Moderne rakettmotorer gjør en god jobb med å sette teknologien i bane, men de er helt uegnet for lang romfart. Derfor har forskere i mer enn et dusin år jobbet med å lage alternative rommotorer som kan akselerere skip til rekordhastigheter. La oss se på syv sentrale ideer fra dette området.
EmDrive
For å flytte, må du skyve av fra noe - denne regelen regnes som en av de urimelige bærebjelkene i fysikk og astronautikk. Hva du skal starte med fra jord, vann, luft eller en bensinstråle, som for rakettmotorer, er ikke så viktig.
Et kjent tankeeksperiment: tenk deg at en astronaut gikk ut i verdensrommet, men kabelen som koblet ham til romfartøyet brøt plutselig og personen begynner å fly langsomt bort. Alt han har er en verktøykasse. Hva er hans handlinger? Riktig svar: han trenger å kaste verktøy fra skipet. I henhold til loven om bevaring av fart, vil personen bli kastet bort fra instrumentet med nøyaktig samme kraft som instrumentet fra personen, slik at han gradvis vil bevege seg mot skipet. Dette er jet thrust - den eneste mulige måten å bevege seg i tomt rom. Riktignok har EmDrive, som eksperimenter viser, noen sjanser til å tilbakevise denne urokkelige uttalelsen.
Skaperen av denne motoren er den britiske ingeniøren Roger Shaer, som grunnla sitt eget selskap Satellite Propulsion Research i 2001. Utformingen av EmDrive er ganske ekstravagant og er en metallbøtte i form, forseglet i begge ender. Inni denne bøtta er en magnetron som avgir elektromagnetiske bølger - det samme som i en vanlig mikrobølgeovn. Og det viser seg å være nok til å skape en veldig liten, men ganske merkbar skyvekraft.
Forfatteren forklarer selv driften av motoren sin gjennom trykkforskjellen til elektromagnetisk stråling i forskjellige ender av "bøtta" - i den smale enden er den mindre enn ved den brede. Dette skaper et skyver rettet mot den smale enden. Muligheten for en slik motoroperasjon har blitt utfordret mer enn en gang, men i alle eksperimenter viser Shaer-installasjonen tilstedeværelsen av skyvekraft i den tiltenkte retningen.
Salgsfremmende video:
Eksperimenter som har testet Shaers bøtte inkluderer organisasjoner som NASA, Det tekniske universitetet i Dresden og det kinesiske vitenskapsakademiet. Oppfinnelsen ble testet under en rekke betingelser, inkludert i et vakuum, der den viste tilstedeværelsen av en skyvekraft på 20 mikronton.
Dette er veldig lite i forhold til kjemiske jetmotorer. Men gitt at Shaer-motoren kan fungere så lenge du vil, siden den ikke trenger tilførsel av drivstoff (solbatterier kan gi magnetronen til å fungere), er den potensielt i stand til å akselerere romfartøyet til enorme hastigheter, målt som en prosentandel av lysets hastighet.
For å bevise motorens ytelse fullt ut, er det nødvendig å utføre mange flere målinger og bli kvitt bivirkninger som for eksempel kan genereres av eksterne magnetfelt. Imidlertid blir det allerede fremmet alternative mulige forklaringer på den unormale skyvekraften til Shaer-motoren, noe som generelt bryter de vanlige fysikkens lover.
For eksempel blir det fremført versjoner om at motoren kan skape skyvekraft på grunn av sin interaksjon med et fysisk vakuum, som på kvantnivå har energi uten null og er fylt med konstant nye og forsvinnende virtuelle elementære partikler. Hvem vil ha rett til slutt - forfatterne av denne teorien, Shaer selv eller andre skeptikere, vil vi finne ut av i nær fremtid.
Solseil
Som nevnt over utøver elektromagnetisk stråling trykk. Dette betyr at det i teorien kan konverteres til bevegelse - for eksempel ved hjelp av et seil. Akkurat som skipene fra de siste århundrene fanget vinden i seilene sine, ville fremtidens romfartøy fange solen eller noe annet stjernelys i seilene.
Problemet er imidlertid at letttrykket er ekstremt lite og avtar med økende avstand fra kilden. For å være effektiv, må et slikt seil være veldig lett og veldig stort. Og dette øker risikoen for ødeleggelse av hele strukturen når den møter en asteroide eller en annen gjenstand.
Forsøk på å bygge og lansere solseilskuter ut i verdensrommet har allerede funnet sted - i 1993 testet Russland solseilet på Progress-romfartøyet, og i 2010 gjennomførte Japan vellykkede tester på vei til Venus. Men ikke et eneste skip har noen gang brukt seilet som sin primære kilde til akselerasjon. Et annet prosjekt, et elektrisk seil, ser noe mer lovende ut i så måte.
Elektrisk seil
Solen avgir ikke bare fotoner, men også elektrisk ladede partikler av materie: elektroner, protoner og ioner. Alle av dem danner den såkalte solvinden, som frakter solens overflate omtrent en million tonn stoff hvert sekund.
Solvinden sprer seg over milliarder av kilometer og er ansvarlig for noen naturfenomener på planeten vår: geomagnetiske stormer og nordlyset. Jorden er beskyttet mot solvinden av sitt eget magnetfelt.
Solvinden, som luftvinden, er ganske egnet for reise, du trenger bare å få den til å blåse i seilene. Prosjektet med det elektriske seilet, opprettet i 2006 av den finske forskeren Pekka Janhunen, har ytre lite til felles med solenergien. Denne motoren består av flere lange, tynne kabler, lik eikene til et hjul uten felg.
Takket være elektronpistolen som slipper ut mot kjøreretningen, får disse kablene et positivt ladet potensiale. Siden massen til et elektron er omtrent 1800 ganger mindre enn massen til et proton, vil ikke skyvekraften som skapes av elektronene spille en grunnleggende rolle. Elektronene til solvinden er ikke viktig for et slikt seil. Men positivt ladede partikler - protoner og alfastråling - vil bli frastøtt fra tauene, og derved skape jetstrøm.
Selv om dette skyvet vil være omtrent 200 ganger mindre enn for et solseil, er European Space Agency interessert i prosjektet. Faktum er at et elektrisk seil er mye enklere å designe, produsere, distribuere og operere i verdensrommet. I tillegg, ved å bruke tyngdekraften, lar seilet deg også reise til kilden til den stellare vinden, og ikke bare vekk fra den. Og siden overflaten til et slikt seil er mye mindre enn for et solseil, er det mye mindre sårbart for asteroider og romrester. Kanskje får vi se de første eksperimentelle skipene på et elektrisk seil de neste årene.
Ionmotor
Strømmen av ladede partikler av materie, det vil si ioner, slippes ikke bare ut av stjerner. Ionisert gass kan også lages kunstig. Normalt er gasspartikler elektrisk nøytrale, men når dets atomer eller molekyler mister elektroner, blir de til ioner. I sin totale masse har en slik gass fremdeles ikke en elektrisk ladning, men dens individuelle partikler blir ladet, noe som betyr at de kan bevege seg i et magnetfelt.
I en ionemotor ioniseres en inert gass (vanligvis xenon) av en strøm av høyenergi-elektroner. De slår elektroner ut av atomer, og de får en positiv ladning. Videre akselereres de resulterende ionene i et elektrostatisk felt til hastigheter i størrelsesorden 200 km / s, som er 50 ganger større enn frekvensen av gassutstrømning fra kjemiske jetmotorer. Likevel har moderne ion-thrustere en veldig liten skyvekraft - omtrent 50-100 millinewtons. En slik motor ville ikke en gang kunne bevege seg fra bordet. Men han har et alvorlig pluss.
En stor spesifikk impuls kan redusere drivstofforbruket i motoren betydelig. Energi hentet fra solenergibatterier brukes til å ionisere gass, så ionemotoren er i stand til å fungere i veldig lang tid - opptil tre år uten avbrudd. I en slik periode vil han få tid til å akselerere romskipet til hastigheter som kjemiske motorer aldri har drømt om.
Ionmotorer har gjentatte ganger pløyd solsystemets bredde som en del av forskjellige oppdrag, men vanligvis som hjelpemiddel, og ikke som viktigste. I dag, som et mulig alternativ til ionetrustere, snakker de i økende grad om plasma-thrustere.
Plasmamotor
Hvis ioniseringsgraden av atomer blir høy (ca. 99%), kalles en slik sammensatt tilstand av plasma plasma. Plasmatilstand kan bare oppnås ved høye temperaturer, derfor varmes ionisert gass opp til flere millioner grader i plasmamotorer. Oppvarming utføres ved hjelp av en ekstern energikilde - solcellepaneler eller, mer realistisk, en liten atomreaktor.
Det varme plasmaet blir deretter kastet ut gjennom rakettdysen, og skaper skyvekraft titalls ganger større enn for en ionestruster. Et eksempel på en plasmamotor er VASIMR-prosjektet, som har utviklet seg siden 70-tallet av forrige århundre. I motsetning til ionetrustere, er plasma-thrustere ennå ikke testet i verdensrommet, men det er store forhåpninger festet på dem. Det er VASIMR plasmamotor som er en av hovedkandidatene for bemannede flyreiser til Mars.
Fusjonsmotor
Folk har prøvd å temme energien fra termonukleær fusjon siden midten av det tjuende århundre, men så langt har de ikke klart å gjøre dette. Likevel er kontrollert termonukleær fusjon fremdeles veldig attraktiv, fordi det er en kilde til enorm energi hentet fra veldig billig drivstoff - isotoper av helium og hydrogen.
For øyeblikket er det flere prosjekter for design av en jetmotor på energien til termonukleær fusjon. Den mest lovende av dem anses å være en modell basert på en reaktor med magnetisk plasmainneslutning. En termonukleær reaktor i en slik motor vil være et utrykkert sylindrisk kammer som er 100-300 meter langt og 1-3 meter i diameter. Kammeret skal forsynes med drivstoff i form av høytemperaturplasma, som ved tilstrekkelig trykk inngår i en atomfusjonsreaksjon. Spolene til det magnetiske systemet som er plassert rundt kammeret, bør forhindre at dette plasmaet kommer i kontakt med utstyret.
Den termonukleære reaksjonssonen er lokalisert langs aksen til en slik sylinder. Ved hjelp av magnetiske felt strømmer ekstremt varmt plasma gjennom reaktordysen, og skaper et enormt skyvekraft, mange ganger større enn kjemiske motorer.
Antimattermotor
Alt stoffet rundt oss består av fermioner - elementære partikler med halvtalls spinn. Dette er for eksempel kvarker som utgjør protoner og nøytroner i atomkjerner, så vel som elektroner. Dessuten har hver fermion sin egen antipartikkel. For et elektron er dette en positron, for et kvark - et antikvark.
Antipartikler har samme masse og samme spinn som deres vanlige "kamerater", og avviker i tegn til alle andre kvanteparametere. I teorien er antipartikler i stand til å utgjøre antimateria, men hittil har ingen steder i universet blitt registrert antimaterie. For grunnleggende vitenskap er det store spørsmålet hvorfor den ikke eksisterer.
Men under laboratorieforhold kan du få litt antimaterie. For eksempel ble det nylig utført et eksperiment for å sammenligne egenskapene til protoner og antiprotoner som var lagret i en magnetfelle.
Når antimateriell og vanlig materie møtes, oppstår en prosess med gjensidig utslettelse, ledsaget av et spreng av kolossal energi. Så hvis du tar en kilo materie og antimaterie, vil mengden energi som frigjøres når de møtes være sammenlignbar med eksplosjonen av "Tsar Bomb" - den kraftigste hydrogenbomben i menneskehetens historie.
Videre vil en betydelig del av energien frigjøres i form av fotoner av elektromagnetisk stråling. Følgelig er det et ønske om å bruke denne energien til romfart ved å lage en fotonmotor, lik et solseil, bare i dette tilfellet vil lyset bli generert av en intern kilde.
Men for effektivt å bruke strålingen i en jetmotor, er det nødvendig å løse problemet med å lage et "speil" som vil kunne reflektere disse fotonene. Tross alt må skipet på en eller annen måte skyve av for å skape skyvekraft.
Intet moderne materiale tåler rett og slett ikke strålingen som er født i tilfelle en slik eksplosjon og vil umiddelbart fordampe. I sine science fiction-romaner løste Strugatsky-brødrene dette problemet ved å lage en "absolutt reflektor". I det virkelige liv har ingenting lignende blitt gjort ennå. Denne oppgaven, som spørsmålene om å lage en stor mengde antimateriell og dens langsiktige lagring, er en sak for fremtidens fysikk.
