На чому літатимуть космічні кораблі майбутнього
В активній розробці фотонні та термоядерні двигуни, установки на ефекті Холла, електричні вітрила та «неможливий» EmDrive
Хоча сучасні ракетні двигуни справляються з виведенням техніки на орбіту, вони можуть забезпечити тривалі космічні польоти на далекі планети. Тому вже багато років вчені працюють над створенням альтернативних установок, які б могли розганяти кораблі до рекордних швидкостей.
Днями фізики в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі розпочали роботу над проектом потужного лазерного комплексу, здатного доставити космічний корабель на Марс лише за кілька днів. На проведення попередніх оцінок проекту DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration – Двигуна установка на спрямовану енергію для міжзоряних досліджень), вчені отримали грант на $100 тис. Гроші підуть на створення докладного плану будівництва апарату, оснащеного керованими фотонними прискорювачами. Паралельно фахівці Каліфорнійського університету розроблять автоматичні космічні станції виключно малої маси, які зможуть швидко набирати швидкість.
Ідея нової технології в тому, що тяга від фотонів, що випускаються лазерами, приводить у рух космічний апарат. Корабель керується за допомогою спалювання палива у напрямку, протилежному до того, куди він планує летіти. Зазвичай, це паливо має перебувати на борту космічного корабля, що робить його важчим і уповільнює рух. Фотонна сила натомість використовує масив лазерів, не додають маси апарату, крім лазера.
Теоретично це дозволить досягти чверті швидкості світла. Під впливом лазерного променя 100-кілограмовий апарат досягне Марса за три доби, а більш потужний пілотованийапарат – приблизно за місяць. Крім того, потужний лазер на орбіті навколо Землі використовуватиметься для захисту планети від астероїдів, а також для відправлення невеликих автоматичних станцій до міжзоряного простору.
А тим часом інженери з університету Мічигану представили вже готовий прототип нового космічного двигуна. Американське космічне агентство NASA обрало його в рамках програми Next Space Technologies for Exploration Partnerships, або NextSTEP, що охоплює низку проектів, спрямованих на вдосконалення систем невеликих супутників, систем реактивного руху та житла для людей у космосі. Ці технології розробляють для підготовки місій з відправлення людей на орбіту між Землею та Місяцем у 2020-х рр., а також до Марса – у 2030-х рр.
Протягом наступних трьох років NASA надасть компанії Aerojet Rocketdyne $6,5 млн на будівництво системи реактивного руху XR-100. Головним її елементом є двигун X3, і команда з університету Мічігану отримає $1 млн на його розробку.
Головна перевага X3 у тому, що для своєї потужності – 200 кіловат, він має відносно невеликі розміри та вагу. Крім того, під час створення двигуна використовується ефект Холла – вже перевірена технологія, яка застосовується для коригування траєкторії супутників на орбіті навколо Землі. Основний принцип роботи двигуна такого типу полягає у розгоні до високих швидкостей частинок плазми та викиданні їх у формі реактивного струменя в космічний простір.
Великі надії вчені також покладають на реактивний двигун EmDrive, створений британським інженером Роджером Шаєром. По конструкції установка є запаяний з двох сторін зрізаний металевий конус. Усередині знаходиться магнетрон, що випромінює електромагнітні хвилі,такому вже принципу працює звичайна мікрохвильова піч. Цього достатньо, щоби створювати невелику тягу. Робота конструкції заснована на різниці тиску електромагнітного випромінювання у різних кінцях пристрою: у вузькому воно менше, ніж у широкому. Завдяки цьому створюється потяг, спрямований у бік вузького кінця. Хоча можливість такої роботи двигуна неодноразово заперечувалась, але у всіх експериментах, що проводяться NASA, Технічним університетом Дрездена та Китайською академією наук, установка продемонструвала наявність тяги в передбачуваному напрямку.
Тяга EmDrive всього 20 мікроньютонів, проте він працює необмежений час і не потребує запасу палива (роботу магнетрону можуть забезпечувати сонячні батареї). Потенційно такий двигун здатний розганяти космічні кораблі до величезних швидкостей, що вимірюються у відсотках від швидкості світла.
Вже багато років вчені з різних країн світу працюють над ідеальною конструкцією сонячного вітрила, що працює на сонячному чи будь-якому іншому зоряному світлі. Проблема в тому, що тиск світла дуже малий і зменшується зі збільшенням відстані від джерела. Тому, щоб бути ефективним, такий вітрило повинен мати гранично малу вагу та величезну площу. А це збільшує ризик руйнування всієї конструкції під час зустрічі з астероїдом чи іншим об'єктом. Більш перспективна альтернатива – електричне вітрило, що працює на випромінюваних Сонцем електрично заряджених частинках речовини: електронах, протонах та іонах.
Так, електричне вітрило, створене фінським ученим Пеккою Янхуненом, складається з кількох довгих тонких тросів, схожих на спиці колеса без обода. Позитивно заряджені частинки – протони та альфа-випромінювання, що відштовхуються від тросів, створюючи тим самим реактивну тягу. Електричне вітрило набагато простішесконструювати, зробити, розгорнути та експлуатувати в космосі, ніж сонячний. Крім того, за допомогою гравітації установка дозволяє подорожувати до джерела зоряного вітру, а не тільки від нього. А оскільки площа поверхні такого пристрою набагато менша, ніж у сонячного аналога, для астероїдів і космічного сміття він набагато менш вразливий. Проектом зацікавилися фахівці Європейського космічного агентства та можливо, що перші експериментальні кораблі на електричному вітрилі з'являться вже найближчими роками.
Намагаються створити фізики та термоядерний двигун, який працює на досить дешевому паливі – ізотопах гелію та водню.
Вже є кілька проектів конструкції таких двигунів на енергії термоядерного синтезу. Найперспективнішою вважається модель на основі реактора з магнітним утриманням плазми. У його камеру подається паливо у вигляді високотемпературної плазми, яка за достатнього тиску входить у реакцію ядерного синтезу. Котушки магнітної системи, що розташовані навколо камери, утримують плазму від контакту з обладнанням. З допомогою магнітних полів екстремально гаряча плазма протікає через сопло реактора, створюючи величезну тягу.