Moderne raketmotorer gør et godt stykke arbejde med at sætte teknologi i kredsløb, men de er helt uegnede til lang rumrejse. Derfor har forskere i mere end et dusin år arbejdet med oprettelsen af alternative rummotorer, der kunne fremskynde skibe til rekordhastighed. Lad os se på syv centrale ideer fra dette område.
EmDrive
For at flytte, er du nødt til at skubbe væk fra noget - denne regel betragtes som en af de umiskendelige søjler inden for fysik og astronautik. Hvad der skal startes nøjagtigt - fra jord, vand, luft eller en gasstråle, som for raketmotorer - er ikke så vigtigt.
Et velkendt tankeeksperiment: forestil dig, at en astronaut gik ud i rummet, men kablet, der forbinder ham til rumfartøjet, brød pludselig, og personen begynder langsomt at flyve væk. Alt, hvad han har, er en værktøjskasse. Hvad er hans handlinger? Rigtigt svar: han har brug for at smide redskaber væk fra skibet. I henhold til loven om bevarelse af momentum, vil personen blive smidt væk fra instrumentet med nøjagtig den samme kraft som instrumentet fra personen, så han gradvist bevæger sig mod skibet. Dette er jetkraft - den eneste mulige måde at bevæge sig i tomt rum på. Det er sandt, at EmDrive, som eksperimenterne viser, nogle chancer for at tilbagevise denne umiskendelige udsagn.
Skaberen af denne motor er den britiske ingeniør Roger Shaer, der grundlagde sit eget firma Satellite Propulsion Research i 2001. Designet af EmDrive er ret ekstravagant og er en metalskovl i form, forseglet i begge ender. Inde i denne spand er en magnetron, der udsender elektromagnetiske bølger - det samme som i en konventionel mikrobølgeovn. Og det viser sig at være tilstrækkeligt til at skabe en meget lille, men ret synlig drivkraft.
Forfatteren forklarer selv driften af sin motor gennem trykforskellen i elektromagnetisk stråling i forskellige ender af "spanden" - i den smalle ende er den mindre end ved den brede. Dette skaber et tryk rettet mod den smalle ende. Muligheden for en sådan motoroperation er blevet udfordret mere end én gang, men i alle eksperimenter viser Shaer-installationen tilstedeværelsen af drivkraft i den tilsigtede retning.
Salgsfremmende video:
Eksperimenter, der har testet Shaers spand inkluderer organisationer som NASA, det tekniske universitet i Dresden og det kinesiske videnskabsakademi. Opfindelsen blev testet under forskellige betingelser, herunder i et vakuum, hvor den viste tilstedeværelsen af et tryk på 20 mikronton.
Dette er meget lidt i forhold til kemiske jetmotorer. Men i betragtning af at Shaer-motoren kan arbejde så længe du vil, da den ikke har brug for en forsyning med brændstof (solbatterier kan give magnetronen til at arbejde), er den potentielt i stand til at fremskynde rumfartøjet til enorme hastigheder, målt som en procentdel af lysets hastighed.
For fuldt ud at bevise motorens ydelse er det nødvendigt at udføre mange flere målinger og slippe af med bivirkninger, der for eksempel kan genereres af eksterne magnetfelter. Dog fremsættes allerede alternative mulige forklaringer på Shaers motorens unormale drivkraft, hvilket generelt er i strid med de sædvanlige fysiske love.
F.eks. Fremsættes versioner om, at motoren kan skabe tryk på grund af dens interaktion med et fysisk vakuum, der på kvantniveau har energi uden nul og er fyldt med konstant nye og forsvindende virtuelle elementære partikler. Hvem vil have det til sidst - forfatterne af denne teori, Shaer selv eller andre skeptikere, vil vi finde ud af i den nærmeste fremtid.
Solsejl
Som nævnt ovenfor udøver elektromagnetisk stråling tryk. Dette betyder, at det i teorien kan omdannes til bevægelse - for eksempel ved hjælp af et sejl. Ligesom skibe fra de forrige århundreder fangede vinden i deres sejl, ville fremtidens rumfartøj fange solen eller enhver anden stjernelys i deres sejl.
Problemet er imidlertid, at lettrykket er ekstremt lille og aftager med stigende afstand fra kilden. For at være effektiv skal et sådant sejl være meget let og meget stort. Og dette øger risikoen for ødelæggelse af hele strukturen, når den støder på en asteroide eller en anden genstand.
Forsøg på at bygge og lancere solsejlskibe i rummet har allerede fundet sted - i 1993 testede Rusland solsejlet på Progress-rumfartøjet, og i 2010 gennemførte Japan vellykkede tests på vej til Venus. Men ikke et eneste skib har nogensinde brugt sejlet som dets primære kilde til acceleration. Et andet projekt, et elektrisk sejl, ser noget mere lovende ud i denne henseende.
Elektrisk sejl
Solen udsender ikke kun fotoner, men også elektrisk ladede stofpartikler: elektroner, protoner og ioner. Alle af dem danner den såkaldte solvind, der transporterer væk fra solens overflade ca. en million tons stof hvert sekund.
Solvinden spreder sig over milliarder af kilometer og er ansvarlig for nogle naturfænomener på vores planet: geomagnetiske storme og nordlyset. Jorden er beskyttet mod solvind med sit eget magnetfelt.
Solvinden er ligesom luftvinden meget velegnet til rejser, du skal bare få den til at blæse i sejlene. Projektet med det elektriske sejl, oprettet i 2006 af den finske videnskabsmand Pekka Janhunen, har udadtil lidt til fælles med solenergien. Denne motor består af flere lange, tynde kabler, svarende til egerne på et hjul uden fælge.
Takket være elektronpistolen, der udsender mod kørselsretningen, får disse kabler et positivt opladet potentiale. Da massen af et elektron er ca. 1800 gange mindre end massen af en proton, vil tryk skabt af elektroner ikke spille en grundlæggende rolle. Solvindens elektroner er ikke vigtige for et sådant sejl. Men positivt ladede partikler - protoner og alfastråling - vil blive frastødet fra rebene og derved skabe jettryk.
Selvom dette træk vil være omkring 200 gange mindre end for et solsejl, er Den Europæiske Rumorganisation interesseret i projektet. Faktum er, at et elektrisk sejl er meget lettere at designe, fremstille, implementere og betjene i rummet. Ved hjælp af tyngdekraften giver sejlet dig også mulighed for at rejse til kilden til den stellare vind, og ikke bare væk fra den. Og da overfladen af et sådant sejl er meget mindre end for et solsejl, er det langt mindre sårbart over for asteroider og rumrester. Måske vil vi se de første eksperimentelle skibe på et elektrisk sejl i de næste par år.
Ion-motor
Strømmen af ladede partikler af stof, det vil sige ioner, udsendes ikke kun af stjerner. Ioniseret gas kan også oprettes kunstigt. Normalt er gaspartikler elektrisk neutrale, men når dens atomer eller molekyler mister elektroner, bliver de til ioner. I sin samlede masse har en sådan gas stadig ikke en elektrisk ladning, men dens individuelle partikler bliver ladede, hvilket betyder, at de kan bevæge sig i et magnetfelt.
I en ionmotor ioniseres en inert gas (normalt xenon) af en strøm af højenergi-elektroner. De slår elektroner ud af atomer, og de får en positiv ladning. Yderligere accelereres de resulterende ioner i et elektrostatisk felt til hastigheder i størrelsesordenen 200 km / s, hvilket er 50 gange større end hastigheden for gasudstrømning fra kemiske jetmotorer. Ikke desto mindre har moderne ion-thrustere en meget lille skyvekraft - ca. 50-100 millinewtons. En sådan motor ville ikke engang være i stand til at bevæge sig fra bordet. Men han har et alvorligt plus.
En stor specifik impuls kan reducere brændstofforbruget i motoren markant. Energi opnået fra solbatterier bruges til at ionisere gas, så ionmotoren er i stand til at arbejde i meget lang tid - op til tre år uden afbrydelse. I en sådan periode har han tid til at fremskynde rumfartøjet til hastigheder, som kemiske motorer aldrig har drømt om.
Ionmotorer har gentagne gange pløjet solsystemets bredde som en del af forskellige missioner, men som oftest som hjælpestyrke og ikke som vigtigste. I dag taler de i stigende grad om plasma-thrustere.
Plasmamotor
Hvis graden af ionisering af atomer bliver høj (ca. 99%), kaldes en sådan samlet tilstand af stof plasma. Plasmatilstand kan kun opnås ved høje temperaturer, derfor opvarmes ioniseret gas op til flere millioner grader i plasmamotorer. Opvarmning udføres ved hjælp af en ekstern energikilde - solcellepaneler eller, mere realistisk, en lille atomreaktor.
Det varme plasma kastes derefter ud gennem raketdysen, hvilket skaber tryk ti gange gange større end for en iontruster. Et eksempel på en plasmamotor er VASIMR-projektet, der har udviklet sig siden 70'erne i det forrige århundrede. I modsætning til ion-thrustere er plasma-thrustere endnu ikke testet i rummet, men der er store forhåbninger på dem. Det er VASIMR-plasmamotoren, der er en af de vigtigste kandidater til bemandede flyvninger til Mars.
Fusionsmotor
Folk har forsøgt at temme energien fra termonuklear fusion siden midten af det tyvende århundrede, men indtil videre har de ikke været i stand til det. Ikke desto mindre er kontrolleret termonuklear fusion stadig meget attraktiv, fordi det er en kilde til enorm energi, der er opnået fra meget billigt brændstof - isotoper af helium og brint.
I øjeblikket er der flere projekter til design af en jetmotor på energien fra termonuklear fusion. Den mest lovende af dem anses for at være en model baseret på en reaktor med magnetisk plasmaindeslutning. En termonukleær reaktor i en sådan motor vil være et upresset cylindrisk kammer, der er 100-300 meter langt og 1-3 meter i diameter. Kammeret skal forsynes med brændstof i form af højtemperaturplasma, der ved tilstrækkeligt tryk indgår i en nukleær fusionsreaktion. Spolerne i det magnetiske system, der er placeret omkring kammeret, skal forhindre dette plasma i at komme i kontakt med udstyret.
Den termonukleære reaktionszone er placeret langs en sådan cylinders akse. Ved hjælp af magnetfelter strømmer ekstremt varmt plasma gennem reaktordysen, hvilket skaber et enormt tryk, mange gange større end kemiske motorer.
Antimattermotor
Hele sagen omkring os består af fermioner - elementære partikler med halv-heltal spin. Dette er for eksempel kvarker, der udgør protoner og neutroner i atomkerner, såvel som elektroner. Derudover har hver fermion sin egen antipartikel. For et elektron er dette en positron, for en kvark - en antikvark.
Antipartikler har den samme masse og den samme drejning som deres sædvanlige "kammerater", der adskiller sig i tegn på alle andre kvanteparametre. I teorien er antipartikler i stand til at udgøre antimateriale, men indtil videre er der ikke registreret antimaterie i universet. For grundlæggende videnskab er det store spørgsmål, hvorfor det ikke findes.
Men under laboratorieforhold kan du få noget antimaterie. For eksempel blev der for nylig udført et eksperiment, hvor man sammenligner egenskaberne ved protoner og antiprotoner, der var opbevaret i en magnetisk fælde.
Når antimateriale og almindelige stoffer mødes, opstår der en proces med gensidig udslettelse ledsaget af et brist af kolossal energi. Så hvis vi tager et kilogram stof og antimaterie, vil mængden af energi, der frigøres, når de mødes, være sammenlignelig med eksplosionen af "Tsar-bomben" - den mest kraftfulde brintbombe i menneskehedens historie.
Derudover frigøres en betydelig del af energien i form af fotoner af elektromagnetisk stråling. Følgelig er der et ønske om at bruge denne energi til rumrejse ved at skabe en fotonmotor, der ligner et solsejl, kun i dette tilfælde vil lyset blive genereret af en intern kilde.
Men for effektivt at bruge strålingen i en jetmotor, er det nødvendigt at løse problemet med at skabe et "spejl", der kunne reflektere disse fotoner. Når alt kommer til alt, skal skibet på en eller anden måde skubbe af for at skabe tryk.
Intet moderne materiale tåler simpelthen den stråling, der er født i tilfælde af en sådan eksplosion og vil øjeblikkeligt fordampe. I deres science fiction-romaner løste Strugatsky-brødrene dette problem ved at skabe en "absolut reflektor". I det virkelige liv er der endnu ikke gjort noget som dette. Denne opgave, ligesom spørgsmålet om at skabe en stor mængde antimaterie og dens langsigtede opbevaring, er et spørgsmål for fremtidens fysik.