Sodobni raketni motorji dobro delujejo tako, da tehnologijo spustijo v orbito, vendar so popolnoma neprimerni za dolga potovanja v vesolje. Zato znanstveniki že več kot ducat let delajo na ustvarjanju alternativnih vesoljskih motorjev, ki bi ladje lahko pospešili do rekordne hitrosti. Oglejmo si sedem ključnih idej s tega področja.
EmDrive
Če se želite premakniti, se morate od nečesa oddaljiti - to pravilo velja za enega izmed nepolomljivih stebrov fizike in astronavtike. Kaj natančno začeti - od zemlje, vode, zraka ali curka plina, kot pri raketnih motorjih - ni tako pomembno.
Dobro znani miselni eksperiment: predstavljajte si, da je astronavt odšel v vesolje, toda kabel, ki ga povezuje z vesoljskim plovilom, se je nenadoma zlomil in oseba začne počasi odleteti. Vse, kar ima, je orodjarno. Kakšna so njegova dejanja? Pravilni odgovor: orodje mora odvrniti z ladje. Po zakonu ohranitve zagona bo oseba odvrgla instrument z natančno enako silo kot instrument iz osebe, tako da se bo postopoma premikal proti ladji. To je potisni potisk - edini možni način premikanja v prazno. Res je, da EmDrive, kot kažejo poskusi, ima nekaj možnosti, da ovrže to neomajno izjavo.
Ustvarjalec tega motorja je britanski inženir Roger Shaer, ki je leta 2001 ustanovil svoje podjetje Satellite Propulsion Research. Zasnova emDrive je precej ekstravagantna in je kovinsko vedro v obliki, zapečateno na obeh koncih. Znotraj tega vedra je magnetron, ki oddaja elektromagnetne valove - enako kot v običajni mikrovalovni pečici. In izkaže se, da je dovolj za ustvarjanje zelo majhnega, vendar precej opaznega potiska.
Avtor sam razlaga delovanje svojega motorja s tlačno razliko elektromagnetnega sevanja na različnih koncih "vedra" - na ozkem koncu je manjši kot na širokem. Tako nastane potisk, usmerjen proti ozkemu koncu. Možnost takšnega delovanja motorja je bila že večkrat oporekana, vendar v vseh poskusih Shaerjeva namestitev kaže prisotnost potiska v predvideni smeri.
Promocijski video:
Med eksperimentalce, ki so preizkusili Shaerjevo vedro, so organizacije, kot so NASA, Tehniška univerza v Dresdnu in Kitajska akademija znanosti. Izum je bil preizkušen v različnih pogojih, tudi v vakuumu, kjer je pokazal prisotnost potiska 20 mikrotonov.
To je glede na kemične reaktivne motorje zelo malo. A glede na to, da lahko motor Shaer deluje tako dolgo, kot želite, saj ne potrebuje zaloge goriva (sončne baterije lahko zagotovijo, da magnetron deluje), je potencialno sposoben pospešiti vesoljska plovila do ogromnih hitrosti, merjenih kot odstotek hitrosti svetlobe.
Za popolno dokazovanje zmogljivosti motorja je potrebno opraviti še veliko več meritev in se znebiti stranskih učinkov, ki jih lahko ustvarijo na primer zunanja magnetna polja. Vendar pa se že postavljajo alternativne možne razlage nenormalnega potiska motorja Shaer, ki na splošno krši običajne zakone fizike.
Tako se na primer pojavljajo različice, da lahko motor ustvari potisk zaradi svoje interakcije s fizičnim vakuumom, ki ima na kvantni ravni necestno energijo in je napolnjen z nenehno nastajajočimi in izginjajočimi virtualnimi osnovnimi delci. Kdo bo na koncu prav - avtorji te teorije, sam Shaer ali drugi skeptiki, bomo izvedeli v bližnji prihodnosti.
Sončno jadro
Kot že omenjeno, elektromagnetno sevanje izvaja pritisk. To pomeni, da se teoretično lahko pretvori v gibanje - na primer s pomočjo jadra. Tako kot so ladje preteklih stoletij vetra lovila v jadra, bodo tudi vesoljska plovila prihodnosti v jadra ujela sonce ali katero koli drugo zvezdno svetlobo.
Težava pa je, da je svetlobni tlak izjemno majhen in pada z naraščanjem oddaljenosti od vira. Zato mora biti takšno jadro zelo lahko in zelo veliko. In to poveča tveganje za uničenje celotne strukture, ko naleti na asteroid ali drug objekt.
Poskusi izgradnje in izstrelitve sončnih jadrnic v vesolje so se že zgodili - leta 1993 je Rusija preizkusila sončno jadro na vesoljskem plovilu Progress, leta 2010 pa je Japonska izvedla uspešne preizkušnje na poti do Venere. Toda niti ena ladja ni nikoli uporabila jadra kot svojega primarnega vira pospeška. Drugi projekt, električno jadro, je v tem pogledu videti nekoliko bolj obetaven.
Električno jadro
Sonce ne oddaja samo fotonov, ampak tudi električno nabite delce snovi: elektrone, protone in ione. Vsi tvorijo tako imenovani sončni veter, ki odnese s površine sonca približno milijon ton snovi vsako sekundo.
Sončev veter se širi na več milijard kilometrov in je odgovoren za nekatere naravne pojave na našem planetu: geomagnetne nevihte in severne luči. Zemlja je pred sončnim vetrom zaščitena z lastnim magnetnim poljem.
Sončni veter je, podobno kot zračni veter, povsem primeren za potovanja, le jadra ga morate raznašati. Projekt električnega jadra, ki ga je leta 2006 ustvaril finski znanstvenik Pekka Janhunen, navzven nima veliko skupnega s sončnim. Ta motor je sestavljen iz več dolgih, tankih kablov, podobnih naperom kolesa brez platišča.
Zahvaljujoč elektronski pištoli, ki oddaja proti smeri vožnje, ti kabli pridobijo pozitiven nabit potencial. Ker je masa elektrona približno 1800 krat manjša od mase protona, potisk, ki ga ustvarijo elektroni, ne bo igral bistvene vloge. Elektroni sončnega vetra za takšno jadro niso pomembni. Toda pozitivno nabiti delci - protoni in alfa sevanje - se bodo odvrnili od vrvi in s tem ustvarili curek s curkom.
Čeprav bo ta potisk približno 200-krat manjši od sončnega jadra, je za projekt zainteresirana Evropska vesoljska agencija. Dejstvo je, da je električno jadro veliko lažje oblikovati, izdelovati, namestiti in uporabljati v vesolju. Poleg tega jadro s pomočjo gravitacije omogoča tudi potovanje do izvira zvezdnega vetra in ne le stran od njega. In ker je površina takega jadra veliko manjša od površine sončnega jadra, je veliko manj ranljiva za asteroide in vesoljske naplavine. Morda bomo prve poskusne ladje na električnem jadru videli v naslednjih nekaj letih.
Ionski motor
Pretoka nabitih delcev snovi, torej ionov, ne oddajajo samo zvezde. Ionizirani plin lahko nastane tudi umetno. Običajno so delci plina električno nevtralni, ko pa njegovi atomi ali molekule izgubijo elektrone, se spremenijo v ione. Takšen plin v svoji skupni masi še vedno nima električnega naboja, njegovi posamezni delci pa se napolnijo, kar pomeni, da se lahko gibljejo v magnetnem polju.
V ionskem motorju se inertni plin (navadno ksenon) ionizira s tokom visokoenergijskih elektronov. Elektrone izločajo iz atomov in pridobijo pozitiven naboj. Nadalje nastali ioni pospešujejo v elektrostatičnem polju do hitrosti približno 200 km / s, kar je 50-krat večja od hitrosti odtoka plina iz kemičnih reaktivnih motorjev. Kljub temu imajo sodobni ionski potiski zelo majhen potisk - približno 50-100 milinewtons. Takšen motor se niti ne bi mogel premakniti s stola. Ima pa resen plus.
Veliki specifični impulz lahko znatno zmanjša porabo goriva v motorju. Energija, pridobljena iz sončnih baterij, se uporablja za ionizacijo plina, zato ionski motor lahko deluje zelo dolgo - do tri leta brez prekinitev. Za takšno obdobje bo imel čas pospešiti vesoljsko plovilo do hitrosti, o katerih kemični motorji nikoli niso sanjali.
Ionski motorji so v različnih misijah že večkrat plužili prostranost sončnega sistema, vendar ponavadi kot pomožni in ne glavni. Danes kot možna alternativa ionskim potisnikom vedno pogosteje govorijo o plazemskih potisnikih.
Plazemski motor
Če stopnja ionizacije atomov postane visoka (približno 99%), potem takšno agregatno stanje snovi imenujemo plazma. Stanje plazme je mogoče doseči le pri visokih temperaturah, zato se ionizirani plin v plazemskih motorjih segreje do nekaj milijonov stopinj. Ogrevanje se izvaja z zunanjim virom energije - sončnimi paneli ali, bolj realno, majhnim jedrskim reaktorjem.
Vroča plazma se nato izloči skozi raketno šobo, tako da je potisk več desetkrat večji od jonskega potiska. En primer plazemskega motorja je projekt VASIMR, ki se razvija od 70. let prejšnjega stoletja. Za razliko od ionskih potisnikov plazemski potisniki še niso bili preizkušeni v vesolju, vendar se nanje nalagajo veliki upi. Plazemski motor VASIMR je eden glavnih kandidatov za let s posadko na Mars.
Fusion motor
Ljudje poskušajo ukrotiti energijo termonuklearne fuzije že od sredine dvajsetega stoletja, vendar doslej tega niso mogli storiti. Kljub temu je nadzorovana termonuklearna fuzija še vedno zelo privlačna, saj je vir ogromne energije, pridobljene iz zelo poceni goriva - izotopov helija in vodika.
Trenutno obstaja več projektov za zasnovo reaktivnega motorja o energiji termonuklearne fuzije. Najbolj obetaven od njih velja za model, ki temelji na reaktorju z magnetno plazemsko zaprtostjo. Termonuklearni reaktor v takem motorju bo breztlačna cilindrična komora dolga 100-300 metrov in premera 1-3 metra. Komora mora biti oskrbljena z gorivom v obliki visokotemperaturne plazme, ki pod zadostnim tlakom vstopi v reakcijo jedrske fuzije. Tuljave magnetnega sistema, ki se nahajajo okoli komore, bi morale preprečevati, da bi ta plazma prišla v stik z opremo.
Območje termonuklearne reakcije se nahaja vzdolž osi takšnega valja. S pomočjo magnetnih polj skozi reakcijsko šobo teče izjemno vroča plazma, ki ustvarja ogromen potisk, večkrat večji kot pri kemičnih motorjih.
Antimaterijski motor
Vso snov okoli nas sestavljajo fermioni - osnovni delci s polovičnim številom. To so na primer kvarki, ki sestavljajo protone in nevtrone v atomskih jedrih, pa tudi elektrone. Poleg tega ima vsak fermion svoj antidelec. Za elektrona je to pozitron, za kvark - antikvark.
Proti delci imajo enako maso in enak spin kot njihovi običajni "tovariši", ki se razlikujejo po znaku vseh drugih kvantnih parametrov. Teoretično je mogoče, da anti delci sestavljajo antimaterijo, vendar doslej nikjer v vesolju ni bilo registrirano antimaterije. Za osnovno znanost je veliko vprašanje, zakaj ne obstaja.
Toda v laboratorijskih pogojih lahko dobite nekaj antimaterije. Pred kratkim je bil na primer izveden eksperiment, ki primerja lastnosti protonov in antiprotonov, ki so bile shranjene v magnetni pasti.
Ko se srečajo antimaterija in navadna snov, pride do procesa medsebojnega uničevanja, ki ga spremlja skok kolosalne energije. Če vzamete kilogram snovi in antimaterije, bo količina energije, ki se sprosti ob srečanju, primerljiva z eksplozijo "carske bombe" - najmočnejše vodikove bombe v zgodovini človeštva.
Poleg tega se bo pomemben del energije sprostil v obliki fotonov elektromagnetnega sevanja. V skladu s tem obstaja želja po uporabi te energije za vesoljsko potovanje z ustvarjanjem fotonskega motorja, podobnega sončnemu jadru, le v tem primeru bo svetloba ustvarila notranji vir.
Toda za učinkovito uporabo sevanja v reaktivnem motorju je treba rešiti problem ustvarjanja "ogledala", ki bi lahko odražalo te fotone. Konec koncev mora ladja nekako odriniti, da ustvari potisk.
Noben sodoben material preprosto ne zdrži sevanja, ki nastane ob takšni eksploziji, in takoj izhlapi. Brata Strugatsky sta v svojih znanstvenofantastičnih romanih to težavo rešila z ustvarjanjem "absolutnega reflektorja". V resničnem življenju še ni bilo storjeno nič takega. Ta naloga, tako kot vprašanja ustvarjanja velike količine antimaterije in njenega dolgoročnega skladiščenja, je stvar fizike prihodnosti.