксперимент, отправив к Венере станцию с солнечным парусом.
Тем не менее, этот парус ещё не использовался, как основной источник тяги. Больше надежд ученые возлагают на его «собрата» - на электронный парус.
Межзвездный двигатель по типу электрического паруса
Помимо фотонов звезды выделяют заряженные частицы: ионы, электроны, протоны. Благодаря им возникает солнечный ветер, который каждую секунду уносит со звезды почти миллион тон звездной материи. Этот ветер разносится в космическом пространстве на миллиарды километров, благодаря ему на земле возникают геомагнитные бури, сияет северное сияние, ионизируется атмосфера (что способствует отражению радиолучей от ионосферы, создавая волноводы на огромные расстояния).
Чтобы солнечный ветер не сдул всю атмосферную оболочку с земли, существует магнитное поле земного шара. Обыкновенный земной ветер очень схож с солнечным, поэтому его можно использовать для межзвездных странствий. Проблема только в том, как принудить его дуть в парус. Финский исследователь Пеккой Янхунен в 2006 году изобрел проект подобного паруса, он визуально мало схож с солнечным.
Его можно представить в виде велосипедного колеса без обода, многочисленные длинные тонкие тросы, соединенные в середине на одной оси. Специальная электронная пушка излучает в противоположную сторону относительно следования корабля, благодаря чему тросы заряжаются, приобретая плюсовой заряд. Из-за низкой массы электронов (в 1800 раз меньше, чем у протона) тяга от них будет незначительной, а вот для частицы с положительным зарядом: протоны и альфа частицы создадут основную движущую тягу корабля.
Тяга его в двести раз меньше, чем у солнечного паруса и, казалось бы, он неперспективен, однако, в Европейском космическом агентстве заинтересовались именно этим проектом. А все только лишь потому, что его намного легче сделать, вывести в космос и использовать.
Но у такого паруса есть еще другие преимущества – полет возможен, как от источника солнечного ветра, но и по направлению к нему. Помимо того из-за небольшой площади паруса, повредить его астероидом, метеорами, мусором значительно сложнее.
Вероятно, что первые эксперименты с применением подобных парусов на космических кораблях будут проведены в ближайшем десятилетии.
Ионный двигатель
Не только звезды могут выделять потоки заряженных ионов, в искусственных условиях можно получить ионизированный газ. Ионы образуются только в том случае, когда молекулы и атомы утрачивают электроны, но стоит отметить, что в условиях равновесия газовые частицы нейтральны. Газ неоднородно наэлектризован, заряженные частицы совершают движение в магнитных полях. Если взять для примера силовой ионный агрегат, то в качестве газа там применяется инертный ксенон, ионизируется он благодаря потоку сильно заряженных электронов. Они атакуют атомы газа, в итоге из них выбиваются электроны с плюсовым зарядом. Затем ионы получают ускорение до 200 км/сек. за счет воздействия электростатического поля. Следует отметить, что такая скорость в пятьдесят раз превышает скорость газов в реактивных топливных установках.
Тяга таких агрегатов не превышает и 100 мкН, что не позволит ему сместиться с места, однако, у него есть преимущество – благодаря большому удельному импульсу сильно сокращаются затраты горючего в агрегате.
На ионизацию газа задействуется энергия, которая вырабатывается в солнечных батареях, благодаря чему поддерживается длительное функционирование агрегата (3 года). Этого времени ему вполне достаточно, чтобы звездолет смог достичь предельно высоких скоростей, многократно превышающих скорости топливных двигателей.
Подобные силовые установки уже применялись в открытом космосе, они входили в состав различных исследовательских миссий, как правило, они использовались только, как вспомогательные узлы.
На сегодняшний день появились агрегаты, схожие по принципу действия с ионными, но только работают они на плазме.
Плазменный двигатель
Когда атомы ионизируются под воздействием сверхвысоких температур (от 1000000 C и выше) до крайних пределов (около 98%), то они превращаются в плазму. Для разогрева используют внешние источники питания: солнечную батарею или мини ядерный реактор. По принципу действия такого агрегата происходит выброс горячей плазмы из сопла корабля, что создает тягу, которая в десятки крат выше, чем в ионном агрегате.
Самым известным агрегатом, работающим по принципу плазмы, стал проект VASIMR, разработка его началась еще в 1970 году. Несмотря на все теоретические преимущества, подобная установка ещё не была испытана в открытом космосе, однако, все ученые возлагают на него большие надежды. Стоит отметить, что подобный силовой агрегат является первым кандидатом на установку в космический корабль, который полетит на Марс с космонавтами на борту.
Термоядерный двигатель
Контролировать энергию термоядерного синтеза ученые пробуют уже с конца прошлого века, тем не менее, все попытки приводят к провалу. Как бы там ни было, но управление колоссальной энергией термоядерного распада откроет перед человечеством огромные возможности, а особенно в космонавтике и покорении дальних космических горизонтов. А получить эту энергию можно из недорого топлива: водорода и изотопов гелия. На данный момент разработаны различные виды подобных агрегатов, из них главным фаворитом является модель, в которой реактор работает на основе магнитного удержания плазмы. Реактор в данном агрегате будет иметь камеру цилиндрической формы, длина ее будет составлять до 300 метров, а диаметр 100-300 см.
Принцип работы заключается в том, что в камеру проводится подача топлива, (высокотемпературная плазма). Достигнув определенного давления, инициируется реакция ядерного синтеза. А чтобы начавшийся синтез не разрушил камеру и привел к взрыву, вокруг камеры создается мощное магнитное поле, которое предотвращает контакт с корпусом. Сама зона активного деления будет находиться посередине камеры агрегата, вдоль оси цилиндра. Помимо барьерной функции магнитное поле заставляет горячую плазму выходить в сопло, что позволяет создать гигантскую реактивную тягу, которая многократно превышает тягу у топливных агрегатов.
Двигатель на антиматерии
По теории фермионы – это элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, и вся материя в окружающем мире состоит из таких частиц. Для образца можно привести частичку кварк или электрон, которая является составной частью атомного ядра протонов и нейтронов. Каждый фермион обладает своей античастицей. В случае с электроном – позитрон, в случае с кварком – антикварк. Античастица обладает той же массой и спином, что и ее антиподы, отличие только в знаке заряда и других квантовых характеристик. Ученые предполагают, что из античастиц может образовываться антиматерия (вещество), однако, в реальности его в окружающей среде и в космическом пространстве найдено не было. Фундаментальная наука не может объяснить причину отсутствия антивещества в природе и вселенной. Но при этом лабораторным путем было получено совсем небольшое его количество. Можно привести пример с опытом, в ходе которого сравнивались свойства антипротона и протона, полученная антиматерия удерживалась в магнитной ловушке.
Характерная особенность взаимодействия материи с антиматерией - взаимная аннигиляция, которая сопровождается выходом огромного количества энергии.
1 килограмм антиматерии при встрече с килограммом обычной материи выдаст энергию, сравнимую со взрывом термоядерной бомбы (Царь-бомба), которую взорвал на Новой земле председатель СССР Никита Хрущев. Это был самый мощный взрыв на земле за всю историю.
Стоит отметить, что основная доля энергии будет состоять из фотонов электромагнитного спектра.
Всю эту мощь можно применить для межзвездных полетов, создав фотонный двигатель, который аналогичен солнечному парусу, особенностью его будет то, что он будет сам генерировать свет, который послужит реактивной тягой.
Ученые еще не изобрели Парус или зеркало-отражатель для того, чтобы выдержать такие сверхнагрузки от фотонного излучения, да и нет ещё такой точки на земле и в космосе, которая могла бы позволить оттолкнуться такому кораблю, создав при этом реактивную тягу. Сейчас нет таких материалов, которые выдержали бы, образовавшееся при таком взрыве излучение, а те, что есть, моментально испаряются.
Писатели-фантасты Стругацкие в своих книгах писали о «абсолютном отражателе», однако, это всего лишь вымысел, далекий от настоящего положения вещей.
Перед физиками будущего стоит несколько задач:
создать сверхпрочный материал для отражателя;
научиться вырабатывать большое количество антиматерии;
обеспечить ее долгосрочное хранение.
Но, увы, это дело совсем не ближайшего будущего, пожалуй, что только наши внуки смогут познать тайну антиматерии и глубин далекого космоса.
В последние годы мы наблюдаем очень стремительное развитие космической отрасли, и IT занимает далеко не последнее место в ее развитии. Если вы как раз стоите на пороге выбора айти-профессии или хотите прокачать уже имеющиеся навыки, предлагаем ознакомиться со специальным предложением от OTUS. До конца месяца у нас действует скидка на все курсы.
Напишите в чат нашему менеджеру и получите индивидуальное предложение.
ОЗНАКОМИТЬСЯ С ПОЛНЫМ СПИСКОМ КУРСОВ
Интересные статьи
Интересные статьи
