Moderné raketové motory robia dobrú prácu pri zavádzaní technológie na obežnú dráhu, sú však úplne nevhodné na dlhé cesty do vesmíru. Preto už viac ako desať rokov vedci pracujú na vytvorení alternatívnych vesmírnych motorov, ktoré by mohli zrýchliť lode na rekordné rýchlosti. Pozrime sa na sedem kľúčových myšlienok z tejto oblasti.
EmDrive
Aby ste sa pohli, musíte sa od niečoho vzdialiť - toto pravidlo sa považuje za jeden z neotrasiteľných stĺpov fyziky a astronautiky. Čo presne začať - od zeme, vody, vzduchu alebo prúdu plynu, ako v prípade raketových motorov - nie je také dôležité.
Známy experiment s myšlienkami: predstavte si, že astronaut vošiel do vesmíru, ale kábel, ktorý ho spájal s kozmickou loďou sa náhle zlomil a človek začal pomaly odletieť. Má iba súbor nástrojov. Aké sú jeho činy? Správna odpoveď: musí vyhodiť nástroje z lode. Podľa zákona o zachovaní hybnosti bude osoba vyhodená z nástroja s rovnakou silou ako nástroj od osoby, takže sa bude postupne pohybovať smerom k lodi. Toto je prúd trysky - jediný možný spôsob pohybu v prázdnom priestore. Pravda, EmDrive, ako ukazujú experimenty, má určité šance vyvrátiť toto neotrasiteľné vyhlásenie.
Tvorcom tohto motora je britský inžinier Roger Shaer, ktorý založil svoju vlastnú spoločnosť Satellite Propulsion Research v roku 2001. Dizajn EmDrive je veľmi extravagantný a je to kovový vedro v tvare, utesnené na oboch koncoch. Vnútri tohto vedra je magnetrón, ktorý vyžaruje elektromagnetické vlny - to isté ako v konvenčnej mikrovlnnej rúre. Ukázalo sa, že to stačí na vytvorenie veľmi malého, ale dosť nápadného ťahu.
Samotný autor vysvetľuje činnosť svojho motora prostredníctvom tlakového rozdielu elektromagnetického žiarenia na rôznych koncoch „vedra“- na úzkom konci je menší ako na širokom. Toto vytvára ťah nasmerovaný na úzky koniec. Možnosť takejto činnosti motora bola napadnutá viackrát, ale vo všetkých experimentoch inštalácia Shaer ukazuje prítomnosť ťahu v zamýšľanom smere.
Propagačné video:
Medzi experimentátorov, ktorí testovali vedro spoločnosti Shaer, patria organizácie ako NASA, Technická univerzita v Drážďanoch a Čínska akadémia vied. Vynález bol testovaný v rôznych podmienkach, vrátane vákua, kde bol preukázaný prítlak 20 mikrónov.
To je veľmi málo v porovnaní s chemickými prúdovými motormi. Ale vzhľadom na to, že motor spoločnosti Shaer môže pracovať tak dlho, ako budete chcieť, pretože nepotrebuje prívod paliva (solárne batérie dokážu magnetrónu pracovať), je potenciálne schopný zrýchliť kozmickú loď na obrovské rýchlosti, merané ako percento rýchlosti svetla.
Na úplné preukázanie výkonu motora je potrebné vykonať oveľa viac meraní a zbaviť sa vedľajších účinkov, ktoré môžu byť generované napríklad externými magnetickými poľami. Už sa však predkladajú alternatívne možné vysvetlenia neobvyklého ťahu motora spoločnosti Shaer, čo vo všeobecnosti porušuje zvyčajné fyzikálne zákony.
Navrhujú sa napríklad verzie, ktoré môžu viesť motorom k jeho pôsobeniu na fyzikálne vákuum, ktoré má na kvantovej úrovni nenulovú energiu a je naplnené neustále sa objavujúcimi a zanikajúcimi virtuálnymi elementárnymi časticami. Kto bude mať nakoniec pravdu - autori tejto teórie, samotný Shaer alebo iní skeptici, to zistíme v blízkej budúcnosti.
Slnečná plachta
Ako je uvedené vyššie, elektromagnetické žiarenie vyvíja tlak. To znamená, že sa môže teoreticky premeniť na pohyb - napríklad pomocou plachty. Rovnako ako lode minulých storočí zachytili vietor vo svojich plachtách, kozmická loď budúcnosti zachytila vo svojich plachtách slnko alebo akékoľvek iné hviezdne svetlo.
Problém je však v tom, že svetelný tlak je extrémne malý a so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od zdroja klesá. Aby bola taká plachta účinná, musí byť veľmi ľahká a veľmi veľká. A to zvyšuje riziko zničenia celej štruktúry, keď narazí na asteroid alebo iný predmet.
Pokusy o výstavbu a spustenie solárnych plachetníc do vesmíru sa už uskutočnili - v roku 1993 Rusko otestovalo solárnu plachtu na kozmickej lodi Progress av roku 2010 Japonsko vykonalo úspešné testy na svojej ceste k Venuši. Ale žiadna loď nikdy nepoužila plachtu ako svoj primárny zdroj zrýchlenia. Iný projekt, elektrická plachta, vyzerá v tomto ohľade trochu sľubnejšie.
Elektrická plachta
Slnko vyžaruje nielen fotóny, ale aj elektricky nabité častice hmoty: elektróny, protóny a ióny. Všetky tvoria tzv. Slnečný vietor, ktorý odvádza z povrchu Slnka každú sekundu asi milión ton hmoty.
Slnečný vietor sa šíri na miliardy kilometrov a je zodpovedný za niektoré prírodné javy na našej planéte: geomagnetické búrky a polárne svetlá. Zem je chránená pred slnečným vetrom svojím vlastným magnetickým poľom.
Slnečný vietor, rovnako ako vzdušný vietor, je celkom vhodný na cestovanie, stačí ho nechať vyfúknuť do plachiet. Projekt elektrickej plachty, ktorý v roku 2006 vytvorila fínska vedkyňa Pekka Janhunen, má so solárnou navonok málo spoločného. Tento motor pozostáva z niekoľkých dlhých tenkých káblov podobných lúčom kolesa bez ráfika.
Vďaka elektrónovej puške emitujúcej proti smeru jazdy získavajú tieto káble kladný nabitý potenciál. Pretože hmotnosť elektrónu je asi 1800-krát menšia ako hmotnosť protónu, ťah vytvorený elektrónmi nebude hrať zásadnú úlohu. Elektróny slnečného vetra nie sú pre takúto plachtu dôležité. Pozitívne nabité častice - protóny a alfa žiarenie - sa však odrazia od lán, čím sa vytvorí prúd dýzy.
Aj keď tento ťah bude asi 200-krát nižší ako u solárnej plachty, Európska vesmírna agentúra sa o tento projekt zaujíma. Faktom je, že elektrická plachta je oveľa jednoduchšie navrhnúť, vyrobiť, nasadiť a prevádzkovať vo vesmíre. Okrem toho vám plachta pomocou gravitácie umožňuje cestovať aj ku zdroju hviezdneho vetra a nie len od neho. A keďže povrchová plocha takejto plachty je oveľa menšia ako plocha solárnej plachty, je oveľa menej zraniteľná voči asteroidom a vesmírnym odpadom. V najbližších rokoch možno uvidíme prvé experimentálne lode na elektrickej plachte.
Iónový motor
Tok nabitých častíc hmoty, t. J. Iónov, nie je emitovaný iba hviezdami. Ionizovaný plyn sa môže tiež vytvárať umelo. Normálne sú plynové častice elektricky neutrálne, ale keď ich atómy alebo molekuly stratia elektróny, premenia sa na ióny. Takýto plyn stále nemá elektrický náboj, ale jeho jednotlivé častice sa nabijú, čo znamená, že sa môžu pohybovať v magnetickom poli.
V iónovom motore je inertný plyn (zvyčajne xenón) ionizovaný prúdom elektrónov s vysokou energiou. Vyrazia elektróny z atómov a získajú kladný náboj. Ďalej sa výsledné ióny v elektrostatickom poli zrýchľujú na rýchlosti rádovo 200 km / s, čo je 50-krát vyššia ako rýchlosť odtoku plynu z chemických prúdových motorov. Napriek tomu majú moderné iónové pohony veľmi malý ťah - asi 50 - 100 milinewtonov. Taký motor by sa ani nemohol pohnúť zo stola. Ale má vážne plus.
Veľký špecifický impulz môže významne znížiť spotrebu paliva v motore. Energia získaná zo solárnych batérií sa používa na ionizáciu plynu, takže iónový motor je schopný pracovať veľmi dlho - až tri roky bez prerušenia. Na takú dobu bude mať čas na urýchlenie kozmickej lode na rýchlosti, o ktorých chemické motory nikdy nesnili.
Iónové motory opakovane orali rozsiahlosť slnečnej sústavy ako súčasť rôznych misií, ale zvyčajne ako pomocných, a nie hlavných úloh. Dnes ako možná alternatíva k iónovým tryskám stále viac hovoria o plazmových tryskách.
Plazmový motor
Ak sa stupeň ionizácie atómov zvýši (asi 99%), potom sa taký agregátny stav hmoty nazýva plazma. Plazmový stav je možné dosiahnuť iba pri vysokých teplotách, preto sa ionizovaný plyn v plazmových motoroch zohrieva až na niekoľko miliónov stupňov. Vykurovanie sa vykonáva pomocou externého zdroja energie - solárnych panelov alebo, realisticky, malého jadrového reaktora.
Horúca plazma sa potom vypustí cez trysku rakety, čím sa vytvorí desiatky krát väčší tlak ako iónový hnací plyn. Jedným z príkladov plazmového motora je projekt VASIMR, ktorý sa vyvíja od 70. rokov minulého storočia. Na rozdiel od iónových tryskacích zariadení, plazmové tryskače ešte neboli testované vo vesmíre, sú na nich však veľké nádeje. Je to plazmový motor VASIMR, ktorý je jedným z hlavných kandidátov na lety s posádkou na Mars.
Fúzny motor
Ľudia sa snažili skrotiť energiu termonukleárnej fúzie od polovice dvadsiateho storočia, ale doteraz to nedokázali. Napriek tomu je kontrolovaná termonukleárna fúzia stále veľmi atraktívna, pretože je zdrojom obrovskej energie získanej z veľmi lacného paliva - izotopov hélia a vodíka.
V súčasnosti existuje niekoľko projektov na navrhnutie prúdového motora na energiu termonukleárnej fúzie. Za najsľubnejšie sa považuje model založený na reaktore s magnetickým obmedzením plazmy. Termonukleárny reaktor v takomto motore bude beztlaková valcovitá komora dlhá 100 až 300 metrov a priemerom 1 až 3 metre. Komora by mala byť zásobovaná palivom vo forme vysokoteplotnej plazmy, ktorá pri dostatočnom tlaku vstupuje do reakcie jadrovej fúzie. Cievky magnetického systému umiestnené okolo komory by mali zabrániť tejto plazme v kontakte so zariadením.
Termonukleárna reakčná zóna je umiestnená pozdĺž osi takého valca. S pomocou magnetického poľa prúdi cez dýzu reaktora extrémne horúca plazma, čo vytvára obrovský ťah, mnohokrát väčší ako v prípade chemických motorov.
Antihmotový motor
Celú záležitosť okolo nás tvoria fermiony - elementárne častice s poločíselnou rotáciou. Sú to napríklad kvarky, ktoré vytvárajú protóny a neutróny v atómových jadrách, ako aj elektróny. Okrem toho má každá fólia svoj vlastný antičastíc. Pre elektrón je to pozitrón, pre kvark - antikvark.
Antičastice majú rovnakú hmotnosť a rovnaké točenie ako ich obvyklé „kamaráti“, líšia sa znakom všetkých ostatných kvantových parametrov. Teoreticky sú antičastice schopné tvoriť antihmotu, ale zatiaľ nikde vo vesmíre antihmota nebola zaregistrovaná. V prípade základnej vedy je veľkou otázkou to, prečo neexistuje.
Ale v laboratórnych podmienkach môžete získať antihmotu. Napríklad sa nedávno uskutočnil experiment porovnávajúci vlastnosti protónov a antiprotónov, ktoré boli uložené v magnetickom lapači.
Keď sa stretne antihmota a obyčajná hmota, nastáva proces vzájomného zničenia sprevádzaný výbuchom kolosálnej energie. Ak teda zoberiete kilogram hmoty a antihmoty, množstvo energie uvoľnenej pri ich stretnutí bude porovnateľné s explóziou „cárskej bomby“- najmocnejšej vodíkovej bomby v histórii ľudstva.
Okrem toho bude podstatná časť energie uvoľňovaná vo forme fotónov elektromagnetického žiarenia. V súlade s tým existuje potreba využiť túto energiu na vesmírne cestovanie vytvorením fotónového motora, podobného solárnej plachte, iba v tomto prípade bude svetlo generované vnútorným zdrojom.
Aby však bolo možné efektívne využívať žiarenie v prúdovom motore, je potrebné vyriešiť problém vytvorenia „zrkadla“, ktoré by bolo schopné tieto fotóny odrážať. Koniec koncov, loď sa musí nejako odraziť, aby vytvorila ťah.
Žiadny moderný materiál jednoducho nedokáže odolať žiareniu vzniknutému v prípade takejto explózie a okamžite sa vyparí. Strugatsky bratia vo svojich románoch sci-fi vyriešili tento problém vytvorením „absolútneho reflektora“. V skutočnom živote sa nič také ešte nestalo. Táto úloha, rovnako ako otázky vytvárania veľkého množstva antihmoty a jej dlhodobého skladovania, je záležitosťou fyziky budúcnosti.