Motoarele rachete moderne fac o treabă bună de a pune tehnologia pe orbită, dar sunt complet improprii pentru călătoriile îndelungate în spațiu. De aceea, de mai bine de zeci de ani, oamenii de știință lucrează la crearea de motoare spațiale alternative care ar putea accelera navele pentru a înregistra viteze. Să aruncăm o privire la șapte idei cheie din acest domeniu.
EmDrive
Pentru a vă deplasa, trebuie să vă îndepărtați de ceva - această regulă este considerată unul dintre pilonii de nezdruncinat ai fizicii și astronauticii. Ce trebuie să pornească exact de la pământ, apă, aer sau un jet de gaz, ca în cazul motoarelor cu rachete - nu este atât de important.
Un cunoscut experiment de gândire: imaginați-vă că un astronaut a intrat în spațiul exterior, dar cablul care îl conectează la nava spațială s-a rupt brusc și persoana începe să zboare încet. Tot ce are el este o cutie de instrumente. Care sunt acțiunile sale? Răspuns corect: trebuie să arunce unelte de pe navă. Conform legii de conservare a impulsului, persoana va fi aruncată de pe instrument cu exact aceeași forță ca instrumentul de la persoana respectivă, astfel că se va deplasa treptat spre navă. Aceasta este acțiunea cu jet - singura cale posibilă de a vă deplasa în spațiul gol. Adevărat, EmDrive, așa cum arată experimentele, are anumite șanse să infirme această afirmație de nezdruncinat.
Creatorul acestui motor este inginerul britanic Roger Shaer, care și-a fondat propria companie Satellite Propulsion Research în 2001. Designul EmDrive este destul de extravagant și este o găleată metalică în formă, sigilată la ambele capete. În interiorul acestei găleți se află un magnetron care emite unde electromagnetice - la fel ca într-un cuptor cu microunde convenționale. Și se dovedește a fi suficient pentru a crea o tracțiune foarte mică, dar destul de vizibilă.
Însuși autorul explică funcționarea motorului său prin diferența de presiune a radiațiilor electromagnetice la diferite capete ale „găleții” - la capătul îngust este mai mic decât la cel lat. Aceasta creează o forță îndreptată spre capătul restrâns. Posibilitatea unei astfel de funcționări a motorului a fost contestată de mai multe ori, dar în toate experimentele, instalația Shaer arată prezența tragerii în direcția dorită.
Video promotional:
Experimentatorii care au testat găleata lui Shaer includ organizații precum NASA, Universitatea Tehnică din Dresda și Academia Chineză de Științe. Invenția a fost testată într-o varietate de condiții, inclusiv într-un vid, unde a arătat prezența unei împingeri de 20 de micronewone.
Acest lucru este foarte puțin raportat la motoarele cu jet chimic. Dar, având în vedere că motorul Shaer poate funcționa atât timp cât doriți, deoarece nu are nevoie de alimentarea cu combustibil (bateriile solare pot asigura magnetronul să funcționeze), este potențial capabil să accelereze navele spațiale la viteze extraordinare, măsurate ca procent din viteza luminii.
Pentru a dovedi pe deplin performanța motorului, este necesar să efectuați multe alte măsurători și să scăpați de efectele secundare care pot fi generate, de exemplu, prin câmpuri magnetice externe. Cu toate acestea, sunt deja prezentate alte posibile explicații pentru tracțiunea anormală a motorului Shaer, care, în general, încalcă legile obișnuite ale fizicii.
De exemplu, sunt prezentate versiuni conform cărora motorul poate crea tracțiune datorită interacțiunii sale cu un vid fizic, care la nivel cuantic are energie non-zero și este umplut cu particule elementare virtuale în curs de dezvoltare și de dispariție. Cine va avea dreptate până la urmă - autorii acestei teorii, Shaer însuși sau alți sceptici - vom afla în viitorul apropiat.
Navigatie solara
Așa cum am menționat mai sus, radiațiile electromagnetice exercită presiune. Aceasta înseamnă că, în teorie, poate fi transformată în mișcare - de exemplu, cu ajutorul unei vele. La fel cum navele secolelor trecute prindeau vântul în pânzele lor, nava spațială a viitorului va prinde soarele sau orice altă lumină stelară în pânzele lor.
Problema este însă că presiunea luminii este extrem de mică și scade odată cu creșterea distanței de la sursă. Prin urmare, pentru a fi eficientă, o astfel de pânză trebuie să fie foarte ușoară și foarte mare. Și acest lucru crește riscul de distrugere a întregii structuri atunci când întâlnește un asteroid sau alt obiect.
Încercări de a construi și lansa nave navale solare în spațiu au avut deja loc - în 1993, Rusia a testat vela solară pe nava spațială Progress, iar în 2010, Japonia a efectuat teste de succes în drumul spre Venus. Dar nici o singură navă nu a folosit vela ca sursă principală de accelerare. Un alt proiect, o vela electrică, arată ceva mai promițătoare în acest sens.
Pânză electrică
Soarele emite nu numai fotoni, ci și particule de materie încărcate electric: electroni, protoni și ioni. Toate formează așa-numitul vânt solar, care îndepărtează de suprafața soarelui aproximativ un milion de tone de materie în fiecare secundă.
Vântul solar se răspândește pe miliarde de kilometri și este responsabil pentru unele fenomene naturale de pe planeta noastră: furtunile geomagnetice și luminile nordice. Pământul este protejat de vântul solar prin propriul său câmp magnetic.
Vântul solar, precum vântul de aer, este destul de potrivit pentru călătorii, trebuie doar să-l faci să sufle în pânze. Proiectul navei electrice, creat în 2006 de savantul finlandez Pekka Janhunen, în exterior are prea puțin în comun cu cel solar. Acest motor este format din mai multe cabluri lungi, subțiri, similare cu spițele unei roți fără jante.
Datorită pistolului cu electroni care emite direcția de deplasare, aceste cabluri dobândesc un potențial de încărcare pozitivă. Deoarece masa unui electron este de aproximativ 1800 de ori mai mică decât masa unui proton, împingerea creată de electroni nu va juca un rol fundamental. Electronii vântului solar nu sunt importanți pentru o astfel de pânză. Însă particulele încărcate pozitiv - protonii și radiațiile alfa - vor fi respinse din frânghii, creând astfel împingerea jetului.
Deși această acțiune va fi de aproximativ 200 de ori mai mică decât cea a unei vele solare, Agenția Spațială Europeană este interesată de proiect. Cert este că o vela electrică este mult mai ușor de proiectat, fabricat, desfășurat și exploatat în spațiu. În plus, folosind gravitația, vela vă permite, de asemenea, să călătoriți la sursa vântului stelar și nu doar departe de ea. Și întrucât suprafața unei astfel de vele este mult mai mică decât cea a unei vele solare, este mult mai puțin vulnerabilă la asteroizi și resturi spațiale. Poate că vom vedea primele nave experimentale pe o navigă electrică în următorii ani.
Motorul Ion
Fluxul de particule încărcate de materie, adică ioni, este emis nu numai de stele. Gazul ionizat poate fi, de asemenea, creat artificial. În mod normal, particulele de gaz sunt neutre din punct de vedere electric, dar când atomii sau moleculele sale pierd electroni, se transformă în ioni. În masa sa totală, un astfel de gaz încă nu are o sarcină electrică, dar particulele sale individuale devin încărcate, ceea ce înseamnă că se pot deplasa într-un câmp magnetic.
Într-un motor cu ioni, un gaz inert (de obicei xenon) este ionizat de un flux de electroni cu energie mare. Ei elimină electronii din atomi și obțin o sarcină pozitivă. Mai mult, ionii rezultați sunt accelerați într-un câmp electrostatic până la viteze de ordinul de 200 km / s, care este de 50 de ori mai mare decât rata de ieșire a gazului din motoarele cu jet chimic. Cu toate acestea, propulsoarele cu ioni moderne au o tracțiune foarte mică - aproximativ 50-100 de milioane de tone. Un astfel de motor nici măcar nu ar putea să se deplaseze de pe masă. Dar are un plus serios.
Un impuls specific mare poate reduce semnificativ consumul de combustibil în motor. Energia obținută din bateriile solare este utilizată pentru ionizarea gazului, astfel încât motorul cu ioni este capabil să funcționeze foarte mult timp - până la trei ani fără întrerupere. Pentru o astfel de perioadă, el va avea timp să accelereze nava spațială la viteze la care motoarele chimice nu au visat niciodată.
Motoarele cu ioni au aratat în repetate rânduri vastitatea sistemului solar ca parte a diferitelor misiuni, dar de obicei ca auxiliare, și nu principale. Astăzi, ca o posibilă alternativă la propulsoarele cu ioni, vorbesc tot mai mult despre propulsoarele cu plasmă.
Motor cu plasmă
Dacă gradul de ionizare a atomilor devine mare (aproximativ 99%), atunci o astfel de stare agregată de materie se numește plasmă. Starea de plasmă poate fi obținută doar la temperaturi ridicate, prin urmare, gazul ionizat este încălzit până la câteva milioane de grade în motoarele cu plasmă. Încălzirea se realizează folosind o sursă de energie externă - panouri solare sau, mai realist, un mic reactor nuclear.
Plasma fierbinte este apoi evacuată prin duza rachetei, creând o împingere de zeci de ori mai mare decât cea a unui propulsor ionic. Un exemplu de motor cu plasmă este proiectul VASIMR, care se dezvoltă încă din anii 70 ai secolului trecut. Spre deosebire de propulsoarele cu ioni, propulsoarele cu plasmă nu au fost încă testate în spațiu, dar mari speranțe sunt fixate asupra lor. Motorul cu plasmă VASIMR este unul dintre principalii candidați pentru zborurile cu echipaj către Marte.
Motor cu fuziune
Oamenii încearcă să îmblânzească energia fuziunii termonucleare încă de la mijlocul secolului XX, dar până acum nu au reușit să facă acest lucru. Cu toate acestea, fuziunea termonucleară controlată este încă foarte atractivă, deoarece este o sursă de energie enormă obținută din combustibil foarte ieftin - izotopii de heliu și hidrogen.
În prezent, există mai multe proiecte pentru proiectarea unui motor cu jet pe energia fuziunii termonucleare. Cel mai promițător dintre ei este considerat a fi un model bazat pe un reactor cu închidere magnetică a plasmei. Un reactor termonuclear într-un astfel de motor va fi o cameră cilindrică nepresurizată cu lungimea de 100-300 de metri și cu diametrul de 1-3 metri. Camera trebuie alimentată sub formă de plasmă la temperatură înaltă, care, la presiune suficientă, intră într-o reacție de fuziune nucleară. Bobinele sistemului magnetic situate în jurul camerei trebuie să împiedice această plasmă să intre în contact cu echipamentul.
Zona de reacție termonucleară este amplasată de-a lungul axei unui astfel de cilindru. Cu ajutorul câmpurilor magnetice, plasmă extrem de fierbinte curge prin duza reactorului, creând o tracțiune extraordinară, de multe ori mai mare decât cea a motoarelor chimice.
Motor antimaterie
Toată materia din jurul nostru este formată din fermioane - particule elementare cu rotiri la jumătate întregi. Acestea sunt, de exemplu, quark-uri care alcătuiesc protoni și neutroni în nucleele atomice, precum și electroni. Mai mult, fiecare fermion are propriul său antiparticul. Pentru un electron, acesta este un pozitron, pentru un quark - un antiquark.
Antiparticulele au aceeași masă și aceeași rotire cu „tovarășii” lor obișnuiți, diferind în semnul tuturor celorlalți parametri cuantici. În teorie, antiparticulele sunt capabile să creeze antimaterie, dar până acum nicăieri în Univers nu s-a înregistrat antimaterie. Pentru știința de bază, marea întrebare este de ce nu există.
Dar în condiții de laborator, puteți obține ceva antimaterie. De exemplu, un experiment a fost realizat recent comparand proprietățile protonilor și antiprotonilor care au fost depozitate într-o capcană magnetică.
Când antimateria și materia obișnuită se întâlnesc, are loc un proces de anihilare reciprocă, însoțit de o explozie de energie colosală. Așadar, dacă luați un kilogram de materie și antimaterie, cantitatea de energie eliberată atunci când se vor întâlni va fi comparabilă cu explozia „Tsar Bomb” - cea mai puternică bombă cu hidrogen din istoria omenirii.
Mai mult, o parte semnificativă a energiei va fi eliberată sub formă de fotoni de radiații electromagnetice. În consecință, există dorința de a utiliza această energie pentru deplasarea în spațiu prin crearea unui motor foton, similar cu o vela solară, numai în acest caz lumina va fi generată de o sursă internă.
Dar pentru a utiliza eficient radiația într-un motor cu jet, este necesară rezolvarea problemei creării unei „oglinzi” care să poată reflecta acești fotoni. La urma urmei, nava trebuie să se împingă cumva pentru a crea forță.
Niciun material modern nu poate rezista pur și simplu la radiațiile născute în cazul unei astfel de explozii și se va evapora instantaneu. În romanele lor de science-fiction, frații Strugatsky au rezolvat această problemă creând un „reflector absolut”. În viața reală, nimic de genul acesta nu a fost încă făcut. Această sarcină, la fel ca și problema creării unei cantități mari de antimaterie și a depozitării sale pe termen lung, este o problemă pentru fizica viitorului.
