Неможливий» космічний двигун виявився працездатним, Блог Gagarin, КОНТ
«Двигун, який працює всупереч усім законам фізики» — найпопулярніша новина космонавтики останніх днів. У цій історії суворі звіти NASA та детальні викладки інженерів дивним чином поєдналися з досить безглуздими заявами журналістів.
Неправда: «Перші випробування двигуна EmDrive пройшли успішно»
У NASA була випробувана система Cannae Drive, яка реалізована на принципі, запропонованому британським розробником Роджером Шойєром (Roger Shawyer). Багато років його проект EmDrive залишався невизнаним, незважаючи на успішні демонстрації та на те, що у 2012 р. працездатність концепції підтвердила незалежна група китайських інженерів.
Послужний список Шойєра вражає: 11 років інженерних робіт у галузі оборонних технологій, 20 років у космічному консорціумі EADS Astrium… та 14 років власної розробки «електро-мікрохвильового двигуна» EMDrive. Як же могла така людина «оступитися», створивши щось, що відкидає фізику? Звісно, не міг — у звіті NASA сказано: «Результати показують, що радіочастотний резонансний двигун (…) створює силу, яку неможливо віднести до будь-якого явища класичного електромагнетизму». Уточнення «класичний» тут дуже важливе — і невдовзі ми дізнаємося, чому.
Неправда: «Двигун, що працює всупереч усім законам фізики»
Ідея EMDrive бере початок ще в роботах Джеймса Максвелла, який у 1870-х помітив, що випромінювання має створювати тиск на будь-яку поверхню, на яку падає — невелике, але цілком реальне. На рубежі ХХ ст. це було підтверджено експериментально, коли Петро Лебедєв виміряв величину світлового тиску Сонця. «Для свого часу Лебедєв поставив вражаючий досвід, адже світлочинить дуже малий тиск - наприклад, 100-ватна лампочка, якщо сконцентрувати на тілі весь її світ, буде створювати силу всього 300 наноньютонів», - додає керівник фізичної лабораторії Політеха Юрій Михайловський. У 1920-х один із піонерів радянської космонавтики Фрідріх Цандер запропонував використати цей тиск для створення космічних кораблів на сонячному вітрилі.
Звичайно, вражаючої тяги від такого рушія очікувати не варто - тиск фотонів сонячного світла дуже мало і падає зі збільшенням відстані від зірки - проте він не вимагає жодного палива і може працювати теоретично, скільки завгодно довго. Ці переваги є досить вагомими, і проекти створення сонячного вітрила намагаються реалізувати вже не одне десятиліття. Існували вони і в СРСР, і в США, проте через незліченні технічні труднощі жоден з них успіхом не увінчався, і лише в 2010 р. японський апарат IKAROS зумів не тільки благополучно розгорнути вітрило розмірами 14×14 м, але й міняти з його допомогою швидкість та напрямок руху. Втім, нам доведеться знову повернутись у минуле.
Справа в тому, що про Сонце Максвелл не говорив: це лише окремий випадок, адже тиск створює будь-яке випромінювання. З його допомогою можна добитися і більшої тяги, якщо отримати досить потужний потік випромінювання і каналізувати його в потрібному напрямку. Ця ідея, за словами Шойєра, «міцно засіла» у нього в голові ще у 1970-х, коли він співпрацював із британською компанією Sperry Gyroscope та працював над створенням гіроскопів для систем орієнтації військових апаратів.
Неправда: «Перший двигун, що працює без палива»
«В основі роботи будь-якого двигуна лежить простий принцип: щоб рухатися вперед, згідно із законом збереження імпульсу треба щось відправити назад, — розповідаєЮрій Михайловський, — Тому, якщо говорити про польоти до зірок, у нас неминуче виникне проблема з тим, що для них палива, продукти згоряння якого могли б вилітати назад, штовхаючи корабель вперед, — не напасешся. Тому зараз для цієї мети розглядається можливість використовувати сонячне вітрило, яке зможе використовувати тиск світла, наприклад, від встановленого на Місяці потужного лазера. Такому двигуну-парусу паливо на борту не потрібне». Не вимагає палива та EMDrive – але давайте розберемося, чому.
Візьміть звичайний магнетрон - електронну лампу, таку ж, які виробляють мікрохвилі в будь-якій побутовій НВЧ-пічці. Направляйте їх не просто в повітря, а в хвилевод - мідну трубку, яка служить зручним каналом, що спрямовує рух хвиль, і не дає їм швидко згасати. Надайте хвилеводу спеціальну форму, таку, що мікрохвилі з певною довжиною хвилі інтерферуватимуть, посилюючись і накопичуючи більше енергії.
Тепер запаяйте відкриті кінці хвилеводу - і мікрохвилі будуть, відбиваючись то з одного, то з іншого боку, мандрувати всередині туди й назад, утворюючи тиск на обох кінцях. Звичайно, цей тиск у дві сторони буде врівноважений. Але якщо зробити хвилевід конічним, то фотони мікрохвиль у широкій частині зможуть подорожувати більш-менш вільно, а у вузькій «сповільнюватимуться» безперервним відображенням стін. Така система створить потяг у бік широкого кінця хвилеводу, не вимагаючи жодного палива: достатньо електрики для генерації мікрохвиль.
Саме тут відбувається щось, через що від проекту Шойєра так довго відмахувалися. Адже ще з ньютонівських принципів ми пам'ятаємо, що сила дії дорівнює силі протидії, і фотони мікрохвиль, мандруючи лише в межах хвилеводу, не повинні створювати потяг. Це все одно що встатина платформу вагона і кидати в його передню стінку важкі ядра: імпульс у напрямку вперед, який створить удар ядра, буде врівноважений імпульсом у зворотному напрямку, який додасть вам у момент кидка.
Однак фотони мікрохвиль в EMDrive класичним правилам не підкоряються. По-перше, вони рухаються на швидкості світла, і для точного опису їхньої поведінки знадобляться розрахунки на основі Спеціальної теорії відносності. По-друге, все відбувається в таких крихітних масштабах, на яких повинні виявлятися дивні квантово-механічні явища. Зокрема, у вакуумі хвилеводу повинні з'являтися і знову зникати віртуальні частки і, можливо, мікрохвилі, що резонують, якимось чином впливають на ці процеси.
«Не варто думати, що такий двигун – вічний! — наголошує Юрій Михайловський. — Для створення потягу він споживає енергію, просто величезну для таких показників. Автор стверджує, що максимальна тяга для цього двигуна 333 мН/кВт, проте прототипи, про які повідомляють в NASA, мають ефективність у тисячі разів менше. Для порівняння: якщо ви просто увімкнете ліхтарик, то відчуватимете тягу в протилежну від поширення променя сторону, що дорівнює 3,3 мкН/КВт».
Розглянути те, що відбувається теоретично, ще належить, як належить і провести потрібні розрахунки. Це не означає, що вони не можуть бути проведені взагалі, або що двигун Шойєра скасовує сучасну фізику. Це один із тих випадків, коли практика дещо обігнала теоретичні викладки.
Можливо: «Двигун здійснить прорив у космічній індустрії»
Насправді з тиском, який фотони випромінювання створюють усередині хвилеводу, фізики стикаються вже досить давно. Цей ефект помітний у сучасних прискорювачах частинок, де воно трохи розтягує довжину.хвилеводу - доводиться використовувати складні системи для компенсації цієї дії. Просто до Шойєра ніхто не думав про те, що таку силу можна використовувати.
Натомість замислювалися фізики про те, як зробити хвилеводи ефективнішими, так, щоб енергія спійманих у них хвиль не розсіювалась у тепло. Як правило, для цього використовуються надпровідні матеріали та складні установки для підтримки наднизьких температур. Уважний Шойєр звернув увагу і на це: його розрахунки показали, що при досягненні певного рівня збереження енергії мікрохвиль в EMDrive такі двигуни зможуть створювати дуже суттєву тягу. Аж до такої, яка дозволить використовувати їх навіть на Землі, на автомобілях, літаках та всюди, де тільки можуть знадобитися двигуни. Спочатку в космічній індустрії, далі скрізь.
Юрій Михайловський резюмує: «Пристрій та принцип роботи даного двигуна викликають низку питань. Звичайно, має пройти достатній час, щоби переконатися, що така схема дійсно коректно працює. У подібних експериментах дуже легко зробити помилку, особливо коли дуже хочеться отримати заповітний результат. Щоб підтвердити працездатність такого двигуна, його мають зібрати та протестувати у різних лабораторіях світу. Тож говорити про сенсацію поки що передчасно».