Может, слышали, в смысле читали несколько лет назад про изобретение китайского ученого, что-то там магнетрон работает на какой-то резонатор, и это должно двигать аппараты в космосе)
Что там изобрел китайский ученый - это я не понял, откровенно говоря, да и описание очень скудное. Но подумал: а можно ли вообще с помощью магнетрона двигать космические корабли? И быстро понял: да, можно.
На самом деле это давно изобрели фантасты. Например, у Стругацких в "Стажерах" и других произведениях этой серии летают на фотонном корабле. У них он устроен так: запускается термоядерная реакция в устройстве без корпуса, в наружном вакууме. С одной стороны ставится отражатель. Электромагнитное излучение (свет и прочее) отражается и дает импульс.
Всё логично. Плохо то, что, во-первых, термоядерную реакцию пока непрерывно не запустили, только бомбы взрывали в своё время. А во-вторых, коэффициент полезного действия такой системы будет невысокий. Не такая большая доля выделяющейся энергии уйдет в излучение.
Можно ли прямо сейчас сделать упрощенный вариант фотонного корабля? Можно. В смысле используя имеющиеся технологии, ну, с небольшим относительно их развитием.
Для начала о физике, ткскзть, явления. Представим фотон, вот он летит. Это квант электромагнитной энергии. То есть частица, которая переносит эту энергию. У него есть масса, пока он летит, а лететь он может только со скоростью света. Это понятно, потому что поток фотонов - это и есть свет. А массы покоя у него нет. То есть остановился - всё, помер. Исчез. И масса его высчитывается по формуле Эйнштейна
, где E - энергия частицы,
m - масса частицы,
с - скорость света.
Теперь представим, что фотон летел в одну сторону, потом ударился о препятствие (зеркало) и полетел обратно. Что-то вроде мячика, ударившегося о стену. Понятно, что для того, чтобы изменить полет мяча (фотона), надо приложить какое-то усилие. Это усилие будет зависеть от скорости мяча (фотона) и его массы. Поэтому оперируют в таких случаях понятием "импульс", то есть произведением массы на скорость.
где p - импульс,
v - скорость движения частицы, для фотона v=c.
Но есть еще такой закон сохранения импульса. Если фотон ударился обо что-то и изменил свой импульс, то и тот объект, о который он ударился, изменил свой импульс в противоположную сторону (если вспомнить, что скорость имеет направление и на самом деле это вектор). Допустим, мы ударяем мячом не о стену, а об лодку. Понятно, что лодка сдвинется. (Стена тоже сдвинется вместе с Землей, но это не так интересно).
Фактически мы описали работу фотонного корабля с зеркалом и популярного сейчас солнечного паруса. Солнечный парус - это красиво) но не очень практично. Особенно для дальних полетов, где Солнце не особенно светит, как просто яркая звезда. Потом, возникает вопрос о возвращении обратно))) туда-то мы улетим, по солнечному ветру. А обратно как? Придется делать всякие гравитационные маневры вокруг планет, в общем, мороки много.
Конечно, неплохо бы самостоятельно летать, со своим двигателем.
А что будет, если какое-то устройство будет излучать фотоны? Ну вот тот же магнетрон, например (он излучает в радиодиапазоне, но в широком смысле это всё фотоны). Из него вылетают фотоны, они имеют импульс. По всем законам такой же импульс будет передаваться излучающему устройству. Это как если сесть в лодку и начать кидаться мячами. Лодка поплывет в противоположную киданию мячей сторону.
Разница в том, что мячи уже готовы. А фотон родится прямо тут, его масса прямо получается из энергии по формуле (1). То есть если взять какое-то излучающее устройство, магнетрон или светодиод, то при работе он будет испытывать "отдачу", так сказать, то есть будет воздействовать сила, зависящая от числа и массы выпускаемых фотонов. Найдем эту силу.
Как известно, импульс можно представить как произведение силы, действующей на тело за время t, на это время.
Отсюда
(Мы предполагаем, что в начальный момент импульс, ускорение, скорость и время равны нулю).
Пусть энергия E тратится целиком на излучение фотонов за время t. Мощность W будет связана с E
Из (5) и (1) найдем массу излучаемых фотонов
Тогда сила давления излучения
Подставляем массу из (6) в (7)
Переписываем
где W - мощность излучения,
с - скорость света.
Итак, сила, действующая на источник света при излучении фотонов (в одном направлении), равна мощности, тратящейся на образование фотонов (при кпд 100%), деленной на скорость света.
Если учесть, что с≈3•108 м/с, то сила не очень большая) Можно ли такую силу реально использовать? Прикинем порядок величин, например, время для путешествия на популярные космические курорты планеты.
Какой источник энергии можно использовать если не прямо сейчас, то в ближайшее время? Конечно, это ядерный реактор деления, ну то есть обычный ядерный реактор. Уже запускались в космос ядерные реакторы электрической мощностью 10 кВт ("Топаз"), вес 1250 кг. Есть реальный проект установки мощностью 400 кВт. Немного пофантазируем и допустим, что у нас в распоряжении будет реактор 10 мегаватт. Я не думаю, что если реально поставить такую задачу, даже сейчас нельзя сделать такую штуку.
Пусть наш фотонный планетолет будет весить 100 тонн. По крайней мере примерно такого порядка массы можно сделать корабль. МКС около 300 тонн. Но там шесть человек экипаж, можно потесниться, минимальный экипаж три человека, допустим.
Теперь как перевести мощность в фотоны. Я думаю, самый хороший способ - использовать светодиоды, или полупроводниковые лазеры на их основе. Их коэффициент полезного действия очень высок и может достигать 50%. То есть можно добиться 10 МВт мощности излучения, взяв реактор электрической мощностью 20 МВт.
Теперь посчитаем, можно ли использовать такой планетолет. Расстояние от Земли до Марса от 401 до 56 миллионов км, возьмем среднепотолочное значение 100 млн км, или 108 м. Будем считать, что притяжение Солнца никак не влияет, а от притяжения Земли мы ушли, использовав химические ускорители. Ну или электроракетные двигатели. Это наш путь S.
Путь S за время t можно пройти, имея ускорение a :
Ускорение a можно найти, зная массу и силу
Зная силу из (8) и массу, можно найти ускорение из (10) и из (9) найти время, нужное для преодоления пути S:
Итак, сила
Это соответствует на Земле силе тяжести для массы 3,3 грамма. Мало, но существенно.
Ускорение
Время полета до Марса
Согласитесь, вполне реальный срок. До Сатурна 2,9 года. Не смертельно.
Итак, вполне возможно уже на сегодняшнем (ну или слегка улучшенном) уровне современной техники собрать фотонный планетолет, который вообще не требует какого-то инертного тела для разгона. Вы спросите: а как же реактивная сила, нужно же отбрасывать массу? Да, отвечу я, масса отбрасывается. Она получается из расходуемой энергии. А та в свою очередь в ядерном реакторе получается из дефицита массы после реакции деления. То есть понемногу масса вещества в реакторе уменьшается. То есть никаких китайских чудес.
