Nykyaikaiset rakettimoottorit tekevät hyvää työtä asettamalla tekniikkaa kiertoradalle, mutta ne eivät sovellu pitkään avaruuteen. Siksi tutkijat ovat yli kymmenen vuoden ajan pyrkineet luomaan vaihtoehtoisia avaruusmoottoreita, jotka voisivat kiihdyttää aluksia ennätysnopeuteen. Katsotaanpa tämän alueen seitsemää keskeistä ideaa.
EmDrive
Siirtyäksesi sinun on työnnettävä irti jostakin - tätä sääntöä pidetään yhtenä fysiikan ja astronautian vaikeista pilareista. Mistä tarkalleen aloittaa - maasta, vedestä, ilmasta tai kaasusuihkusta, kuten rakettimoottorien tapauksessa -, ei ole niin tärkeää.
Tunnettu ajatuskoe: Kuvittele, että astronautti meni avaruuteen, mutta häntä avaruusalukseen yhdistävä kaapeli rikkoutui yhtäkkiä ja henkilö alkaa hitaasti lentää pois. Hänellä on vain työkalupakki. Mitkä ovat hänen tekonsa? Oikea vastaus: hänen on heitettävä työkalut pois aluksesta. Vauhdin säilyttämistä koskevan lain mukaan henkilö heitetään pois instrumentista täsmälleen samalla voimalla kuin instrumentti henkilöltä, joten hän liikkuu vähitellen kohti alusta. Tämä on suihkumoottori - ainoa mahdollinen tapa liikkua tyhjässä tilassa. Totta, EmDrivellä, kuten kokeet osoittavat, on joitain mahdollisuuksia kumota tämä horjumaton lausunto.
Tämän moottorin luoja on brittiläinen insinööri Roger Shaer, joka perusti oman yrityksen Satellite Propulsion Researchin vuonna 2001. EmDrive-malli on melko ekstravagantti ja muodoltaan metallinen kauha, joka on suljettu molemmista päistä. Tämän kauhan sisällä on magnetroni, joka säteilee sähkömagneettisia aaltoja - sama kuin tavanomaisessa mikroaaltouunissa. Ja se osoittautuu tarpeeksi luomaan hyvin pieni, mutta melko huomattava työntövoima.
Kirjailija itse selittää moottorinsa toiminnan sähkömagneettisen säteilyn paine-erolla "kauhan" eri päissä - kapeassa päässä se on pienempi kuin leveässä. Tämä luo kapeaan päähän kohdistuvan työntövoiman. Tällaisen moottorin toiminnan mahdollisuus on asetettu kyseenalaiseksi useita kertoja, mutta kaikissa kokeissa Shaer-asennus osoittaa työntövoiman esiintymisen suuntaan.
Mainosvideo:
Shaerin ämpäri ovat testanneet muun muassa NASA, Dresdenin tekninen yliopisto ja Kiinan tiedeakatemia. Keksintöä testattiin monissa olosuhteissa, mukaan lukien tyhjiössä, jossa se osoitti 20 mikronin painon ollessa työntövoima.
Tämä on hyvin vähän verrattuna kemiallisiin suihkumoottoreihin. Mutta kun otetaan huomioon, että Shaer-moottori voi toimia niin kauan kuin haluat, koska se ei tarvitse polttoainetta (aurinkoakut voivat tarjota magnetronin toimimaan), se pystyy potentiaalisesti kiihdyttämään avaruusaluksia valtaviin nopeuksiin, mitattuna prosentteina valon nopeudesta.
Moottorin suorituskyvyn täydelliseksi todistamiseksi on tarpeen suorittaa paljon enemmän mittauksia ja päästä eroon sivuvaikutuksista, joita esimerkiksi ulkoiset magneettikentät voivat aiheuttaa. Kuitenkin jo esitetään vaihtoehtoisia mahdollisia selityksiä Shaer-moottorin epänormaalille työntövoimalle, mikä yleensä rikkoo fysiikan tavanomaisia lakeja.
Esimerkiksi esitetään versioita, joiden mukaan moottori voi luoda työntövoiman vuorovaikutuksestaan fyysisen tyhjiön kanssa, jolla on kvantitasolla energia, joka ei ole nolla ja joka on täynnä jatkuvasti syntyviä ja katoavia virtuaalisia alkuainehiukkasia. Kuka on oikein lopulta - tämän teorian kirjoittajat, Shaer itse tai muut epäilijät, selvitämme lähitulevaisuudessa.
Aurinko purje
Kuten edellä mainittiin, sähkömagneettinen säteily aiheuttaa painetta. Tämä tarkoittaa, että teoriassa se voidaan muuttaa liikkeeksi - esimerkiksi purjeen avulla. Aivan kuten menneiden vuosisatojen alukset tarttuivat tuulen purjeisiinsa, tulevaisuuden avaruusalukset saisivat aurinkoa tai muuta tähtiä purjeissaan.
Ongelmana on kuitenkin, että kevyt paine on erittäin pieni ja vähenee etäisyyden lisääntyessä lähteestä. Siksi, jotta tällainen purje olisi tehokas, sen on oltava erittäin kevyt ja erittäin suuri. Ja tämä lisää koko rakenteen tuhoutumisriskiä, kun se kohtaa asteroidin tai muun esineen.
Yrityksiä rakentaa ja ajaa aurinkopurjeveneitä avaruuteen on jo tapahtunut - vuonna 1993 Venäjä testasi aurinkopurjea Progress-avaruusaluksella ja vuonna 2010 Japani suoritti onnistuneita testejä matkalla Venukseen. Mutta yksikään laiva ei ole koskaan käyttänyt purjaa ensisijaisena kiihtymisen lähteenä. Toinen projekti, sähköpurje, näyttää tässä suhteessa hieman lupaavammalta.
Sähköpurje
Aurinko ei emittoi vain fotoneja, vaan myös sähköisesti varautuneita ainehiukkasia: elektroneja, protoneja ja ioneja. Kaikki ne muodostavat ns. Aurinkotuulen, joka kuljettaa auringon pinnalta noin miljoona tonnia ainetta sekunnissa.
Auringon tuuli leviää miljardien kilometrien päähän ja on vastuussa eräistä planeettamme luonnonilmiöistä: geomagneettisista myrskyistä ja pohjoisvaloista. Maapallo on suojattu aurinkotuulta vastaan omalla magneettikentällä.
Auringon tuuli, kuten ilmatuuli, sopii hyvin matkoille, sinun täytyy vain saada se puhaltamaan purjeisiin. Suomalaisen tutkijan Pekka Janhosen vuonna 2006 luomalla sähköpurjeen projektilla on ulkoisesti vähän yhteistä aurinkohankkeen kanssa. Tämä moottori koostuu useista pitkistä, ohuista kaapeleista, jotka ovat samanlaisia kuin ilman vannetta olevan pyörän pinnat.
Ajon suuntaan säteilevän elektronipistoolin ansiosta nämä kaapelit saavuttavat positiivisen varauksen. Koska elektronin massa on noin 1800 kertaa pienempi kuin protonin massa, elektronien luoma työntövoima ei ole perustavanlaatuinen. Auringon tuulen elektronit eivät ole tärkeitä sellaiselle purjeelle. Mutta positiivisesti varautuneet hiukkaset - protonit ja alfa-säteily - hylätään köysistä, jolloin syntyy suihkumoottori.
Vaikka tämä työntövoima on noin 200 kertaa pienempi kuin aurinkopurjeella, Euroopan avaruusjärjestö on kiinnostunut hankkeesta. Tosiasia, että sähköpurje on paljon helpompi suunnitella, valmistaa, ottaa käyttöön ja käyttää avaruudessa. Lisäksi purje antaa painovoiman avulla matkustaa tähtituulen lähteelle eikä vain siitä. Ja koska tällaisen purjeen pinta-ala on paljon pienempi kuin aurinkopurjeen, se on paljon vähemmän herkkä asteroideille ja avaruusjätteille. Ehkä näemme ensimmäiset kokeelliset alukset sähköpurjeella lähivuosina.
Ionimoottori
Ei vain tähdet lähettävät varautuneiden ainehiukkasten, toisin sanoen ionien, virtausta. Ionisoitu kaasu voidaan myös luoda keinotekoisesti. Tavallisesti kaasuhiukkaset ovat sähköisesti neutraaleja, mutta kun sen atomit tai molekyylit menettävät elektroneja, ne muuttuvat ioneiksi. Tällaisessa kaasussa ei vielä ole kokonaismassaaan sähkövarausta, mutta sen yksittäiset hiukkaset varautuvat, mikä tarkoittaa, että ne voivat liikkua magneettikentässä.
Ionimoottorissa inertti kaasu (yleensä ksenoni) ionisoituu korkeaenergisten elektronien virran avulla. Ne koputtavat elektroneja atomista ja saavat positiivisen varauksen. Lisäksi syntyneet ionit kiihdytetään sähköstaattisessa kentässä nopeuksille, jotka ovat luokkaa 200 km / s, joka on 50 kertaa suurempi kuin kaasun virtausnopeus kemiallisista suihkumoottoreista. Siitä huolimatta nykyaikaisilla ionityöntövoimalaitteilla on hyvin pieni työntövoima - noin 50-100 miwtonia. Tällainen moottori ei pystyisi edes liikkumaan pöydältä. Mutta hänellä on vakava plus.
Suuri ominaisimpulssi voi vähentää moottorin polttoaineenkulutusta merkittävästi. Aurinkoakkuista saatua energiaa käytetään kaasun ionisointiin, joten ionimoottori pystyy toimimaan erittäin pitkään - jopa kolme vuotta ilman häiriöitä. Sellaisena ajanjaksona hänellä on aikaa kiihdyttää avaruusalusta nopeuksille, joista kemialliset moottorit eivät koskaan uneksineet.
Ionimoottorit ovat toistuvasti kyntäneet aurinkokunnan laajuutta osana erilaisia tehtäviä, mutta yleensä apuna eikä pääasiallisina. Tänään, koska mahdollisena vaihtoehtona ionitroottorille, he puhuvat yhä enemmän plasmapotkureista.
Plasmamoottori
Jos atomien ionisaatioaste nousee korkeaksi (noin 99%), niin tällaista aineen aggregoitunutta tilaa kutsutaan plasmaksi. Plasmatila voidaan saavuttaa vain korkeissa lämpötiloissa, joten ionisoitu kaasu lämmitetään plasmamoottoreissa useisiin miljoonaan asteeseen. Lämmitys tapahtuu ulkoisella energialähteellä - aurinkopaneeleilla tai realistisemmin pienellä ydinreaktorilla.
Kuuma plasma työntyy sitten pois raketin suuttimen läpi, jolloin työntövoima on kymmeniä kertoja suurempi kuin ionipuristimen. Yksi esimerkki plasmamoottorista on VASIMR-projekti, jota on kehitetty viime vuosisadan 70-luvulta lähtien. Toisin kuin ionitroottorit, plasmapotkureita ei ole vielä testattu avaruudessa, mutta niihin kiinnitetään suuria toiveita. Se on VASIMR-plasmamoottori, joka on yksi tärkeimmistä ehdokkaista miehitetyille lennoille Marsiin.
Fuusiokone
Ihmiset ovat yrittäneet kesyttää lämpöydinfuusion energiaa 2000-luvun puolivälistä lähtien, mutta toistaiseksi he eivät ole pystyneet tekemään tätä. Siitä huolimatta hallittu lämpöydinfuusio on edelleen erittäin houkutteleva, koska se on valtavan energian lähde, joka saadaan erittäin halvoista polttoaineista - heliumin ja vedyn isotoopeista.
Tällä hetkellä on olemassa useita projekteja suihkumoottorin suunnitteluun ydinfuusion energian suhteen. Niistä lupaavinta pidetään mallina, joka perustuu reaktoriin, jolla on magneettinen plasmarajoitus. Tällaisen moottorin lämpöydinreaktori on paineistamaton lieriömäinen kammio, jonka pituus on 100-300 metriä ja halkaisija 1-3 metriä. Kammio tulee toimittaa polttoaineena korkean lämpötilan plasman muodossa, joka riittävän paineessa alkaa ydinfuusioreaktioon. Kammion ympärillä sijaitsevien magneettisen järjestelmän kelojen tulisi estää tämä plasma koskettamasta laitetta.
Lämpöydinreaktiovyöhyke sijaitsee tällaisen sylinterin akselia pitkin. Magneettikenttien avulla erittäin kuuma plasma virtaa reaktorin suuttimen läpi, jolloin syntyy valtava työntövoima, monta kertaa suurempi kuin kemiallisissa moottoreissa.
Antimateriaalimoottori
Kaikki meitä ympäröivä aine koostuu fermioneista - alkuainehiukkasista, joiden kokonaispuolinen spin on puolella. Nämä ovat esimerkiksi kvarkeja, jotka muodostavat protoneja ja neutroneja atomiytimissä, samoin kuin elektroneja. Lisäksi jokaisella fermionilla on oma antihiukkasensa. Elektroneille tämä on positron, kvarkeille - antiikkärki.
Hiukkasilla on sama massa ja sama spin kuin tavanomaisilla "tovereillaan", ja ne eroavat kaikkien muiden kvanttiparametrien merkistä. Teoriassa hiukkasten vastaiset aineet kykenevät muodostamaan antimaterian, mutta toistaiseksi universumissa ei ole rekisteröity antimateriaa. Perustieteen kannalta iso kysymys on, miksi sitä ei ole olemassa.
Mutta laboratorio-olosuhteissa voit saada antimateriaalia. Esimerkiksi äskettäin suoritettiin koe, jossa verrattiin magneettiseen ansaan varastoituneiden protonien ja antiprotonien ominaisuuksia.
Kun antimateria ja tavallinen aine kohtaavat, tapahtuu keskinäinen tuhoaminen, jota seuraa kolosaalisen energian purske. Joten jos otamme kilogramman ainetta ja antimateriaa, silloin niiden tapaamisessa vapautuva energian määrä on verrattavissa "tsaaripommin" räjähdykseen - ihmiskunnan historian tehokkaimpaan vetypommiin.
Lisäksi merkittävä osa energiasta vapautuu sähkömagneettisen säteilyn fotonien muodossa. Vastaavasti on halu käyttää tätä energiaa avaruusmatkoihin luomalla aurinkopurjeen kaltainen fotonimoottori, vain tässä tapauksessa valo syntyy sisäisestä lähteestä.
Mutta säteilyn tehokkaaseen käyttämiseen suihkumoottorissa on välttämätöntä ratkaista "peilin" muodostamisen ongelma, joka pystyisi heijastamaan näitä fotoneja. Loppujen lopuksi laivan täytyy jotenkin työntyä pois työntövoiman luomiseksi.
Mikään nykyaikainen materiaali ei yksinkertaisesti voi kestää tällaisen räjähdyksen yhteydessä syntyvää säteilyä ja haihtuu heti. Strugatsky-veljet ratkaisivat scifi-romaaneissaan tämän ongelman luomalla "absoluuttisen heijastimen". Todellisessa elämässä mitään tällaista ei ole vielä tehty. Tämä tehtävä, kuten suuren määrän antimateriaalin luominen ja sen pitkäaikainen varastointi, on tulevaisuuden fysiikan asia.