A modern rakétamotorok jó munkát végeznek a technológia pályára állításában, ám ezek teljesen alkalmatlanok a hosszú űrutazáshoz. Ezért több mint tucat éve a tudósok alternatív űrmotorok létrehozásán dolgoznak, amelyek felgyorsíthatják a hajókat a sebesség rögzítéséhez. Vessen egy pillantást e terület hét kulcsfontosságú ötletére.
EmDrive
A mozgatáshoz el kell távolodnia valamitől - ezt a szabályt a fizika és az űrhajózás egyik megrázhatatlan pillérének tekintik. Miben kell pontosan kezdeni - földből, vízből, levegőből vagy gázsugarakból, mint például a rakétamotorok esetében -, nem olyan fontos.
Közismert gondolatkísérlet: Képzelje el, hogy egy űrhajós elment az űrbe, ám az űrhajóval összekötő kábel hirtelen eltört és az ember lassan elindul. Csak eszköztárja van. Milyen cselekedetei vannak? Helyes válasz: el kell dobnia az eszközöket a hajóról. A lendület megőrzéséről szóló törvény szerint az embert pontosan ugyanolyan erővel dobják el a műszertől, mint a személy, így fokozatosan mozog a hajó felé. Ez a sugárhajtómű - az egyetlen lehetőség az üres térben történő mozgáshoz. Igaz, hogy a kísérletek azt mutatják, hogy az EmDrive-nek van esélye megcáfolni ezt a megrázkódó állítást.
Ennek a motornak a készítője Roger Shaer brit mérnök, aki 2001-ben alapította a saját cégét, a Satellite Propulsion Research-t. Az EmDrive formatervezése meglehetősen extravagáns, és fém vödör alakú, mindkét végén lezárva. Ebben a vödörben van egy magnetron, amely elektromágneses hullámokat bocsát ki - ugyanúgy, mint egy hagyományos mikrohullámú sütőben. És kiderül, hogy elegendő egy nagyon kicsi, de nagyon észrevehető tolóerő létrehozásához.
Maga a szerző motorjának működését magyarázza az elektromágneses sugárzás nyomáskülönbségével a "vödör" különböző végein - a keskeny végnél kevesebb, mint a szélesnél. Ez a keskeny vég felé irányuló tolóerőt hoz létre. A motor ilyen működésének lehetőségét többször is megkérdőjelezték, de a Shaer telepítése minden kísérletnél megmutatja a tolóerő jelenlétét a kívánt irányban.
Promóciós videó:
A Shaer vödörjét kipróbálók között szerepelnek a NASA, a drezdai Műszaki Egyetem és a Kínai Tudományos Akadémia is. A találmányt különféle körülmények között tesztelték, többek között vákuumban, ahol a mutató 20 mikron tolóerő jelenlétét mutatta.
Ez nagyon kevés a kémiai sugárhajtóművekhez képest. De mivel a Shaer motor képes működni, ameddig csak akarja, mivel nincs szüksége üzemanyag-ellátásra (napelemek biztosíthatják a magnetron működését), potenciálisan képes az űrhajókat hatalmas sebességre gyorsítani, a fénysebesség százalékában mérve.
A motor teljesítményének teljes körű bizonyítása érdekében még sok más mérést kell elvégezni, és meg kell szabadulni a mellékhatásoktól, amelyeket például a külső mágneses terek okozhatnak. A Shaer motor abnormális nyomásának alternatív lehetséges magyarázatait azonban már előterjesztették, amelyek általánosságban sértik a szokásos fizikai törvényeket.
Például olyan verziók kerülnek előterjesztésre, hogy a motor a fizikai vákuummal való kölcsönhatása miatt tolóerőt képes létrehozni, amelynek kvantumszintje nulla energiájú, és folyamatosan megjelenő és eltűnő virtuális elemi részecskékkel van tele. Kinek lesz igaz a végén - ennek az elméletnek a szerzőit, maga Shaer-t vagy más szkeptikusokat megtudjuk a közeljövőben.
Napelemes vitorla
Mint fentebb említettük, az elektromágneses sugárzás nyomást gyakorol. Ez azt jelenti, hogy elméletileg mozgássá alakítható - például egy vitorla segítségével. Ahogyan az elmúlt évszázadok hajói vitorlájukba csaptak a szélbe, a jövő űrhajója vitorláikban is napot vagy más csillagfényt foghatni.
A probléma azonban az, hogy a fénynyomás rendkívül kicsi és csökken a forrástól való távolság növekedésével. Ezért ahhoz, hogy hatékony legyen, az ilyen vitorának nagyon könnyűnek és nagyon nagynak kell lennie. És ez növeli a teljes szerkezet megsemmisítésének kockázatát, amikor aszteroidára vagy más tárgyra találkozik.
A napelemes vitorlások hajózásának és az űrbe való bevezetésének kísérletére már sor került - 1993-ban Oroszország kipróbálta a napelemes vitorlákat a Progress űrhajón, és 2010-ben Japán sikeres teszteket hajtott végre a Vénusz felé vezető úton. De egyetlen hajó sem használt a vitorlát elsődleges gyorsulási forrásaként. Egy másik projekt, az elektromos vitorla e tekintetben valamivel ígéretesebb.
Elektromos vitorla
A nap nem csak fotonokat bocsát ki, hanem az elektromosan töltött anyagrészecskéket is: elektronokat, protonokat és ionokat. Mindegyik az úgynevezett napszél, amely másodpercenként körülbelül egymillió tonna anyagot viszi el a nap felszínétől.
A napszél több milliárd kilométerre terjed, és felelős a bolygónk természeti jelenségeiért: a geomágneses viharokért és az északi fényekért. A földet saját mágneses tere védi a napszél ellen.
A napszél, mint a levegőszél, nagyon alkalmas az utazásra, csak meg kell engednie, hogy a vitorlák fújjanak. Az elektromos vitorla Pekka Janhunen finn tudós által 2006-ban kidolgozott projektjének külső szempontból kevés közös vonása van a napelemmel. Ez a motor több hosszú, vékony kábelből áll, hasonlóan a kerék keréka küllőhöz.
Az elektronpisztolynak a menetirány irányába történő kibocsátása révén ezek a kábelek pozitív töltésű potenciált szereznek. Mivel az elektron tömege körülbelül 1800-szor kevesebb, mint a proton tömege, az elektronok által létrehozott tolóerő nem játszik alapvető szerepet. A napszél elektronjai nem fontosak egy ilyen vitorláshoz. De a pozitív töltésű részecskék - a protonok és az alfa-sugárzás - visszaszorítódnak a kötelekből, ezáltal jet tolóerőt eredményezve.
Noha ez a tolóerő mintegy 200-szor kevesebb lesz, mint egy napelemes vitorlásé, az Európai Űrügynökség érdekli a projekt. A helyzet az, hogy egy elektromos vitorlát sokkal könnyebben lehet megtervezni, gyártani, telepíteni és az űrben üzemeltetni. Ezenkívül a gravitáció segítségével a vitorla a csillagszél forrásához is eljuthat, és nem csak attól távol. És mivel egy ilyen vitorla felülete sokkal kisebb, mint egy napelemes vitorla, sokkal kevésbé érzékeny az aszteroidákra és az űrhajókra. Talán a következő években látjuk az első kísérleti hajókat egy elektromos vitorlán.
Ionmotor
Az anyag töltött részecskéinek áramlását, azaz az ionokat, nemcsak a csillagok bocsátják ki. Az ionizált gáz mesterségesen is létrehozható. Általában a gáz részecskék elektromosan semlegesek, de amikor atomjai vagy molekulái elveszítik az elektronokat, ionokká alakulnak. Az ilyen gáz teljes tömegében még mindig nincs elektromos töltés, de az egyes részecskék töltöttekké válnak, ami azt jelenti, hogy mágneses mezőben mozoghatnak.
Ionmotorban egy inert gázt (általában xenont) nagy energiájú elektronok árammal ionizálnak. Kibontják az atomok elektronjait, és pozitív töltést kapnak. Ezenkívül a keletkező ionokat elektrosztatikus mezőben felgyorsítják 200 km / s nagyságrendű sebességre, amely 50-szer meghaladja a kémiai sugárhajtású motorok gázkibocsátásának sebességét. Ennek ellenére a modern ionhajtók nagyon alacsony tolóerővel rendelkeznek - körülbelül 50-100 miwton. Egy ilyen motor még az asztalról sem tudna elmozdulni. De van egy komoly plusz.
A nagy fajlagos impulzus jelentősen csökkentheti a motor üzemanyag-fogyasztását. A napelemekből nyert energiát a gáz ionizálására használják fel, így az ionmotor nagyon hosszú ideig - akár három évig - megszakítás nélkül képes működni. Ilyen időre van ideje felgyorsítani az űrhajót olyan sebességre, amelyről a vegyi motorok soha nem álmodtak.
Az ionmotorok különböző feladatok részeként többször felszántották a Naprendszer hatalmát, de általában kisegítőként, és nem főként. Manapság mint az ionhajtók lehetséges alternatívája egyre inkább a plazma tolóerőkről beszélnek.
Plazma motor
Ha az atomok ionizációjának mértéke magas (kb. 99%), akkor az anyag ilyen aggregált állapotát plazmának nevezzük. A plazmaállapot csak magas hőmérsékleten érhető el, ezért az ionizált gázt plazmamotorokban több millió fokig felmelegítik. A fűtést külső energiaforrás - napelemek vagy - valósághűbben - egy kis atomreaktor segítségével hajtják végre.
A forró plazmát ezután a rakéta fúvókán keresztül ürítik ki, tízszer nagyobb tolóerőt eredményezve, mint egy ioncsigolyó. A plazma motor egyik példája a VASIMR projekt, amelyet a múlt század 70-es évei óta fejlesztenek ki. Az ionhajtókkal ellentétben a plazma tolóerőket még nem vizsgálták az űrben, ám nagy reményeket rejtenek rájuk. A VASIMR plazmamotor az egyik fő jelölt a Mars felé tartó személyzettel folytatott repülések számára.
Fúziós motor
Az emberek a huszadik század közepe óta próbálják megszelídíteni a termikus nukleáris fúzió energiáját, ám eddig erre nem voltak képesek. Ennek ellenére a szabályozott termonukleáris fúzió továbbra is nagyon vonzó, mert óriási energiaforrás, amelyet nagyon olcsó üzemanyagokból - hélium és hidrogén izotópjaiból nyernek.
Jelenleg számos projekt létezik egy sugárhajtómű megtervezésére a termikus nukleáris fúzió energiája alapján. Ezek közül a legígéretesebb egy mágneses plazmahatárú reaktoron alapuló modellnek tekintik. Az ilyen motorokban levő hőmag-reaktor egy 100-300 méter hosszú és 1-3 méter átmérőjű, nyomás nélküli hengeres kamra lesz. A kamrát magas hőmérsékletű plazma formájában tüzelőanyaggal kell ellátni, amely megfelelő nyomás mellett magfúziós reakcióba lép. A kamra körül elhelyezkedő mágneses rendszer tekercseinek meg kell akadályozniuk, hogy ez a plazma érintkezzen a készülékkel.
A termonukleáris reakciózóna az ilyen henger tengelye mentén helyezkedik el. A mágneses terek segítségével a rendkívül forró plazma áramlik át a reaktor fúvókáján, óriási tolóerőt hozva létre, többszörösen nagyobb, mint a vegyi motoroké.
Antianyag motor
A körülöttünk lévő összes anyag fermionokból áll - elemi részecskékből, félig egész spinnel. Ezek például kvarkok, amelyek protonokat és neutronokat alkotnak az atommagokban, valamint elektronokat. Sőt, minden fermionnak megvan a saját részecske-ellenes része. Egy elektron esetében ez egy pozitron, a kvarc esetében - egy antikvar.
Az antirészecskék ugyanolyan tömeggel és azonos spinnel rendelkeznek, mint a szokásos "elvtársaik", és különböznek az összes többi kvantumparaméter jelein. Elméletileg a részecskék elleni küzdelem képessé teszi az antianyag felépítését, de az univerzumban eddig még nem regisztráltak antianyagot. Az alaptudomány szempontjából a nagy kérdés az, hogy miért nem létezik.
De laboratóriumi körülmények között lehet antianyag. Például a közelmúltban kísérletet hajtottak végre a mágneses csapdában tárolt protonok és antiprotonok tulajdonságainak összehasonlítására.
Amikor az antianyag és a szokásos anyag találkozik, a kölcsönös megsemmisülés folyamata zajlik, amelyet hatalmas energia felrobbant. Tehát, ha egy kilogramm anyagot és antianyagot veszünk fel, akkor az összegyűjtött energiamennyiség összehasonlítható lesz a "cárbomba" - az emberiség történetének legerősebb hidrogénbomba - robbanásával.
Ezen felül az energia jelentős része elektromágneses sugárzás fotonjai formájában szabadul fel. Ennek megfelelően kívánatos, hogy ezt az energiát az űrutazáshoz egy fotonmotor létrehozásával hozzák felhasználásra, hasonlóan a napenergia vitorlásához, csak ebben az esetben a fényt egy belső forrás generálja.
De ahhoz, hogy a sugárzást hatékonyan lehessen használni egy sugárhajtású motorban, meg kell oldani egy olyan "tükör" létrehozásának problémáját, amely képes tükrözni ezeket a fotonokat. Végül is a hajónak valamilyen módon le kell szállnia ahhoz, hogy tolóerőt hozzon létre.
Egyetlen modern anyag sem képes elbírni egy ilyen robbanás esetén született sugárzást, és azonnal elpárolog. A tudományos fantasztikus regényekben a Strugatsky testvérek "abszolút reflektor" létrehozásával oldották meg ezt a problémát. A való életben még nem történt ilyen. Ez a feladat, mint például a nagy mennyiségű antianyag létrehozása és annak hosszú távú tárolása, a jövő fizikájának kérdése.