Moderní raketové motory odvádějí dobrou práci při uvádění technologie na oběžné dráhy, ale jsou zcela nevhodné pro dlouhé kosmické cestování. Vědci proto již více než tucet let pracují na vytvoření alternativních kosmických motorů, které by mohly urychlit lodě na rekordní rychlosti. Pojďme se podívat na sedm klíčových myšlenek z této oblasti.
EmDrive
Chcete-li se pohnout, musíte se od něčeho odstrčit - toto pravidlo je považováno za jeden z neotřesitelných pilířů fyziky a astronautiky. Co přesně začít od - ze země, vody, vzduchu nebo proudu plynu, jako v případě raketových motorů - není tak důležité.
Známý myšlenkový experiment: představte si, že kosmonaut šel do vesmíru, ale kabel, který ho spojil s kosmickou lodí, se náhle zlomil a osoba začala pomalu odletět. Má pouze sadu nástrojů. Jaké jsou jeho činy? Správná odpověď: musí odhodit nářadí z lodi. Podle zákona zachování hybnosti bude osoba odhodena z nástroje přesně stejnou silou jako nástroj od osoby, takže se bude postupně pohybovat směrem k lodi. Toto je tryskový tah - jediný možný způsob, jak se pohybovat v prázdném prostoru. Je pravda, že EmDrive, jak ukazují experimenty, má určité šance vyvrátit toto neotřesitelné tvrzení.
Tvůrcem tohoto motoru je britský inženýr Roger Shaer, který založil vlastní společnost Satellite Propulsion Research v roce 2001. Konstrukce EmDrive je velmi extravagantní a je to kovový kbelík ve tvaru, utěsněný na obou koncích. Uvnitř tohoto kbelíku je magnetron, který emituje elektromagnetické vlny - stejné jako v konvenční mikrovlnné troubě. A ukázalo se, že to stačí k vytvoření velmi malého, ale docela nápadného tahu.
Samotný autor vysvětluje fungování svého motoru tlakovým rozdílem elektromagnetického záření na různých koncích „kbelíku“- na úzkém konci je menší než na širokém. Toto vytvoří tah směřující k úzkému konci. Možnost takového provozu motoru byla zpochybněna více než jednou, ale ve všech experimentech instalace Shaer ukazuje přítomnost tahu v zamýšleném směru.
Propagační video:
Mezi experimenty, kteří testovali vědro společnosti Shaer, patří organizace jako NASA, Technická univerzita v Drážďanech a Čínská akademie věd. Vynález byl testován v různých podmínkách, včetně ve vakuu, kde byl prokázán výskyt tahu 20 mikronů.
To je velmi málo ve srovnání s chemickými tryskovými motory. Ale vzhledem k tomu, že motor společnosti Shaer může fungovat tak dlouho, jak chcete, protože nepotřebuje dodávku paliva (solární baterie mohou zajistit, aby magnetron fungoval), je potenciálně schopen urychlit kosmickou loď na obrovské rychlosti, měřeno jako procento rychlosti světla.
Aby bylo možné plně prokázat výkon motoru, je nutné provést mnohem více měření a zbavit se vedlejších účinků, které mohou být generovány například vnějšími magnetickými poli. Již jsou však předkládána alternativní možná vysvětlení neobvyklého tahu motoru Shaer, což obecně porušuje obvyklé fyzikální zákony.
Předkládají se například verze, že motor může vytvořit tah díky své interakci s fyzickým vakuem, které má na kvantové úrovni nenulovou energii a je naplněno neustále se objevujícími a mizejícími virtuálními elementárními částicemi. Kdo bude nakonec na konci - autoři této teorie, samotný Shaer nebo další skeptici, to zjistíme v blízké budoucnosti.
Sluneční plachta
Jak je uvedeno výše, elektromagnetické záření vyvíjí tlak. To znamená, že ji lze teoreticky přeměnit na pohyb - například pomocí plachty. Stejně jako lodě minulých století zachytily vítr ve svých plachtách, kosmická loď budoucnosti zachytila ve svých plachtách slunce nebo jiné hvězdné světlo.
Problém je však v tom, že světelný tlak je extrémně malý a klesá se zvyšující se vzdáleností od zdroje. Proto, aby byla účinná, musí být taková plachta velmi lehká a velmi velká. A to zvyšuje riziko zničení celé struktury, když narazí na asteroid nebo jiný objekt.
Pokusy o výstavbu a vypuštění solárních plachetnic do vesmíru již proběhly - v roce 1993 Rusko otestovalo sluneční plachtu na kosmické lodi Progress a v roce 2010 provedlo Japonsko na cestě k Venuši úspěšné testy. Ale žádná loď nikdy nepoužila plachtu jako svůj primární zdroj zrychlení. Jiný projekt, elektrická plachta, vypadá v tomto ohledu poněkud slibněji.
Elektrická plachta
Slunce emituje nejen fotony, ale také elektricky nabité částice hmoty: elektrony, protony a ionty. Všechny tvoří tzv. Sluneční vítr, který odnáší od povrchu slunce asi milion tun hmoty každou sekundu.
Sluneční vítr se šíří přes miliardy kilometrů a je zodpovědný za některé přírodní jevy na naší planetě: geomagnetické bouře a severní světla. Země je chráněna před slunečním větrem vlastním magnetickým polem.
Sluneční vítr, stejně jako vzdušný vítr, je docela vhodný pro cestování, stačí ho nechat foukat do plachet. Projekt elektrické plachty, který v roce 2006 vytvořila finská vědkyně Pekka Janhunen, má se solárním navenek málo společného. Tento motor se skládá z několika dlouhých, tenkých kabelů podobných paprskům kola bez ráfku.
Díky elektronové pistoli emitující proti směru jízdy získávají tyto kabely kladný nabitý potenciál. Protože hmotnost elektronu je asi 1800krát menší než hmotnost protonu, nebude tah vytvořený elektrony hrát zásadní roli. Elektrony slunečního větru nejsou pro takovou plachtu důležité. Pozitivně nabité částice - protony a alfa záření - budou však odpuzeny z provazů, čímž se vytvoří proud trysky.
Ačkoli tento tah bude asi 200krát menší než u solární plachty, Evropská kosmická agentura má o projekt zájem. Faktem je, že elektrická plachta je mnohem snazší navrhnout, vyrobit, nasadit a provozovat ve vesmíru. Navíc pomocí gravitace vám plachta umožňuje cestovat ke zdroji hvězdného větru a ne jen od něj. A protože povrchová plocha takové plachty je mnohem menší než plocha sluneční plachty, je mnohem méně zranitelná vůči asteroidům a kosmickým zbytkům. Možná uvidíme první experimentální lodě na elektrické plachtě v příštích několika letech.
Iontový motor
Tok nabitých částic hmoty, tj. Iontů, je emitován nejen hvězdami. Ionizovaný plyn lze také vytvářet uměle. Normálně jsou částice plynu elektricky neutrální, ale když atomy nebo molekuly ztratí elektrony, změní se na ionty. Ve své celkové hmotnosti takový plyn stále nemá elektrický náboj, ale jeho jednotlivé částice se nabíjí, což znamená, že se mohou pohybovat v magnetickém poli.
V iontovém motoru je inertní plyn (obvykle xenon) ionizován proudem vysoce energetických elektronů. Vyrazí elektrony z atomů a získají kladný náboj. Dále jsou výsledné ionty v elektrostatickém poli urychleny na rychlosti řádově 200 km / s, což je 50krát větší než rychlost odtoku plynu z chemických proudových motorů. Nicméně moderní iontové trysky mají velmi malý tah - asi 50 - 100 milinewtonů. Takový motor by se ani nemohl pohnout ze stolu. Ale má vážné plus.
Velký specifický impuls může výrazně snížit spotřebu paliva v motoru. Energie získaná ze solárních baterií se používá k ionizaci plynu, takže iontový motor je schopen pracovat po velmi dlouhou dobu - až tři roky bez přerušení. Na takovou dobu bude mít čas na urychlení kosmické lodi na rychlosti, o kterých chemické motory nikdy nesnilo.
Iontové motory opakovaně oraly rozlehlost sluneční soustavy jako součást různých misí, ale obvykle jako pomocné a ne hlavní. Dnes, jako možná alternativa k iontovým tryskám, stále více mluví o plazmových tryskách.
Plazmový motor
Pokud se stupeň ionizace atomů zvýší (asi 99%), pak se takový agregovaný stav hmoty nazývá plazma. Plazmového stavu lze dosáhnout pouze při vysokých teplotách, proto se ionizovaný plyn zahřívá v plazmových motorech až na několik milionů stupňů. Vytápění se provádí pomocí externího zdroje energie - solárních panelů nebo, realističtěji, malého jaderného reaktoru.
Horká plazma je poté vypuzována skrz trysku rakety, čímž se vytvoří desítkykrát větší tah než u iontového pohonu. Příkladem plazmového motoru je projekt VASIMR, který se vyvíjí od 70. let minulého století. Na rozdíl od iontových raket, plazmové rakety ještě nebyly testovány ve vesmíru, ale velké naděje jsou na nich připnuté. Je to plazmový motor VASIMR, který je jedním z hlavních kandidátů na lety s posádkou na Mars.
Fúzní motor
Lidé se pokoušejí zkrotit energii termonukleární fúze od poloviny dvacátého století, ale zatím to nebyli schopni. Přesto je řízená termonukleární fúze stále velmi atraktivní, protože je zdrojem obrovské energie získané z velmi levného paliva - izotopy hélia a vodíku.
V současné době existuje několik projektů pro návrh proudového motoru na energii termonukleární fúze. Za nejslibnější z nich se považuje model založený na reaktoru s magnetickým plazmovým uzavřením. Termonukleární reaktor v takovém motoru bude beztlaková válcová komora dlouhá 100-300 metrů a průměr 1-3 metry. Komora by měla být zásobována palivem ve formě vysokoteplotní plazmy, která při dostatečném tlaku vstupuje do reakce jaderné fúze. Cívky magnetického systému umístěné kolem komory by měly zabránit tomu, aby se tato plazma dostala do kontaktu se zařízením.
Termonukleární reakční zóna je umístěna podél osy takového válce. S pomocí magnetických polí protéká tryska reaktoru extrémně horká plazma, což vytváří obrovský tah, mnohokrát větší než u chemických motorů.
Antihmotový motor
Celá záležitost kolem nás sestává z fermionů - elementárních částic s napůl celočíselnou rotací. Jsou to například kvarky, které vytvářejí protony a neutrony v atomových jádrech, jakož i elektrony. Navíc má každá fermiona vlastní antičástici. Pro elektron je to pozitron, pro kvark - antikvark.
Antičástice mají stejnou hmotnost a stejnou rotaci jako jejich obvyklí „soudruzi“, lišící se ve znamení všech ostatních kvantových parametrů. Teoreticky jsou antičástice schopny vytvořit antihmotu, ale zatím nikde ve vesmíru není antihmota zaregistrována. Pro základní vědu je velká otázka, proč neexistuje.
Ale za laboratorních podmínek můžete získat nějaký antihmota. Například byl nedávno proveden experiment porovnávající vlastnosti protonů a antiprotonů, které byly uloženy v magnetickém pasti.
Když se setká antihmota a obyčejná hmota, nastane proces vzájemného ničení, doprovázený výbuchem kolosální energie. Pokud tedy vezmeme kilogram hmoty a antihmoty, pak množství energie uvolněné, když se setkají, bude srovnatelné s výbuchem „Tsar Bomb“- nejsilnější vodíkové bomby v historii lidstva.
Kromě toho bude významná část energie uvolněna ve formě fotonů elektromagnetického záření. V souladu s tím existuje touha použít tuto energii pro vesmírné cestování vytvořením fotonového motoru, podobného sluneční plachtě, pouze v tomto případě bude světlo generováno vnitřním zdrojem.
Aby však bylo možné efektivně využívat záření v proudovém motoru, je nutné vyřešit problém vytvoření „zrcadla“, které by tyto fotony mohlo odrážet. Koneckonců, loď se musí nějak odstrčit, aby vytvořila tah.
Žádný moderní materiál prostě nemůže odolat záření narozenému v případě takové exploze a okamžitě se vypaří. Strugatsky bratři ve svých románech sci-fi tento problém vyřešili vytvořením „absolutního reflektoru“. Ve skutečném životě se nic takového ještě nestalo. Tento úkol, stejně jako problematika vytváření velkého množství antihmoty a jeho dlouhodobého skladování, je věcí fyziky budoucnosti.