Šiuolaikiniai raketų varikliai daro gerą darbą, išleisdami technologijas į orbitą, tačiau jie visiškai netinka ilgoms kosmoso kelionėms. Todėl daugiau nei keliolika metų mokslininkai dirbo kurdami alternatyvius kosminius variklius, kurie galėtų pagreitinti laivus iki rekordinio greičio. Pažvelkime į septynias pagrindines šios srities idėjas.
- „Salik.biz“
„EmDrive“
Norėdami judėti, turite atitolti nuo kažko - ši taisyklė laikoma vienu iš nepalaužiamų fizikos ir astronautikos ramsčių. Nuo ko tiksliai pradėti - nuo žemės, vandens, oro ar dujų srovės, kaip raketinių variklių atveju - nėra taip svarbu.
Žinomas minčių eksperimentas: įsivaizduokite, kad kosmonautas išplaukė į kosmosą, tačiau jį su kosminiu laivu jungiantis laidas staiga nutrūko ir žmogus pradeda lėtai skristi. Viskas, ką jis turi, yra įrankių dėžė. Kokie jo veiksmai? Teisingas atsakymas: jam reikia išmesti įrankius iš laivo. Pagal impulsų išsaugojimo įstatymą, žmogus bus išmestas iš instrumento lygiai tokia pačia jėga kaip ir instrumentas, todėl jis pamažu judės laivo link. Tai yra reaktyvinė trauka - vienintelis įmanomas būdas judėti tuščioje vietoje. Tiesa, kaip rodo eksperimentai, „EmDrive“turi keletą šansų paneigti šį nepagražintą teiginį.
Šio variklio kūrėjas yra britų inžinierius Rogeris Shaeris, 2001 m. Įkūręs savo įmonę „Satellite Propulsion Research“. „EmDrive“dizainas yra gana ekstravagantiškas ir yra metalo formos kaušas, užklijuotas abiejuose galuose. Šio kaušo viduje yra magnetronas, skleidžiantis elektromagnetines bangas - tas pats, kaip ir įprastoje mikrobangų krosnelėje. Ir pasirodo, kad to pakanka, kad būtų sukurta labai maža, bet gana pastebima trauka.
Pats autorius savo variklio veikimą aiškina elektromagnetinės spinduliuotės slėgio skirtumu skirtinguose „kaušo“galuose - siauroje jo dalyje jis mažesnis nei plačiame. Tai sukuria trauką, nukreiptą į siaurą galą. Tokio variklio veikimo galimybė buvo ne kartą ginčijama, tačiau visuose eksperimentuose „Shaer“instaliacija rodo, kad trauka yra numatyta kryptimi.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Eksperimentuotojai, išbandę Shaerio kaušą, yra tokios organizacijos kaip NASA, Dresdeno techninis universitetas ir Kinijos mokslų akademija. Išradimas buvo išbandytas įvairiomis sąlygomis, taip pat ir vakuume, kur jis parodė, kad yra 20 mikrotonų trauka.
Tai labai mažai, palyginti su cheminiais reaktyviniais varikliais. Bet, atsižvelgiant į tai, kad „Shaer“variklis gali dirbti tol, kol jums patinka, kadangi jam nereikia tiekti degalų (saulės baterijos gali užtikrinti magnetrono veikimą), jis potencialiai gali pagreitinti erdvėlaivį iki milžiniško greičio, matuojamo kaip šviesos greičio procentas.
Norint visiškai įrodyti variklio veikimą, būtina atlikti dar daugiau matavimų ir atsikratyti šalutinio poveikio, kurį gali sukelti, pavyzdžiui, išoriniai magnetiniai laukai. Vis dėlto jau pateikiami alternatyvūs galimi „Shaer“variklio nenormalios trauka paaiškinimai, kurie iš esmės pažeidžia įprastus fizikos įstatymus.
Pvz., Pateikiamos versijos, kad variklis gali sukurti trauką dėl jo sąveikos su fiziniu vakuumu, kuris kvantiniame lygmenyje turi nulinę energiją ir yra užpildytas nuolat atsirandančiomis ir nykstančiomis virtualiomis elementinėmis dalelėmis. Kas bus teisus pagaliau - šios teorijos autorius, patį Šaerį ar kitus skeptikus sužinosime artimiausiu metu.
Saulės burė
Kaip minėta aukščiau, elektromagnetinė spinduliuotė veikia slėgį. Tai reiškia, kad teoriškai tai galima paversti judėjimu - pavyzdžiui, burės pagalba. Lygiai taip, kaip praėjusių amžių laivai gaudė vėją savo burėse, ateities erdvėlaivis savo burėse sugautų saulę ar bet kurią kitą žvaigždę.
Tačiau problema yra ta, kad šviesos slėgis yra ypač mažas ir mažėja didėjant atstumui nuo šaltinio. Todėl, kad ši burė būtų efektyvi, ji turi būti labai lengva ir labai didelė. Ir tai padidina visos konstrukcijos sunaikinimo riziką susidūrus su asteroidu ar kitu objektu.
Bandymai statyti ir paleisti saulės burlaivius į kosmosą jau buvo įvykdyti - 1993 m. Rusija išbandė saulės burę „Progress“erdvėlaivyje, o 2010 m. Japonija sėkmingai atliko bandymus pakeliui į Venerą. Tačiau nė vienas laivas niekada nebuvo naudojęs burės kaip pagrindinio pagreičio šaltinio. Kitas projektas, elektrinė burė, šiuo atžvilgiu atrodo šiek tiek perspektyvesnis.
Elektrinė burė
Saulė skleidžia ne tik fotonus, bet ir elektriškai įkrautas materijos daleles: elektronus, protonus ir jonus. Visi jie sudaro vadinamąjį saulės vėją, kuris kiekvieną sekundę iš saulės paviršiaus nuneša apie milijoną tonų medžiagos.
Saulės vėjas plinta milijardus kilometrų ir yra atsakingas už kai kuriuos gamtos reiškinius mūsų planetoje: geomagnetines audras ir šiaurinius žiburius. Žemė nuo saulės vėjo yra apsaugota savo magnetiniu lauku.
Saulės vėjas, kaip ir oro vėjas, yra gana tinkamas kelionėms, jums tiesiog reikia priversti jį pūsti burėse. Suomių mokslininko Pekka Janhuneno 2006 m. Sukurtas elektrinės burės projektas išoriškai turi mažai ką bendro. Šį variklį sudaro keli ilgi, ploni kabeliai, panašūs į rato stipinus be ratlankio.
Dėl elektronų pistoleto, skleidžiančio važiavimo kryptį, šie kabeliai įgyja teigiamą įkrovos potencialą. Kadangi elektronų masė yra apie 1800 kartų mažesnė už protono masę, elektronų sukuriama trauka nedarys esminio vaidmens. Saulės vėjo elektronai tokiai buriai nėra svarbūs. Tačiau teigiamai įkrautos dalelės - protonai ir alfa spinduliuotė - bus išstumtos iš virvių, taip sukuriant reaktyvinę jėgą.
Nors ši trauka bus apie 200 kartų mažesnė nei saulės burės, Europos kosmoso agentūra yra suinteresuota projektu. Faktas yra tas, kad elektrinę burę yra daug lengviau projektuoti, gaminti, dislokuoti ir valdyti erdvėje. Be to, naudodamas gravitaciją, burė taip pat leidžia keliauti iki žvaigždžių vėjo šaltinio, o ne tik atokiau nuo jo. Ir kadangi tokios burės paviršiaus plotas yra daug mažesnis nei saulės burės, ji yra daug mažiau pažeidžiama asteroidų ir kosminių šiukšlių. Ko gero, artimiausius kelerius metus pamatysime pirmuosius eksperimentinius laivus elektrinėje burėje.
Joninis variklis
Įkrautų materijos dalelių, tai yra jonų, srautą skleidžia ne tik žvaigždės. Jonizuotas dujas taip pat galima sukurti dirbtinai. Paprastai dujų dalelės yra elektriškai neutralios, tačiau, kai jos atomai ar molekulės praranda elektronus, jos virsta jonais. Bendroje masėje tokios dujos vis dar neturi elektros krūvio, tačiau atskiros jų dalelės tampa įkrautos, vadinasi, jos gali judėti magnetiniame lauke.
Jonų variklyje inertinės dujos (paprastai ksenonas) jonizuojamos didelės energijos elektronų srautu. Jie išmuša elektronus iš atomų ir įgyja teigiamą krūvį. Be to, susidarę jonai elektrostatiniame lauke pagreitėja iki 200 km / s greičio, kuris yra 50 kartų didesnis už dujų srauto iš cheminių reaktyvinių variklių greitį. Nepaisant to, šiuolaikiniai jonų varikliai turi labai mažą trauką - apie 50–100 midawtonų. Toks variklis net negalėtų pakilti nuo stalo. Bet jis turi rimtą pliusą.
Didelis specifinis impulsas gali žymiai sumažinti degalų sąnaudas variklyje. Iš saulės baterijų gaunama energija sunaudojama dujoms jonizuoti, todėl jonų variklis gali dirbti labai ilgą laiką - iki trejų metų be trikdžių. Tokiam laikotarpiui jis turės laiko paspartinti erdvėlaivio greitį, apie kurį cheminiai varikliai niekada nesvajojo.
Jonų varikliai ne kartą plukdė Saulės sistemos platybes kaip įvairių misijų dalį, tačiau dažniausiai kaip pagalbinę, o ne pagrindinę. Šiandien kaip galimą alternatyvą jonų sraigtams vis dažniau kalbama apie plazminius variklius.
Plazminis variklis
Jei atomų jonizacijos laipsnis tampa aukštas (apie 99%), tada tokia agregatinė materijos būsena vadinama plazma. Plazmos būseną galima pasiekti tik esant aukštai temperatūrai, todėl jonizuotos dujos plazmos varikliuose įkaista iki kelių milijonų laipsnių. Šildymas atliekamas naudojant išorinį energijos šaltinį - saulės baterijas arba, realiau tariant, mažą branduolinį reaktorių.
Tada karšta plazma išmetama per raketos purkštuką, sukuriant dešimtis kartų didesnę trauka nei jonų prožektoriaus. Vienas plazmos variklio pavyzdys yra projektas VASIMR, kuris buvo kuriamas nuo praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio. Skirtingai nuo joninių variklių, plazminiai varikliai dar nebuvo išbandyti kosmose, tačiau į juos dedamos didžiulės viltys. Būtent VASIMR plazmos variklis yra vienas iš pagrindinių kandidatų į pilotuojamus skrydžius į Marsą.
Sintezės variklis
Žmonės bandė sutramdyti termobranduolinės sintezės energiją nuo dvidešimtojo amžiaus vidurio, tačiau iki šiol to nepadarė. Nepaisant to, kontroliuojama termobranduolinė sintezė vis dar yra labai patraukli, nes ji yra didžiulės energijos šaltinis, gaunamas iš labai pigių degalų - helio ir vandenilio izotopų.
Šiuo metu yra keletas reaktyvinio variklio, naudojančio sintezės energiją, projektavimo projektų. Perspektyviausiu iš jų laikomas modelis, kurio pagrindą sudaro reaktorius su magnetinės plazmos izoliacija. Termobranduolinis reaktorius tokiame variklyje bus 100–300 metrų ilgio ir 1–3 metrų skersmens neslėgta cilindrinė kamera. Kamera turi būti tiekiama iš aukštos temperatūros plazmos, kuri esant pakankamai slėgiui pradeda branduolio sintezės reakciją. Aplink kamerą esančios magnetinės sistemos ritės turėtų apsaugoti plazmą nuo sąlyčio su įranga.
Termobranduolinės reakcijos zona yra išilgai tokio cilindro ašies. Magnetinių laukų pagalba per reaktoriaus purkštuką teka ypač karšta plazma, sukurianti didžiulę trauka, daug kartų didesnę nei cheminių variklių.
Antimaterinis variklis
Visa aplink mus esanti medžiaga susideda iš fermionų - elementarių dalelių, turinčių pusę sveiko skaičiaus sukimosi. Tai, pavyzdžiui, kvarkai, kurie sudaro protonus ir neutronus atominiuose branduoliuose, taip pat elektronus. Be to, kiekvienas fermionas turi savo antidalelę. Elektronui tai yra pozitronas, kvarkui - antikvaras.
Antidalelės turi tokią pačią masę ir tą patį sukimąsi kaip ir įprasti „draugai“, skiriasi visų kitų kvantinių parametrų ženklu. Teoriškai antidalelės sugeba sudaryti antimateriją, tačiau iki šiol Visatoje dar nebuvo užregistruota antimaterija. Pagrindiniam mokslui kyla didelis klausimas, kodėl jo nėra.
Bet laboratorinėmis sąlygomis galite gauti šiek tiek antimedžiagos. Pavyzdžiui, neseniai buvo atliktas eksperimentas, kuriame buvo palygintos protonų ir antiprotonų, kurie buvo laikomi magnetiniame spąstuose, savybės.
Kai susitinka antimaterija ir įprasta medžiaga, vyksta abipusis sunaikinimo procesas, kurį lydi didžiulė energija. Taigi, jei paimsite kilogramą materijos ir antimaterijos, tada jų išskiriamo energijos kiekis bus panašus į caro bombos - galingiausios vandenilio bombos per žmonijos istoriją - sprogimą.
Be to, nemaža energijos dalis bus išleista elektromagnetinės spinduliuotės fotonų pavidalu. Atitinkamai yra noras panaudoti šią energiją kelionėms kosmose sukuriant fotono variklį, panašų į saulės burę, tik tokiu atveju šviesą generuos vidinis šaltinis.
Bet norint efektyviai panaudoti radiaciją reaktyviniame variklyje, būtina išspręsti „veidrodžio“, kuris galėtų atspindėti šiuos fotonus, sukūrimo problemą. Galų gale, laivas turi kažkaip pasitraukti, kad būtų sukurta trauka.
Nei viena šiuolaikiška medžiaga tiesiog negali atlaikyti radiacijos, kylančios įvykus tokiam sprogimui, ir akimirksniu išgaruos. Savo mokslinės fantastikos romanuose broliai Strugatskai šią problemą išsprendė sukūrę „absoliutų atšvaitą“. Realiame gyvenime dar nieko panašaus nebuvo padaryta. Ši užduotis, kaip ir daugybė antimedžiagos sukūrimo ir jos ilgalaikio saugojimo, yra ateities fizikos reikalas.