Kaasaegsed rakettmootorid teevad tehnoloogia orbiidile viimisel head tööd, kuid ei sobi pikka kosmosereisiks. Seetõttu on teadlased rohkem kui tosin aastat töötanud alternatiivsete kosmosemootorite loomisel, mis võiksid kiirendada laevade kiiruse registreerimist. Vaatame selle valdkonna seitset peamist ideed.
EmDrive
Liikumiseks peate millegi eest eemale tõukama - seda reeglit peetakse füüsika ja astronautika üheks kõigutamatuks tugisambaks. Millest täpselt alustada - maast, veest, õhust või gaasijugast, nagu rakettmootorite puhul -, polegi nii oluline.
Tuntud mõttekatse: kujutage ette, et astronaut läks kosmosesse, kuid teda kosmoseaparaadiga ühendav kaabel purunes järsku ja inimene hakkab aeglaselt minema lendama. Kõik, mis tal on, on tööriistakast. Millised on tema teod? Õige vastus: ta peab tööriistad laevalt minema viskama. Hüppe säilitamise seaduse kohaselt visatakse inimene instrumendist täpselt sama jõuga kui instrument inimeselt, nii et ta liigub järk-järgult laeva poole. See on reaktiivmootor - ainus võimalik viis tühjas ruumis liikumiseks. Tõsi, nagu eksperimendid näitavad, on EmDrive'il mõned võimalused selle kõigutamatu väite ümber lükata.
Selle mootori looja on Briti insener Roger Shaer, kes asutas 2001. aastal oma ettevõtte Satellite Propulsion Research. EmDrive disain on üsna ekstravagantne ja kujuga metallist ämber, mis on suletud mõlemast otsast. Selle ämbri sees on magnetron, mis kiirgab elektromagnetilisi laineid - sama nagu tavalises mikrolaineahjus. Ja see osutub väga väikese, kuid üsna märgatava tõukejõu loomiseks piisavaks.
Autor ise selgitab oma mootori töötamist elektromagnetilise kiirguse rõhu erinevuse kaudu "kopa" erinevates otstes - kitsas otsas on see väiksem kui laias. See loob kitsa otsa suunas suunatud tõukejõu. Sellise mootori töötamise võimalusele on korduvalt vaidlustatud, kuid kõigis katsetes näitab Shaeri paigaldus tõukejõu olemasolu ettenähtud suunas.
Reklaamvideo:
Shaeri koppa katsetanud eksperimentide hulka kuuluvad sellised organisatsioonid nagu NASA, Dresdeni tehnikaülikool ja Hiina teaduste akadeemia. Leiutist testiti erinevates tingimustes, sealhulgas vaakumis, kus see näitas tõukejõu 20 mikronit.
See on keemiliste reaktiivmootoritega võrreldes väga vähe. Kuid arvestades, et Shaeri mootor võib töötada nii kaua kui soovite, kuna see ei vaja kütusevarustust (päikesepatareid võivad magnetroni tööle anda), on see potentsiaalselt võimeline kosmoselaevu kiirendama tohututele kiirustele, mõõdetuna protsentides valguse kiirusest.
Mootori jõudluse täielikuks tõestamiseks on vaja läbi viia veel palju mõõtmisi ja vabaneda kõrvaltoimetest, mida võivad tekitada näiteks välised magnetväljad. Kuid Shaeri mootori ebanormaalse tõukejõu jaoks on juba esitatud alternatiivsed võimalikud selgitused, mis üldiselt rikub tavalisi füüsikaseadusi.
Näiteks pakutakse välja versioone, et mootor suudab tekitada tõukejõudu tänu oma interaktsioonile füüsilise vaakumiga, mille kvanttasandil on nullist erinev energia ja mis on täidetud pidevalt tekkivate ja kaovate virtuaalsete elementaarosakestega. Kellel lõpuks õigus on - selle teooria autorid, Shaer ise või muud skeptikud, saame teada lähiajal.
Päikesepurje
Nagu eespool mainitud, avaldab elektromagnetiline kiirgus survet. See tähendab, et teoreetiliselt saab selle ümber muuta liikumiseks - näiteks purje abil. Nii nagu möödunud sajandite laevad lõid purjedesse tuult, püüavad tuleviku kosmoselaevad nende purjedesse päikest või muud tähevalgust.
Probleem on aga selles, et valguse rõhk on äärmiselt väike ja väheneb, kui kaugus allikast suureneb. Seetõttu peab selline puri efektiivsuse tagamiseks olema väga kerge ja väga suur. Ja see suurendab kogu struktuuri hävimisohtu, kui see puutub kokku asteroidi või muu objektiga.
Katsed päikese purjelaevade ehitamiseks ja kosmosesse laskmiseks on juba aset leidnud - 1993. aastal katsetas Venemaa päikesepurje Progressi kosmoselaeval ja 2010. aastal viis Jaapan edukate testide teekonnal Veenusele. Kuid ükski laev pole kunagi purje oma peamise kiirenduse allikana kasutanud. Teine projekt, elektripurk, tundub selles osas mõneti paljutõotavam.
Elektripurk
Päike ei kiirga mitte ainult footoneid, vaid ka elektriliselt laetud aine osakesi: elektronid, prootonid ja ioonid. Kõik need moodustavad niinimetatud päikesetuule, mis kannab päikese pinnalt sekundis umbes miljon tonni ainet.
Päikesetuul levib miljardites kilomeetrites ja vastutab meie planeedi mõne loodusnähtuse: geomagnetiliste tormide ja virmaliste eest. Maa on päikesetuule eest kaitstud oma magnetväljaga.
Päikesetuul, nagu õhutuul, on reisimiseks üsna sobiv, peate lihtsalt panema selle purjedesse puhuma. Soome teadlase Pekka Janhuneni poolt 2006. aastal loodud elektripurgi projektil on väliselt päikeseprojektiga vähe ühist. See mootor koosneb mitmest pikast õhukesest kaablist, mis sarnaneb veljeta ratta kodaratega.
Tänu elektronpüstolile, mis kiirgab vastu liikumissuunda, omandavad need kaablid positiivse laetud potentsiaali. Kuna elektroni mass on umbes 1800 korda väiksem kui prootoni mass, ei mängi elektronide loodud tõukejõud põhilist rolli. Päikesetuule elektronid pole sellise purje jaoks olulised. Kuid positiivselt laetud osakesed - prootonid ja alfakiirgus - tõrjutakse trossidelt, luues sellega reaktiivjõu tõukejõu.
Ehkki see tõukejõud on umbes 200 korda väiksem kui päikesepurje puhul, on projekt huvitatud Euroopa Kosmoseagentuurist. Fakt on see, et elektripurki on kosmoses palju lihtsam kujundada, toota, kasutusele võtta ja kasutada. Lisaks võimaldab puri gravitatsiooni abil sõita ka tähetuule allikale ja mitte ainult sellest eemale. Ja kuna sellise purje pindala on palju väiksem kui päikesepurje pindala, on see asteroidide ja kosmoseprahi suhtes palju vähem tundlik. Võib-olla näeme järgmiste aastate jooksul esimesi katseparvlaevu elektripurgal.
Ioonmootor
Aine laetud osakeste, see tähendab ioonide, voolu ei kiirga mitte ainult tähed. Ioniseeritud gaasi saab luua ka kunstlikult. Tavaliselt on gaasiosakesed elektriliselt neutraalsed, kuid kui selle aatomid või molekulid kaotavad elektronid, muutuvad nad ioonideks. Sellise gaasi kogumassis puudub endiselt elektrilaeng, kuid selle üksikud osakesed muutuvad laetud, mis tähendab, et nad saavad liikuda magnetväljas.
Ioonmootoris ioniseeritakse inertset gaasi (tavaliselt ksenooni) suure energiatarbega elektronide voolu abil. Nad löövad elektronid aatomitest välja ja nad omandavad positiivse laengu. Lisaks kiirendatakse saadud ioone elektrostaatilises väljal kiiruseni 200 km / s, mis on 50 korda suurem kui keemiliste reaktiivmootoritega gaasi väljavoolu kiirus. Sellegipoolest on tänapäevastel ioontraktoritel väga väike tõukejõud - umbes 50-100 miswtonti. Selline mootor ei suudaks isegi laualt ära liikuda. Kuid tal on tõsine pluss.
Suur spetsiifiline impulss võib märkimisväärselt vähendada mootori kütusekulu. Päikesepatareidest saadavat energiat kasutatakse gaasi ioniseerimiseks, seega on ioonmootor võimeline töötama väga pikka aega - kuni kolm aastat ilma häireteta. Selliseks perioodiks on tal aega kosmoselaeva kiirendamiseks kiirusele, millest keemiamootorid kunagi unistada ei osanud.
Ioonmootorid on korduvalt kündnud Päikesesüsteemi avarust mitmesuguste missioonide osana, kuid tavaliselt abistavate ja mitte põhilistena. Tänapäeval räägivad nad kui ioontraktorite võimaliku alternatiivina üha enam plasma tõukejõude.
Plasmamootor
Kui aatomite ionisatsiooni aste muutub kõrgeks (umbes 99%), nimetatakse sellist aine agregaatolekut plasmaks. Plasma olekut saab saavutada ainult kõrgetel temperatuuridel, seetõttu kuumutatakse ioniseeritud gaasi plasmamootorites mitme miljoni kraadini. Kütmiseks kasutatakse välist energiaallikat - päikesepaneele või, mis on reaalsem, väikest tuumareaktorit.
Kuum plasma väljutatakse seejärel läbi raketiotsiku, luues tõukejõu kümneid kordi suuremaks kui ioonotraktoril. Plasmamootori üheks näiteks on projekt VASIMR, mida on arendatud eelmise sajandi 70. aastatest alates. Erinevalt ioontraktoritest pole plasma tõukejõude kosmoses veel katsetatud, kuid neile on pandud suuri lootusi. Just plasmamootor VASIMR on üks peamisi kandidaate Marsile mehitatud lendudele.
Termotuumasünteesimootor
Inimesed on juba kahekümnenda sajandi keskpaigast püüdnud taltsu termotuumasünteesi taltsutada, kuid seni pole nad seda suutnud teha. Sellegipoolest on kontrollitud termotuumasüntees endiselt väga atraktiivne, kuna see on tohutu energiaallikas, mis saadakse väga odavatest kütustest - heeliumi ja vesiniku isotoopidest.
Praegu on mitu tuumasünteesi energiaenergiaga reaktiivmootori kavandamise projekti. Neist kõige lootustandvamaks peetakse mudelit, mis põhineb magnetilise plasmaga suletud reaktoril. Sellises mootoris sisalduvaks termotuumasünteesireaktoriks on lekkiv silindriline kamber, mille pikkus on 100-300 meetrit ja läbimõõt 1-3 meetrit. Kamber tuleks varustada kõrge temperatuuriga plasma kujul oleva kütusega, mis piisava rõhu korral toimub tuumasünteesi reaktsioonis. Kambri ümber asuvad magnetilise süsteemi mähised peaksid hoidma seda plasma seadmetest kontaktis.
Termotuumareaktsiooni tsoon asub piki sellise silindri telge. Magnetväljade abil voolab reaktori otsiku kaudu äärmiselt kuum plasma, luues tohutu tõukejõu, mitu korda suurem kui keemiliste mootorite oma.
Antimaterjalimootor
Kõik meie ümber olev aine koosneb fermioonidest - poole täisarvuga spinnist koosnevatest elementaarsetest osakestest. Need on näiteks kvargid, mis moodustavad aatomituumades prootoneid ja neutroneid, aga ka elektrone. Lisaks on igal fermioonil oma antiosake. Elektroni jaoks on see positron, kvargi jaoks - antiik.
Osakestel on sama mass ja sama spin kui nende tavalistel "seltsimeestel", erinedes kõigi teiste kvantparameetrite märgist. Teoreetiliselt on antiosakesed võimelised moodustama antimaterjali, kuid seni pole universumis antimaterjali veel registreeritud. Alusteaduse jaoks on suur küsimus, miks seda ei eksisteeri.
Kuid laboritingimustes võite saada mõnda antimaterjali. Näiteks viidi hiljuti läbi katse, milles võrreldi magnetilises lõksus hoitavate prootonite ja antiprotonite omadusi.
Kui antimateria ja tavaline aine kohtuvad, toimub vastastikune hävitamine, millega kaasneb kolossaalse energia purunemine. Niisiis, kui võtta kilogramm ainet ja antimaterjali, on nende kokkusaamisel vabanev energiakogus võrreldav "tsaaripommi" plahvatusega - inimkonna ajaloo võimsaima vesinikupommiga.
Lisaks eraldub märkimisväärne osa energiast elektromagnetilise kiirguse footonite kujul. Sellest tulenevalt on soov kasutada seda energiat kosmoses reisimiseks, luues footonmootori, mis sarnaneb päikesepurjega, ainult sel juhul tekitab valgust sisemine allikas.
Kuid kiirguse efektiivseks kasutamiseks reaktiivmootoris on vaja lahendada "peegli" loomise probleem, mis suudaks neid footoneid peegeldada. Lõppude lõpuks peab laev tõukejõu tekitamiseks kuidagi minema minema.
Ükski tänapäevane materjal lihtsalt ei talu sellise plahvatuse korral sündinud kiirgust ja aurustub koheselt. Oma ulmeromaanides lahendasid vennad Strugatskid selle probleemi, luues "absoluutse reflektori". Päris elus pole midagi sellist veel tehtud. See ülesanne, nagu ka suure hulga antimaterjali loomine ja selle pikaajaline ladustamine, on tuleviku füüsika küsimus.
