Moderni raketni motori rade dobar posao stavljanjem tehnologije u orbitu, ali potpuno su neprikladni za dugačka putovanja u svemir. Stoga znanstvenici već više od desetak godina rade na stvaranju alternativnih svemirskih motora koji bi brodove mogli ubrzati do rekordne brzine. Pogledajmo sedam ključnih ideja iz ovog područja.
EmDrive
Da biste se kretali, morate se odgurnuti od nečega - ovo se pravilo smatra jednim od nepokolebljivih stupova fizike i astronautike. Što točno treba započeti - od zemlje, vode, zraka ili mlaza plina, kao u slučaju raketnih motora - nije toliko važno.
Dobro poznati misaoni eksperiment: zamislite da je astronaut otišao u svemir, ali kabel koji ga povezuje sa svemirskim brodom odjednom se slomio i osoba počinje polako letjeti. Sve što posjeduje je kutija s alatima. Kakvi su njegovi postupci? Točan odgovor: treba baciti oruđe s broda. Prema zakonu o očuvanju zamaha, osoba će biti bačena s instrumenta s točno istom silom kao i instrument od osobe, pa će se postupno kretati prema brodu. Ovo je mlazni potisak - jedini mogući način kretanja u prazan prostor. Istina, EmDrive, kako pokazuju eksperimenti, ima neke šanse pobiti ovu nepokolebljivu tvrdnju.
Tvorac ovog motora je britanski inženjer Roger Shaer, koji je 2001. osnovao vlastitu tvrtku Satellite Propulsion Research. Dizajn EmDrive-a prilično je ekstravagantan i predstavlja metalnu kantu u obliku, zabrtvljenu na oba kraja. Unutar ove kante nalazi se magnetron koji odašilje elektromagnetske valove - isti kao u uobičajenoj mikrovalnoj pećnici. A ispada da je dovoljno za stvaranje vrlo malog, ali prilično uočljivog potiska.
Sam autor objašnjava rad svog motora razlikom tlaka elektromagnetskog zračenja na različitim krajevima "kante" - na užem kraju je manji nego na širokom. To stvara potisak usmjeren prema uskom kraju. Mogućnost takvog rada motora već je više puta dovedena u pitanje, ali u svim eksperimentima Shaer-ova instalacija pokazuje prisutnost potiska u predviđenom smjeru.
Promotivni video:
Eksperimentalni stručnjaci koji su testirali Shaerove kante uključuju organizacije kao što su NASA, Tehničko sveučilište u Dresdenu i Kineska akademija znanosti. Izum je testiran u različitim uvjetima, uključujući u vakuumu, gdje je pokazao prisutnost potiska od 20 mikrotonutova.
To je vrlo malo u odnosu na kemijske mlazne motore. No, s obzirom na to da Shaerov motor može raditi koliko god želite, budući da ne treba opskrbu gorivom (solarne baterije mogu pružiti magnetron za rad), potencijalno je sposoban ubrzati svemirske letjelice do ogromnih brzina, mjereno kao postotak brzine svjetlosti.
Da biste u potpunosti dokazali rad motora, potrebno je obaviti mnogo više mjerenja i riješiti se nuspojava koje mogu stvoriti, na primjer, vanjska magnetska polja. Međutim, već se nude alternativna moguća objašnjenja za nenormalni potisak Shaerovog motora, što općenito krši uobičajene zakone fizike.
Na primjer, iznose se verzije da motor može stvoriti potisak zbog svoje interakcije s fizičkim vakuumom, koji na kvantnoj razini ima ne-nultu energiju i puni se neprestano nastajućim i nestajućim virtualnim elementarnim česticama. Tko će biti na kraju u pravu - autori ove teorije, sam Shaer ili drugi skeptici, saznat ćemo u skoroj budućnosti.
Solarno jedro
Kao što je gore spomenuto, elektromagnetsko zračenje vrši pritisak. To znači da se u teoriji to može pretvoriti u kretanje - na primjer, uz pomoć jedra. Baš kao što su brodovi prošlih stoljeća hvatali vjetar u svoja jedra, tako će svemirska letjelica uhvatiti sunce ili bilo koju drugu zvjezdanu svjetlost u svoja jedra.
Problem je, međutim, što je tlak svjetlosti izuzetno mali i opada s povećanjem udaljenosti od izvora. Stoga, da bi bilo učinkovito, takvo jedro mora biti vrlo lagano i vrlo veliko. A to povećava rizik od uništenja čitave građevine kada naiđe na asteroid ili neki drugi objekt.
Pokušaji izgradnje i pokretanja solarnih jedrilica u svemir već su se dogodili - 1993. Rusija je testirala solarno jedro na svemirskoj letjelici Progress, a 2010. godine Japan je izveo uspješna ispitivanja na putu do Venere. Ali niti jedan brod nikada nije koristio jedro kao svoj glavni izvor ubrzanja. Drugi projekt, električno jedro, u tom je pogledu izgleda nešto više obećavajući.
Električno jedro
Sunce ne emitira samo fotone, već i električno nabijene čestice materije: elektrone, protone i ione. Svi oni tvore takozvani solarni vjetar koji svake sekunde nosi sa Sunca površinu oko milijun tona materije.
Solarni se vjetar širi više milijardi kilometara i odgovoran je za neke prirodne pojave na našem planetu: geomagnetske oluje i sjeverna svjetla. Zemlja je zaštićena od sunčevog vjetra vlastitim magnetskim poljem.
Solarni vjetar, poput zračnog vjetra, sasvim je pogodan za putovanja, samo ga morate natjerati da puše u jedra. Projekt električnog jedra, koji je 2006. godine stvorio finski znanstvenik Pekka Janhunen, ima prema van malo zajedničkog sa solarnim. Ovaj se motor sastoji od nekoliko dugih, tankih kabela, sličnih žbicama kotača bez naplatka.
Zahvaljujući pištolju elektrona koji se oslobađa u smjeru vožnje, ovi kablovi stječu pozitivan nabijeni potencijal. Kako je masa elektrona oko 1800 puta manja od mase protona, potisak koji stvaraju elektroni neće igrati fundamentalnu ulogu. Elektroni solarnog vjetra nisu važni za takvo jedro. Ali pozitivno nabijene čestice - protoni i alfa zračenje - odgurnuti će se od užadi, stvarajući tako mlazni potisak.
Iako će ovaj potisak biti oko 200 puta manji od solarnog jedra, Europska svemirska agencija zainteresirana je za projekt. Činjenica je da je električno jedro mnogo lakše oblikovati, proizvoditi, rasporediti i raditi u svemiru. Osim toga, koristeći gravitaciju, jedro također omogućava putovanje do izvora zvjezdanog vjetra, a ne samo od njega. A budući da je površina takvog jedra mnogo manja od površine solarnog jedra, mnogo je manje osjetljiva na asteroide i svemirske krhotine. Možda ćemo prve eksperimentalne brodove na električnom jedru vidjeti u sljedećih nekoliko godina.
Ionski motor
Tok nabijenih čestica materije, tj. Iona, ne emitiraju samo zvijezde. Ionizirani plin može se stvoriti i umjetno. Normalno, čestice plina su električno neutralne, ali kada njegovi atomi ili molekule izgube elektrone, pretvaraju se u ione. U svojoj ukupnoj masi takav plin još uvijek nema električni naboj, ali njegove pojedinačne čestice postaju nabijene, što znači da se mogu kretati u magnetskom polju.
U ionskom motoru inertni plin (obično ksenon) ionizira se strujom visokoenergetskih elektrona. Oni izbijaju elektrone iz atoma i oni stječu pozitivan naboj. Nadalje, nastali ioni ubrzavaju se u elektrostatskom polju do brzine od oko 200 km / s, što je 50 puta veće od brzine odljeva plina iz kemijskih mlaznih motora. Ipak, moderni ionski potisnici imaju vrlo mali potisak - oko 50-100 milinewtons. Takav motor se ne bi mogao maknuti ni sa stola. Ali ima ozbiljan plus.
Veliki specifični impuls može značajno smanjiti potrošnju goriva u motoru. Energija dobivena solarnim baterijama koristi se za ionizaciju plina, pa ionski motor može raditi vrlo dugo - do tri godine bez prekida. Za takvo će razdoblje imati vremena ubrzati svemirsku letjelicu do brzine o kojoj kemijski motori nisu ni sanjali.
Ionski motori opetovano su plutali prostranstvom Sunčevog sustava u sklopu raznih misija, ali obično kao pomoćni, a ne glavni. Danas se kao moguća alternativa ionskim potisnicima sve više govori o potisnicima plazme.
Motor u plazmi
Ako stupanj ionizacije atoma postane visok (oko 99%), tada se takvo agregatno stanje materije naziva plazma. Stanje plazme može se postići samo pri visokim temperaturama, stoga se ionizirani plin zagrijava do nekoliko milijuna stupnjeva u plazma motorima. Grijanje se provodi pomoću vanjskog izvora energije - solarnih panela ili, što je realnije, malog nuklearnog reaktora.
Vruća plazma tada se izbacuje kroz mlaznicu rakete, stvarajući potisak desetine puta veći od onog ionskog potiskivača. Jedan primjer plazma motora je projekt VASIMR, koji se razvijao od 70-ih godina prošlog stoljeća. Za razliku od ionskih potisnika, plazalni potisnici još nisu testirani u svemiru, ali na njih se polažu velike nade. VASIMR plazma motor jedan je od glavnih kandidata za let na Mars.
Fusion motor
Ljudi pokušavaju ukrotiti energiju termonuklearne fuzije od sredine dvadesetog stoljeća, ali dosad to nisu mogli učiniti. Ipak, kontrolirana termonuklearna fuzija je još uvijek vrlo atraktivna, jer je izvor ogromne energije dobivene iz vrlo jeftinog goriva - izotopa helija i vodika.
Trenutno postoji nekoliko projekata dizajna mlaznog motora na osnovi energije termonuklearne fuzije. Najperspektivnijim od njih smatra se model zasnovan na reaktoru s magnetskim zatvaranjem u plazmi. Termonuklearni reaktor u takvom motoru bit će netlačna cilindrična komora duljine 100-300 metara i promjera 1-3 metra. Komora se treba opskrbiti gorivom u obliku plazme visoke temperature, koja pod dovoljnim tlakom ulazi u reakciju nuklearne fuzije. Zavojnice magnetskog sustava smještene oko komore trebaju sprečavati kontakt ove plazme s opremom.
Zona termonuklearne reakcije smještena je duž osi takvog cilindra. Uz pomoć magnetskih polja, ekstremno vruća plazma struji kroz mlaznicu reaktora, stvarajući snažan potisak, mnogostruko veći od onog kod kemijskih motora.
Antimaterijski motor
Sva materija oko nas sastoji se od fermiona - elementarnih čestica s polu-cijelim vrtnjama. To su, na primjer, kvarkovi koji čine protone i neutrone u atomskim jezgrama, kao i elektroni. Štoviše, svaki fermion ima svoju antičesticu. Za elektron je ovo pozitron, za kvark - antiquark.
Antičestice imaju istu masu i istu rotaciju kao i njihovi uobičajeni "drugovi", razlikujući se u znaku svih ostalih kvantnih parametara. Teoretski, antičestice su u stanju stvarati antimateriju, ali dosad nigdje u Svemiru nije registrirano antimaterija. Za osnovnu znanost veliko je pitanje zašto ne postoji.
Ali u laboratorijskim uvjetima možete dobiti neku antimateriju. Na primjer, nedavno je proveden eksperiment koji je usporedio svojstva protona i antiprotona koji su bili pohranjeni u magnetskoj zamci.
Kad se susretnu antimaterija i obična tvar, dolazi do procesa međusobnog uništavanja praćenog praskom kolosalne energije. Dakle, ako uzmete kilogram materije i antimaterije, količina oslobođene energije kada se sretnu bit će usporediva s eksplozijom "carske bombe" - najmoćnije vodikove bombe u povijesti čovječanstva.
Štoviše, značajan dio energije bit će oslobođen u obliku fotona elektromagnetskog zračenja. U skladu s tim, postoji želja da se ta energija iskoristi za putovanje u svemir stvarajući fotonski motor, sličan solarnom jedru, samo što će u ovom slučaju svjetlost generirati unutarnji izvor.
No, kako bi se učinkovito koristilo zračenje u mlaznom motoru, potrebno je riješiti problem stvaranja "zrcala" koje bi moglo odražavati ove fotone. Uostalom, brod se mora nekako odgurnuti kako bi stvorio potisak.
Nijedan moderan materijal jednostavno ne može izdržati zračenje nastalo u slučaju takve eksplozije i odmah će ispariti. Braća Strugatsky su u svojim znanstvenofantastičnim romanima riješila taj problem stvorivši "apsolutni reflektor". U stvarnom životu još ništa nije učinjeno. Ovaj zadatak, poput pitanja stvaranja velike količine antimaterije i njezina dugoročnog skladištenja, pitanje je fizike budućnosti.