Mūsdienu raķešu dzinēji veic labu darbu, laižot tehnoloģiju orbītā, taču tie ir pilnīgi nepiemēroti tālajiem kosmosa ceļojumiem. Tāpēc zinātnieki vairāk nekā divpadsmit gadus strādā pie alternatīvu kosmosa dzinēju radīšanas, kas kuģiem varētu paātrināt līdz ātruma reģistrēšanai. Apskatīsim septiņas galvenās idejas šajā jomā.
EmDrive
Lai pārvietotos, jums kaut kas jāatstāj - šis noteikums tiek uzskatīts par vienu no nesatricināmajiem fizikas un astronautikas balstiem. Ar ko tieši sākt - no zemes, ūdens, gaisa vai gāzes strūklas, kā tas ir raķešu dzinēju gadījumā - nav tik svarīgi.
Plaši pazīstams domu eksperiments: iedomājieties, ka kosmonauts devās kosmosā, bet kabelis, kas viņu savienoja ar kosmosa kuģi, pēkšņi pārtrūka un cilvēks sāk lēnām lidot prom. Viņam viss ir tikai instrumentu komplekts. Kādas ir viņa darbības? Pareizā atbilde: viņam jāizmet instrumenti no kuģa. Saskaņā ar impulsa saglabāšanas likumu cilvēks tiks izmests no instrumenta ar tieši tādu pašu spēku kā instruments no cilvēka, tāpēc viņš pakāpeniski virzīsies kuģa virzienā. Tas ir reaktīvais vilces spēks - vienīgais iespējamais veids, kā pārvietoties tukšā vietā. Tiesa, EmDrive, kā rāda eksperimenti, ir dažas iespējas atspēkot šo nesatricinošo paziņojumu.
Šī dzinēja radītājs ir britu inženieris Rodžers Šaers, kurš 2001. gadā nodibināja savu uzņēmumu Satellite Propulsion Research. EmDrive dizains ir diezgan ekstravagants, un tā forma ir metāla spainis, kas noslēgts abos galos. Šajā spainī atrodas magnetrons, kas izstaro elektromagnētiskos viļņus - tāds pats kā parastajā mikroviļņu krāsnī. Un tas izrādās pietiekami, lai izveidotu ļoti mazu, bet diezgan pamanāmu vilci.
Pats autors sava motora darbību skaidro ar elektromagnētiskā starojuma spiediena starpību dažādos "kausa" dažādos galos - šaurā galā tas ir mazāks nekā plašajā. Tas rada vilci, kas vērsta uz šauro galu. Šādas motora darbības iespēja ir ticis apstrīdēts vairāk nekā vienu reizi, taču visos eksperimentos Shaer uzstādīšana parāda vilces esamību paredzētajā virzienā.
Reklāmas video:
Eksperimentos, kas pārbaudījuši Šaira kausu, ietilpst tādas organizācijas kā NASA, Drēzdenes Tehniskā universitāte un Ķīnas Zinātņu akadēmija. Izgudrojums tika pārbaudīts dažādos apstākļos, ieskaitot vakuumu, kur tas parādīja vilces spēku 20 mikronus.
Tas ir ļoti maz salīdzinājumā ar ķīmisko reaktīvo dzinēju. Bet, ņemot vērā to, ka Shaer dzinējs var darboties tik ilgi, cik vēlaties, jo tam nav nepieciešama degvielas padeve (saules baterijas var nodrošināt magnetrona darbību), tas potenciāli spēj paātrināt kosmosa kuģi līdz milzīgam ātrumam, ko mēra procentos no gaismas ātruma.
Lai pilnībā pierādītu motora darbību, ir nepieciešams veikt vēl daudzus mērījumus un atbrīvoties no blakusparādībām, kuras var radīt, piemēram, ārēji magnētiskie lauki. Tomēr jau tiek izvirzīti alternatīvi iespējamie skaidrojumi Shaer dzinēja nenormālajai vilcei, kas kopumā pārkāpj parastos fizikas likumus.
Piemēram, tiek izvirzītas versijas, ka motors var radīt vilci, pateicoties tā mijiedarbībai ar fizisko vakuumu, kam kvantu līmenī ir enerģija, kas nav nulles un kas ir piepildīta ar pastāvīgi parādās un izzūd virtuālām elementārdaļiņām. Kam beigās būs taisnība - šīs teorijas autori, pats Šaers vai citi skeptiķi, to uzzināsim tuvākajā laikā.
Saules buru
Kā minēts iepriekš, elektromagnētiskais starojums rada spiedienu. Tas nozīmē, ka teorētiski to var pārveidot kustībā - piemēram, ar buras palīdzību. Gluži kā pagājušo gadsimtu kuģi savās burās nozvejoja vēju, nākotnes kosmosa kuģis savos burās uztvers sauli vai jebkuru citu zvaigžņu gaismu.
Problēma tomēr ir tā, ka gaismas spiediens ir ārkārtīgi mazs un samazinās, palielinoties attālumam no avota. Tāpēc, lai šī buriņa būtu efektīva, tai jābūt ļoti vieglai un ļoti lielai. Un tas palielina visas struktūras iznīcināšanas risku, saskaroties ar asteroīdu vai citu objektu.
Mēģinājumi būvēt un palaist saules buru kuģus kosmosā jau ir notikuši - 1993. gadā Krievija izmēģināja saules buru uz kosmosa kuģa Progress, bet 2010. gadā Japāna veica veiksmīgus testus ceļā uz Venēru. Bet neviens kuģis nekad nav izmantojis buras kā galveno paātrinājuma avotu. Cits projekts, elektriskā bura, šajā ziņā izskatās nedaudz daudzsološāks.
Elektriskā bura
Saule izstaro ne tikai fotonus, bet arī elektriski lādētas vielas daļiņas: elektronus, protonus un jonus. Visi no tiem veido tā saukto saules vēju, kas katru sekundi no saules virsmas aizvada apmēram vienu miljonu tonnu matērijas.
Saules vējš izplatās miljardiem kilometru un ir atbildīgs par dažām dabas parādībām uz mūsu planētas: ģeomagnētiskajām vētrām un ziemeļblāzmām. Zemi no saules vēja pasargā pats magnētiskais lauks.
Saules vējš, tāpat kā gaisa vējš, ir diezgan piemērots ceļojumiem, jums vienkārši jāpieliek tam pūš burās. Somu zinātnieka Pekka Janhunena 2006. gadā izstrādātajam elektriskās buras projektam ārēji ir maz kopīga ar saules enerģiju. Šis motors sastāv no vairākiem gariem, plāniem kabeļiem, līdzīgiem riteņa spieķiem bez loka.
Pateicoties elektronu lielgabala izstarojumam pret braukšanas virzienu, šie kabeļi iegūst pozitīvas uzlādes potenciālu. Tā kā elektronu masa ir aptuveni 1800 reizes mazāka nekā protona masa, elektronu radītajai vilcei nebūs galvenā loma. Saules vēja elektroniem šādai burai nav nozīmes. Bet pozitīvi uzlādētās daļiņas - protonus un alfa starojumu - no virvēm atgrūdīs, tādējādi radot strūklas vilci.
Lai arī šī vilce būs aptuveni 200 reizes mazāka nekā saules burai, Eiropas Kosmosa aģentūra ir ieinteresēta projektā. Fakts ir tāds, ka elektrisko buras ir daudz vieglāk projektēt, ražot, izvietot un darbināt kosmosā. Turklāt, izmantojot gravitācijas spēku, bura ļauj jums arī nokļūt līdz zvaigžņu vēja avotam, nevis tikai prom no tā. Un tā kā šāda bura virsmas laukums ir daudz mazāks nekā saules bura, tas ir daudz mazāk pakļauts asteroīdiem un kosmosa gružiem. Iespējams, ka tuvāko gadu laikā mēs redzēsim pirmos eksperimentālos kuģus ar elektrisko buru.
Jonu motors
Materiāla, tas ir, jonu, lādētu plūsmu izstaro ne tikai zvaigznes. Jonizētu gāzi var radīt arī mākslīgi. Parasti gāzes daļiņas ir elektriski neitrālas, bet, kad tās atomi vai molekulas zaudē elektronus, tās pārvēršas jonos. Kopējā masā šādai gāzei joprojām nav elektrības lādiņa, bet tās atsevišķās daļiņas kļūst lādētas, kas nozīmē, ka tās var pārvietoties magnētiskajā laukā.
Jonu motorā inertu gāzi (parasti ksenonu) jonizē augstas enerģijas elektronu plūsma. Viņi izsit elektronus no atomiem, un viņi iegūst pozitīvu lādiņu. Turklāt iegūtos jonus elektrostatiskā laukā paātrina līdz apmēram 200 km / s ātrumam, kas ir 50 reizes lielāks par gāzes izplūdes ātrumu no ķīmisko reaktīvo dzinēju. Neskatoties uz to, mūsdienu jonu virzuļiem ir ļoti mazs vilces spēks - apmēram 50–100 midawtons. Šāds motors pat nespētu pakustēties no galda. Bet viņam ir nopietns plus.
Liels īpatnējais impulss var ievērojami samazināt degvielas patēriņu motorā. No saules baterijām iegūtā enerģija tiek izmantota gāzes jonizēšanai, tāpēc jonu motors spēj darboties ļoti ilgu laiku - līdz trim gadiem bez traucējumiem. Šādā laika posmā viņam būs laiks paātrināt kosmosa kuģi līdz ātrumam, par kuru ķīmiskie motori nekad nav sapņojuši.
Jonu motori ir vairākkārt pārvēruši Saules sistēmas plašumu dažādu misiju ietvaros, bet parasti kā palīgdarbus, nevis galvenos. Mūsdienās par iespējamu alternatīvu jonu virzuļiem arvien vairāk runā par plazmas virzuļiem.
Plazmas motors
Ja atomu jonizācijas pakāpe kļūst augsta (apmēram 99%), tad šādu agregētu matērijas stāvokli sauc par plazmu. Plazmas stāvokli var sasniegt tikai augstā temperatūrā, tāpēc jonizēto gāzi plazmas motoros silda līdz vairākiem miljoniem grādu. Apkure tiek veikta, izmantojot ārēju enerģijas avotu - saules paneļus vai, reālāk, mazu kodolreaktoru.
Pēc tam karstā plazma tiek izmesta caur raķetes sprauslu, radot desmitiem reižu lielāku vilci nekā jonu dzineklis. Viens plazmas dzinēja piemērs ir VASIMR projekts, kas tiek attīstīts kopš pagājušā gadsimta 70. gadiem. Atšķirībā no jonu virzuļiem, plazmas virzuļi vēl nav pārbaudīti kosmosā, taču uz tiem tiek liktas lielas cerības. Tieši VASIMR plazmas dzinējs ir viens no galvenajiem kandidātiem uz lidojumiem uz Marsu.
Kodolsintēzes dzinējs
Cilvēki kopš divdesmitā gadsimta vidus ir mēģinājuši pieradināt kodoltermiskās saplūšanas enerģiju, taču līdz šim viņi to nav spējuši izdarīt. Neskatoties uz to, kontrolēta kodoltermiskā saplūšana joprojām ir ļoti pievilcīga, jo tā ir milzīgas enerģijas avots, ko iegūst no ļoti lēta kurināmā - hēlija un ūdeņraža izotopiem.
Pašlaik ir izstrādāti vairāki reaktīvā dzinēja projektēšanas projekti par termiskās kodolsintēzes enerģiju. Daudzsološākais no tiem tiek uzskatīts par modeli, kura pamatā ir reaktors ar magnētiskās plazmas norobežojumu. Termoelektriskais reaktors šādā motorā būs bezspiediena cilindriska kamera, kuras garums ir 100-300 metri un diametrs 1-3 metri. Kamera jāpiegādā ar degvielu augstas temperatūras plazmas veidā, kas ar pietiekamu spiedienu nonāk kodolsintēzes reakcijā. Ap kameru izvietotajām magnētiskās sistēmas spolēm vajadzētu novērst plazmas saskari ar iekārtām.
Termonukleārās reakcijas zona atrodas gar šāda cilindra asi. Ar magnētisko lauku palīdzību ārkārtīgi karsta plazma plūst caur reaktora sprauslu, radot milzīgu vilci, daudzkārt lielāku nekā ķīmisko motoru.
Antimatērijas dzinējs
Visa ap mums esošā viela sastāv no fermioniem - elementārdaļiņām ar veselu veselu spinu. Tie ir, piemēram, kvarki, kas veido protonus un neitronus atomu kodolos, kā arī elektronus. Turklāt katram fermionam ir sava antidaļiņa. Elektronam tas ir pozitrons, kvarkam - antikvarks.
Pretdaļiņām ir tāda pati masa un tāds pats griešanās kā parastajiem "biedriem", kas atšķiras ar visu pārējo kvantu parametru zīmi. Teorētiski antidaļiņas spēj veidot antimateriālu, taču līdz šim Universitātē nekur antimērija nav reģistrēta. Pamata zinātnei liels jautājums ir, kāpēc tā neeksistē.
Bet laboratorijas apstākļos jūs varat iegūt kādu antimatēriju. Piemēram, nesen tika veikts eksperiments, salīdzinot protonu un antiprotonu īpašības, kas tika glabāti magnētiskajā slazdā.
Kad antimērija un parastā viela satiekas, notiek savstarpēja iznīcināšana, ko papildina kolosāla enerģija. Tātad, ja jūs paņemat kilogramu vielas un antimateriāla, enerģijas daudzums, kas izdalās, kad viņi satiekas, būs salīdzināms ar "cara bumbas" eksploziju - visspēcīgāko ūdeņraža bumbu cilvēces vēsturē.
Turklāt ievērojama enerģijas daļa tiks atbrīvota elektromagnētiskā starojuma fotonu veidā. Attiecīgi ir vēlme šo enerģiju izmantot ceļojumam kosmosā, izveidojot fotonu motoru, kas līdzīgs saules burai, tikai šajā gadījumā gaismu ģenerēs iekšējs avots.
Bet, lai efektīvi izmantotu starojumu reaktīvajā motorā, ir jāatrisina tāda "spoguļa" izveidošanas problēma, kas spētu atspoguļot šos fotonus. Galu galā kuģim kaut kā jāstumj, lai radītu vilci.
Neviens mūsdienīgs materiāls vienkārši nevar izturēt starojumu, kas rodas šāda sprādziena gadījumā, un tas uzreiz iztvaiko. Savos zinātniskās fantastikas romānos brāļi Strugatski šo problēmu atrisināja, izveidojot "absolūtu reflektoru". Reālajā dzīvē nekas līdzīgs vēl nav izdarīts. Šis uzdevums, tāpat kā liela daudzuma antimateriāla izveidošana un tā ilgstoša uzglabāšana, ir nākotnes fizikas jautājums.