Moderna raketmotorer gör ett bra jobb med att sätta teknik i omloppsbana, men de är helt olämpliga för lång rymdfärd. Därför har forskare i mer än ett dussin år arbetat med att skapa alternativa rymdmotorer som kan påskynda fartyg till rekordhastigheter. Låt oss ta en titt på sju nyckelidéer från detta område.
EmDrive
För att flytta måste du stänga av från något - denna regel anses vara en av de oskakliga pelarna inom fysik och astronautik. Vad exakt att börja med - från jord, vatten, luft eller en gasstråle, som för raketmotorer - är inte så viktigt.
Ett välkänt tankeexperiment: föreställ dig att en astronaut gick ut i rymden, men kabeln som ansluter honom till rymdskeppet plötsligt brast och personen börjar sakta flyga bort. Allt han har är en verktygslåda. Vilka är hans handlingar? Rätt svar: han måste kasta verktyg från fartyget. Enligt lagen om bevarande av fart, kommer personen att kastas bort från instrumentet med exakt samma kraft som instrumentet från personen, så att han gradvis rör sig mot fartyget. Detta är jetkraft - det enda möjliga sättet att röra sig i tomt utrymme. Det är sant att EmDrive, som experiment visar, har några chanser att motbevisa detta oskakliga uttalande.
Skaparen av denna motor är den brittiska ingenjören Roger Shaer, som grundade sitt eget företag Satellite Propulsion Research 2001. Utformningen av EmDrive är ganska extravagant och är en metall hink i form, förseglad i båda ändarna. Inuti denna hink finns en magnetron som avger elektromagnetiska vågor - samma som i en konventionell mikrovågsugn. Och det visar sig vara tillräckligt för att skapa en mycket liten men ganska märkbar drivkraft.
Författaren själv förklarar driften av sin motor genom tryckskillnaden för elektromagnetisk strålning i olika ändar av "skopan" - vid den smala änden är den mindre än vid den breda. Detta skapar ett tryck riktat mot den smala änden. Möjligheten för en sådan motoroperation har utmanats mer än en gång, men i alla experiment visar Shaer-installationen närvaron av drivkraft i avsedd riktning.
Kampanjvideo:
Experimentörer som har testat Shaers hink inkluderar organisationer som NASA, Technical University of Dresden och Chinese Academy of Sciences. Uppfinningen testades under en mängd olika förhållanden, inklusive i ett vakuum, där den visade närvaron av ett tryck på 20 mikronton.
Detta är väldigt lite relativt kemiska jetmotorer. Men med tanke på att Shaer-motorn kan fungera så länge du vill, eftersom den inte behöver en bränsleförsörjning (solbatterier kan ge magnetronen att fungera), är den potentiellt kapabel att accelerera rymdskeppet till enorma hastigheter, mätt som en procentandel av ljusets hastighet.
För att bevisa motorns prestanda är det nödvändigt att göra många fler mätningar och bli av med biverkningar som kan genereras, till exempel av externa magnetfält. Men alternativa möjliga förklaringar för den onormala drivkraften hos Shaer-motoren läggs redan fram, vilket i allmänhet bryter mot fysikens vanliga lagar.
Till exempel läggs versioner fram att motorn kan skapa drivkraft på grund av dess interaktion med ett fysiskt vakuum, som på kvantnivå har icke-noll energi och är fylld med ständigt växande och försvinnande virtuella elementära partiklar. Vem kommer att ha rätt i slutet - författarna till denna teori, Shaer själv eller andra skeptiker, kommer vi att ta reda på i en snar framtid.
Sol segel
Som nämnts ovan utövar elektromagnetisk strålning tryck. Detta innebär att det i teorin kan omvandlas till rörelse - till exempel med hjälp av ett segel. Precis som de senaste århundradenens fartyg fångade vinden i seglen, skulle framtidens rymdskepp fånga solen eller något annat stjärnljus i seglen.
Problemet är dock att ljustrycket är extremt litet och minskar med ökande avstånd från källan. För att vara effektivt måste ett sådant segel vara mycket lätt och mycket stort. Och detta ökar risken för förstörelse av hela strukturen när den stöter på en asteroid eller annat föremål.
Försök att bygga och lansera solfartyg till rymden har redan ägt rum - 1993 testade Ryssland solseglet på rymdskeppet Progress, och 2010 genomförde Japan framgångsrika tester på väg till Venus. Men inte ett enda fartyg har någonsin använt seglet som sin främsta accelerationskälla. Ett annat projekt, ett elektriskt segel, ser något mer lovande ut i detta avseende.
Elektriskt segel
Solen avger inte bara fotoner, utan också elektriskt laddade partiklar av materia: elektroner, protoner och joner. Alla bildar den så kallade solvinden, som transporterar bort från solens yta ungefär en miljon ton materia varje sekund.
Solvinden sprider sig över miljarder kilometer och ansvarar för vissa naturfenomen på vår planet: geomagnetiska stormar och norrskenet. Jorden skyddas från solvinden med sitt eget magnetfält.
Solvinden, som luftvinden, är ganska lämplig för resor, du behöver bara låta den blåsa i seglen. Projektet med det elektriska seglet, som skapades 2006 av den finska forskaren Pekka Janhunen, har utåt litet gemensamt med solenergin. Denna motor består av flera långa, tunna kablar, liknande ekarna på ett hjul utan fälg.
Tack vare den elektronpistolen som avger mot körriktningen får dessa kablar en positiv laddad potential. Eftersom massan hos en elektron är ungefär 1800 gånger mindre än massan för en proton, kommer drivkraften som skapas av elektroner inte att spela en grundläggande roll. Solvindens elektroner är inte viktiga för ett sådant segel. Men positivt laddade partiklar - protoner och alfastrålning - kommer att avvisas från repen och därigenom skapa jetkraft.
Även om detta drivkraft kommer att vara cirka 200 gånger mindre än för ett solsegel, är Europeiska rymdorganisationen intresserad av projektet. Faktum är att ett elektriskt segel är mycket lättare att designa, tillverka, distribuera och använda i rymden. Genom att använda tyngdkraften ger seglet dig också möjlighet att resa till källan till stjärnvinden, och inte bara bort från den. Och eftersom ytan på ett sådant segel är mycket mindre än för ett solsegel, är det mycket mindre sårbart för asteroider och rymdavfall. Kanske kommer vi att se de första experimentfartygen på ett elektriskt segel under de närmaste åren.
Jonmotor
Flödet av laddade partiklar av materia, det vill säga joner, släpps inte bara ut av stjärnor. Ioniserad gas kan också skapas konstgjord. Normalt är gaspartiklar elektriskt neutrala, men när dess atomer eller molekyler förlorar elektroner förvandlas de till joner. I sin totala massa har en sådan gas fortfarande inte en elektrisk laddning, men dess enskilda partiklar blir laddade, vilket betyder att de kan röra sig i ett magnetfält.
I en jonmotor joniseras en inert gas (vanligtvis xenon) av en ström av högenergi-elektroner. De slår elektroner ur atomer och de får en positiv laddning. Vidare accelereras de resulterande jonerna i ett elektrostatiskt fält till hastigheter i storleksordningen 200 km / s, vilket är 50 gånger större än hastigheten för gasutflöde från kemiska jetmotorer. Trots detta har moderna jonstrusterar en mycket liten drivkraft - cirka 50-100 millinewton. En sådan motor skulle inte ens kunna röra sig från bordet. Men han har ett allvarligt plus.
En stor specifik impuls kan minska bränsleförbrukningen i motorn betydligt. Energi som erhålls från solbatterier används för att jonisera gas, så jonmotorn kan arbeta under mycket lång tid - upp till tre år utan avbrott. Under en sådan period kommer han att få tid att påskynda rymdskeppet till hastigheter som kemiska motorer aldrig drömt om.
Ionmotorer har plötsligt plöjt solsystemets omfattning som en del av olika uppdrag, men vanligtvis som hjälp och inte som huvud. I dag, som ett möjligt alternativ till jonstrusterar, pratar de i allt högre grad om plasmastrustare.
Plasmamotor
Om joniseringsgraden av atomer blir hög (cirka 99%) kallas ett sådant sammanlagrat tillstånd av material plasma. Plasmatillstånd kan endast uppnås vid höga temperaturer, därför värms joniserad gas upp till flera miljoner grader i plasmamotorer. Uppvärmningen utförs med en extern energikälla - solpaneler eller, mer realistiskt, en liten kärnreaktor.
Den heta plasman sprutas sedan ut genom raketmunstycket, vilket skapar tryck tiotals gånger större än för en jonpropeller. Ett exempel på en plasmamotor är VASIMR-projektet, som har utvecklats sedan 70-talet av förra seklet. Till skillnad från jonstrusterar har plasmastrusterar ännu inte testats i rymden, men det finns stora förhoppningar på dem. Det är VASIMR-plasmamotorn som är en av de viktigaste kandidaterna för bemannade flygningar till Mars.
Fusionsmotor
Människor har försökt tämja energin från termonukleär fusion sedan mitten av det tjugonde århundradet, men hittills har de inte kunnat göra det. Ändå är kontrollerad termonukleär fusion fortfarande mycket attraktiv eftersom den är en källa till enorm energi som erhålls från mycket billigt bränsle - isotoper av helium och väte.
För närvarande finns det flera projekt för design av en jetmotor på energin från termonukleär fusion. Den mest lovande av dem anses vara en modell baserad på en reaktor med magnetisk plasmabeslutning. Fusionsreaktorn i en sådan motor kommer att vara en läckande cylindrisk kammare 100-300 meter lång och 1-3 meter i diameter. Kammaren bör förses med bränsle i form av högtemperaturplasma, som vid tillräckligt tryck kommer in i en kärnfusionsreaktion. Spolarna i det magnetiska systemet som finns runt kammaren bör hindra denna plasma från att komma i kontakt med utrustningen.
Den termonukleära reaktionszonen är belägen längs axeln på en sådan cylinder. Med hjälp av magnetfält flödar extremt het plasma genom munstycket på reaktorn, vilket skapar enormt kraft, många gånger större än för kemiska motorer.
Antimattermotor
Allt kring oss består av fermioner - elementära partiklar med halv-heltal snurr. Dessa är till exempel kvarkar som utgör protoner och neutroner i atomkärnor såväl som elektroner. Dessutom har varje fermion sin egen antipartikel. För en elektron är detta en positron, för en kvark - en antikvark.
Antipartiklar har samma massa och samma vridning som deras vanliga "kamrater" och skiljer sig åt i tecken på alla andra kvantparametrar. I teorin är antipartiklar kapabla att bilda antimateria, men hittills ingenstans i universum har antimateria registrerats. För grundvetenskap är den stora frågan varför den inte finns.
Men under laboratorieförhållanden kan du få lite antimateria. Exempelvis genomfördes ett experiment nyligen där man jämför egenskaperna hos protoner och antiprotoner som lagrades i en magnetfälla.
När antimateria och vanligt ämne möts inträffar en process med ömsesidig förintelse, åtföljd av en spräng av kolossal energi. Så om du tar ett kilo materia och antimateria, kommer den mängd energi som släpps ut när de möts vara jämförbar med explosionen av "Tsar Bomb" - den mest kraftfulla vätebomben i mänsklighetens historia.
Dessutom kommer en betydande del av energin att frigöras i form av fotoner av elektromagnetisk strålning. Följaktligen finns det en önskan att använda denna energi för rymdfärd genom att skapa en fotonmotor, liknande en solsegla, endast i detta fall kommer ljuset att genereras av en intern källa.
Men för att effektivt använda strålningen i en jetmotor är det nödvändigt att lösa problemet med att skapa en "spegel" som skulle kunna spegla dessa fotoner. När allt kommer omkring måste fartyget på något sätt trycka av för att skapa drivkraft.
Inget modernt material tål helt enkelt inte den strålning som föds i händelse av en sådan explosion och kommer omedelbart att förångas. I sina science-fiction-romaner löste bröderna Strugatsky detta problem genom att skapa en "absolut reflektor". I verkligheten har inget liknande gjort ännu. Denna uppgift, liksom frågorna om att skapa en stor mängd antimateria och dess långsiktiga lagring, är en fråga för framtidens fysik.