Nowoczesne silniki rakietowe wykonują dobrą robotę, wprowadzając technologię na orbitę, ale całkowicie nie nadają się do długich podróży kosmicznych. Dlatego od kilkunastu lat naukowcy pracują nad stworzeniem alternatywnych silników kosmicznych, które mogłyby przyspieszyć statki do rekordowych prędkości. Przyjrzyjmy się siedmiu kluczowym pomysłom z tego obszaru.
EmDrive
Aby się ruszyć, musisz się od czegoś odepchnąć - ta zasada jest uważana za jeden z niewzruszonych filarów fizyki i astronautyki. Od czego dokładnie zacząć - od ziemi, wody, powietrza czy strumienia gazu, jak w przypadku silników rakietowych - nie jest tak ważne.
Dobrze znany eksperyment myślowy: wyobraź sobie, że astronauta poleciał w kosmos, ale kabel łączący go ze statkiem kosmicznym nagle pękł i osoba zaczyna powoli odlatywać. Ma tylko skrzynkę z narzędziami. Jakie są jego działania? Prawidłowa odpowiedź: musi wyrzucić narzędzia ze statku. Zgodnie z prawem zachowania pędu, osoba zostanie wyrzucona z instrumentu z dokładnie taką samą siłą jak przyrząd od osoby, więc będzie ona stopniowo przemieszczać się w kierunku statku. To jest odrzutowiec - jedyny możliwy sposób poruszania się w pustej przestrzeni. To prawda, że EmDrive, jak pokazują eksperymenty, ma pewne szanse na obalenie tego niezachwianego stwierdzenia.
Twórcą tego silnika jest brytyjski inżynier Roger Shaer, który w 2001 roku założył własną firmę Satellite Propulsion Research. Konstrukcja EmDrive jest dość ekstrawagancka i ma kształt metalowego kubła, uszczelnionego na obu końcach. Wewnątrz tego wiadra znajduje się magnetron, który emituje fale elektromagnetyczne - takie same jak w konwencjonalnej kuchence mikrofalowej. Okazuje się, że wystarczy, aby wytworzyć bardzo mały, ale dość zauważalny ciąg.
Sam autor wyjaśnia działanie swojego silnika różnicą ciśnień promieniowania elektromagnetycznego na różnych końcach „czerpaka” - na wąskim końcu jest ona mniejsza niż na szerokim. Tworzy to ciąg skierowany w kierunku wąskiego końca. Możliwość takiej pracy silnika była kwestionowana niejednokrotnie, ale we wszystkich eksperymentach instalacja Shaer wykazuje obecność ciągu w zamierzonym kierunku.
Film promocyjny:
Wśród eksperymentatorów, którzy przetestowali łyżkę Shaera, znajdują się organizacje takie jak NASA, Uniwersytet Techniczny w Dreźnie i Chińska Akademia Nauk. Wynalazek był testowany w różnych warunkach, w tym w próżni, gdzie wykazał obecność ciągu 20 mikronawonów.
To bardzo mało w porównaniu z chemicznymi silnikami odrzutowymi. Ale biorąc pod uwagę, że silnik Shaer może pracować tak długo, jak chcesz, ponieważ nie potrzebuje zapasu paliwa (baterie słoneczne mogą zapewnić działanie magnetronu), potencjalnie jest w stanie przyspieszyć statek kosmiczny do ogromnych prędkości, mierzonych jako procent prędkości światła.
Aby w pełni udowodnić osiągi silnika, konieczne jest wykonanie o wiele więcej pomiarów i pozbycie się skutków ubocznych, jakie mogą być generowane np. Przez zewnętrzne pola magnetyczne. Jednak alternatywne możliwe wyjaśnienia nieprawidłowego ciągu silnika Shaer są już przedstawiane, co generalnie narusza zwykłe prawa fizyki.
Na przykład proponuje się wersje, w których silnik może wytwarzać ciąg dzięki interakcji z fizyczną próżnią, która na poziomie kwantowym ma energię niezerową i jest wypełniona stale pojawiającymi się i zanikającymi wirtualnymi cząstkami elementarnymi. Kto w końcu będzie miał rację - autorzy tej teorii, sam Shaer czy inni sceptycy, dowiemy się w najbliższej przyszłości.
Żagiel słoneczny
Jak wspomniano powyżej, promieniowanie elektromagnetyczne wywiera ciśnienie. Oznacza to, że teoretycznie można go przekształcić w ruch - na przykład za pomocą żagla. Tak jak statki z minionych stuleci chwytały wiatr w żagle, tak statek kosmiczny przyszłości złapałby w żagle słońce lub inne światło gwiazd.
Problem polega jednak na tym, że lekkie ciśnienie jest niezwykle małe i maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła. Dlatego, aby był skuteczny, taki żagiel musi być bardzo lekki i bardzo duży. A to zwiększa ryzyko zniszczenia całej konstrukcji, gdy napotka asteroidę lub inny obiekt.
Próby budowy i wystrzelenia słonecznych żaglowców w kosmos już miały miejsce - w 1993 roku Rosja testowała żagiel słoneczny na statku kosmicznym Progress, aw 2010 roku Japonia przeprowadziła udane testy w drodze na Wenus. Ale żaden statek nigdy nie używał żagla jako głównego źródła przyspieszenia. Nieco bardziej obiecująco wygląda pod tym względem inny projekt, żagiel elektryczny.
Żagiel elektryczny
Słońce emituje nie tylko fotony, ale także naładowane elektrycznie cząsteczki materii: elektrony, protony i jony. Wszystkie z nich tworzą tak zwany wiatr słoneczny, który co sekundę przenosi z powierzchni słońca około miliona ton materii.
Wiatr słoneczny rozciąga się na miliardy kilometrów i jest odpowiedzialny za niektóre zjawiska naturalne na naszej planecie: burze geomagnetyczne i zorzę polarną. Ziemia jest chroniona przed wiatrem słonecznym własnym polem magnetycznym.
Wiatr słoneczny, podobnie jak wiatr powietrzny, nadaje się do podróży, wystarczy, że wieją w żagle. Projekt żagla elektrycznego, stworzony w 2006 roku przez fińskiego naukowca Pekka Janhunena, na pozór ma niewiele wspólnego z żaglem słonecznym. Silnik ten składa się z kilku długich, cienkich linek, podobnych do szprych koła bez felgi.
Dzięki wyrzutni elektronowej emitującej przeciwnie do kierunku jazdy kable te uzyskują dodatnio naładowany potencjał. Ponieważ masa elektronu jest około 1800 razy mniejsza niż masa protonu, siła ciągu elektronów nie będzie odgrywać fundamentalnej roli. Elektrony wiatru słonecznego nie są ważne dla takiego żagla. Ale dodatnio naładowane cząstki - protony i promieniowanie alfa - będą odpychane od lin, tworząc w ten sposób ciąg odrzutowy.
Chociaż ten ciąg będzie około 200 razy mniejszy niż w przypadku żagla słonecznego, projektem zainteresowana jest Europejska Agencja Kosmiczna. Faktem jest, że żagiel elektryczny jest znacznie łatwiejszy do zaprojektowania, wyprodukowania, rozmieszczenia i obsługi w kosmosie. Dodatkowo, wykorzystując grawitację, żagiel umożliwia również podróżowanie do źródła wiatru gwiazdowego, a nie tylko od niego. A ponieważ powierzchnia takiego żagla jest znacznie mniejsza niż żagla słonecznego, jest on znacznie mniej podatny na asteroidy i śmieci kosmiczne. Być może w ciągu najbliższych kilku lat zobaczymy pierwsze eksperymentalne statki na elektrycznym żaglu.
Silnik jonowy
Przepływ naładowanych cząstek materii, czyli jonów, emitują nie tylko gwiazdy. Zjonizowany gaz można również wytworzyć sztucznie. Zwykle cząsteczki gazu są elektrycznie obojętne, ale gdy jego atomy lub cząsteczki tracą elektrony, zamieniają się w jony. Taki gaz w swojej całkowitej masie nadal nie ma ładunku elektrycznego, ale jego poszczególne cząstki zostają naładowane, co oznacza, że mogą poruszać się w polu magnetycznym.
W silniku jonowym gaz obojętny (zwykle ksenon) jest jonizowany przez strumień wysokoenergetycznych elektronów. Wybijają elektrony z atomów i uzyskują ładunek dodatni. Ponadto powstałe jony są przyspieszane w polu elektrostatycznym do prędkości rzędu 200 km / s, czyli 50 razy większej niż prędkość wypływu gazu z chemicznych silników odrzutowych. Niemniej jednak nowoczesne silniki jonowe mają bardzo mały ciąg - około 50-100 milinewtonów. Taki silnik nie byłby nawet w stanie ruszyć ze stołu. Ale ma poważny plus.
Duży impuls właściwy może znacznie zmniejszyć zużycie paliwa w silniku. Energia pozyskiwana z baterii słonecznych wykorzystywana jest do jonizacji gazu, dzięki czemu silnik jonowy może pracować bardzo długo - do trzech lat bez przerwy. Przez taki okres będzie miał czas na przyspieszenie statku kosmicznego do prędkości, o których nawet nie śniły silniki chemiczne.
Silniki jonowe wielokrotnie orały rozległość Układu Słonecznego w ramach różnych misji, ale zwykle jako pomocnicze, a nie główne. Obecnie, jako możliwa alternatywa dla silników jonowych, coraz częściej mówi się o silnikach plazmowych.
Silnik plazmowy
Jeśli stopień jonizacji atomów stanie się wysoki (około 99%), wówczas taki zagregowany stan materii nazywamy plazmą. Stan plazmy można osiągnąć tylko w wysokich temperaturach, dlatego zjonizowany gaz jest podgrzewany do kilku milionów stopni w silnikach plazmowych. Ogrzewanie odbywa się za pomocą zewnętrznego źródła energii - paneli słonecznych lub, bardziej realistycznie, małego reaktora jądrowego.
Gorąca plazma jest następnie wyrzucana przez dyszę rakiety, tworząc ciąg dziesięciokrotnie większy niż pędnik jonowy. Jednym z przykładów silnika plazmowego jest projekt VASIMR, który rozwija się od lat 70. ubiegłego wieku. W przeciwieństwie do silników jonowych, silniki plazmowe nie zostały jeszcze przetestowane w kosmosie, ale wiąże się z nimi wielkie nadzieje. To właśnie silnik plazmowy VASIMR jest jednym z głównych kandydatów do załogowych lotów na Marsa.
Silnik Fusion
Ludzie próbowali okiełznać energię syntezy termojądrowej od połowy XX wieku, ale do tej pory nie byli w stanie tego zrobić. Niemniej jednak kontrolowana synteza termojądrowa jest nadal bardzo atrakcyjna, ponieważ jest źródłem olbrzymiej energii pozyskiwanej z bardzo taniego paliwa - izotopów helu i wodoru.
W tej chwili istnieje kilka projektów zaprojektowania silnika odrzutowego na energię syntezy termojądrowej. Za najbardziej obiecujący z nich uważa się model oparty na reaktorze z magnetycznym zamknięciem plazmy. Reaktor termojądrowy w takim silniku będzie bezciśnieniową cylindryczną komorą o długości 100-300 metrów i średnicy 1-3 metrów. Komora powinna być zasilana paliwem w postaci plazmy wysokotemperaturowej, która przy odpowiednim ciśnieniu wchodzi w reakcję syntezy jądrowej. Cewki systemu magnetycznego umieszczone wokół komory powinny zapobiegać kontaktowi plazmy z urządzeniem.
Strefa reakcji termojądrowej znajduje się wzdłuż osi takiego cylindra. Za pomocą pól magnetycznych przez dyszę reaktora przepływa niezwykle gorąca plazma, wytwarzając ogromny ciąg, wielokrotnie większy niż w przypadku silników chemicznych.
Silnik na antymaterię
Cała materia wokół nas składa się z fermionów - cząstek elementarnych o spinie półcałkowitym. Są to na przykład kwarki tworzące protony i neutrony w jądrach atomowych, a także elektrony. Co więcej, każdy fermion ma swoją antycząstkę. Dla elektronu jest to pozyton, dla kwarka - antykwark.
Antycząstki mają taką samą masę i ten sam spin, jak ich zwykli „towarzysze”, różniąc się znakiem wszystkich innych parametrów kwantowych. Teoretycznie antymateria jest zdolna do tworzenia antymaterii, ale jak dotąd nigdzie we Wszechświecie nie zarejestrowano antymaterii. W przypadku nauk podstawowych najważniejsze pytanie brzmi: dlaczego nie istnieje.
Ale w warunkach laboratoryjnych możesz zdobyć trochę antymaterii. Na przykład niedawno przeprowadzono eksperyment porównujący właściwości protonów i antyprotonów przechowywanych w pułapce magnetycznej.
Kiedy antymateria i zwykła materia spotykają się, następuje proces wzajemnego anihilacji, któremu towarzyszy wybuch kolosalnej energii. Jeśli więc weźmiesz kilogram materii i antymaterii, ilość uwolnionej energii, gdy się spotkają, będzie porównywalna z wybuchem "Carskiej Bomby" - najpotężniejszej bomby wodorowej w historii ludzkości.
Ponadto znaczna część energii zostanie uwolniona w postaci fotonów promieniowania elektromagnetycznego. W związku z tym istnieje chęć wykorzystania tej energii do podróży kosmicznych poprzez stworzenie silnika fotonowego, podobnego do żagla słonecznego, tylko w tym przypadku światło będzie generowane przez wewnętrzne źródło.
Aby jednak efektywnie wykorzystać promieniowanie w silniku odrzutowym, konieczne jest rozwiązanie problemu stworzenia „lustra”, które byłoby w stanie odbijać te fotony. W końcu statek musi jakoś odpychać, aby wytworzyć ciąg.
Żaden nowoczesny materiał po prostu nie jest w stanie wytrzymać promieniowania powstającego w przypadku takiej eksplozji i natychmiast wyparuje. W swoich powieściach science fiction bracia Strugatsky rozwiązali ten problem, tworząc „absolutny reflektor”. W prawdziwym życiu nic takiego nie zostało jeszcze zrobione. To zadanie, podobnie jak kwestie tworzenia dużej ilości antymaterii i jej długoterminowego przechowywania, jest sprawą fizyki przyszłości.