Чтобы достичь внешних планет, свету понадобиться несколько часов, чтобы добраться. Расстояние между известными человеком звездами настолько большое, что свет сможет преодолеть его лишь минимум за несколько лет. А что же про современный космический аппарат? Узнайте в этой статье!
Может показаться, что покорение Вселенной в её значительных масштабах остаётся лишь фантазией и мечтой. Но так ли это?
Из всех планет Солнечной системы Марс наиболее подходит для исследований. Практически он часто сближается с Землей на расстоянии 56 миллионов километров. Свет и волны преодолевают такое расстояние в-среднем за 3 минуты, что же космических аппаратов, им потребуется гораздо больше времени. Таким аппаратам приходится использовать гравитационные маневры около других планет для разгона, путешествовать по Солнечной системе по сложных траекториям. Например, марсоход Perseverance добрался до Красной планеты всего за 7 месяцев. Новая ракета SpaceX Starship сможет заметно сократить время полета на такое расстояние.
Расстояние до ближайшей звезды Проксима Центавра свет может пройти лишь за 4 года. На самом современном космическом аппарате до этой звезды можно долететь только не менее чем за 40 000 лет. Но цифра оптимистична, ведь мощности доступных ракет недостаточно, чтобы разогнаться до 618 километров в секунду даже с помощью хитрых гравитационных маневров. Именно такая скорость необходима для преодоления притяжения солнца, и получить минимальный шанс достичь других звезд.
Самым быстрым летательным аппаратом является зонд Паркер, запущенный НАСА в 2018 году. Сегодня скорость зонда приблизительно равна 147 — 150 километрам в секунду. После ряда гравитационных маневров, планированных на ближайшие годы, зонд сможет разогнаться до 194 километров в секунду.
Однако, большинство космических аппаратов движется не быстрее 11 километров в секунду. Этого достаточно, чтобы достичь луны, тем более — вывести объект на орбиту Земли. Для достижения других планет Солнечной системы потребуется гораздо больше времени. Автоматические зонды, исследующие окраины Солнечной системы, проводят десятилетия в пути, чтобы достичь планет-гигантов, таких как Юпитер, или Уран.
В чём основная, наиболее очевидная проблема двигателей самых современных ракет? Полезная масса двигателя ракеты составляет несколько процентов от общей массы ракеты, удельный импульс вплотную пробрался к технологическому уделу. Если в теории с помощью такого рода двигателей объекты Солнечной системы могут быть достигнуты, то к полетам к звездам приходится искать другие методы.
Не стоит вешать нос, ведь есть методы для увеличения скорости ракет. Например, использование ионных двигателей. В них заряженные частицы ускоряются в электростатическом поле, отдавая свой импульс космическому аппарату. По исследованиям и испытаниям, ионные двигатели быстрее химических более чем в 70 раз. Это позволяет увеличить как скорость, так и полезную массу в космических аппаратах. Главным нынешним недостатком самого последнего ионного двигателя является его малая мощность, не позволяющая аппарату подняться с Земли.
Современные подходы рассматривают исключение реактивных двигателей и применение давления света. Солнечный парус, улавливая поток фотонов, идущих от светила, способен разогнать аппарат до несколько сотен километров в секунду, при этом, почти без затрат. Вместо солнечного света можно улавливать солнечный ветер. Такой парус называется электрическим. При этом, взлететь с любой планеты за счет паруса — невозможно. Можно, конечно, и запустить корабль, но уже в космосе. Для этого нужно сначала долететь до орбиты Земли на реактивном двигателе, а там, потом, сменить реактивный двигатель на парус. При этом, поток фотонов мощнее лишь в окрестностях солнца и других звезд, т.е., парус вдали от звезд и солнца станет неэффективных. Главный плюс — экономичность.
Фотонный звездолет. В огромном параболическом зеркале, встроенном около корабля, появляется источник света. Аннигиляция небольшого количества антиматерии. Но это лишь фантастика. Сегодня не удается разработать ни зеркало, ни мощный источник света.
Для создания тяги можно также использовать силу ядерного распада. Согласно американскому проекту середины прошлого века, корабль, оснащенный импульсным ядерным двигателем, мог бы достичь центра Альфа Центавры за 130 лет. Разгон корабля должен осуществляться за счет мощной цепочки ядерных взрывов, мощностью в 1 килотонн каждый. Ударная волна, отражаясь от крепкого термостойкого щита, с легкостью смогла бы разогнать аппарат до невероятной скорости в космическом пространстве. Думаю, вы знаете, какая главная проблема у такого двигателя. Огромное количество радиации будет испускаться из двигателя, а для создания толкателя в современных промышленных условиях потребуется очень много сил и времени. Создание щита для ядерных реакций также является проблемой в современных промышленных условиях. В итоге, разработки импульсного ядерного двигателя остались лишь в перспективе.
Однако, вполне возможно разработать ядерный двигатель. При разработке реактивного ядерного двигателя водород пропускается через активную зону ядерного реактора, собранную из твердых ядерных стержней. Тепло, выделяемое при распаде, нагревает газ до высоких температур, после чего газ сгорает и за счет силы выходит из сопла. Такой двигатель называется твердофазным. Его возможно построить и сегодня.
Суть работы двигателя заключается в том, что чем выше температура реакций, тем большую скорость способен развить двигатель. Но из-за опасности повреждения конструкции под высокими температурами двигатель требует особых материалов, которых либо нет, либо придется создавать очень долго. Такой двигатель называется газофазным. С его помощью возможно не только за пару недель достичь Марс, но и добраться до ближайшей звезды.
Существует гипотетический проект прямоточного звездолета "Бассард". Он устроен на термоядерном двигателе, работающем на водороде. Водород собирает гигантская "воронка" в космическом пространстве, которая передает вещество в двигатель. Но при этом, даже такой двигатель не способен развить даже десятую часть скорости света.
Но есть еще смелая гипотеза мексиканского физика Мигеля Алькубьерре. Он заявил, что возможно не получиться развить скорость больше скорости света, но возможно двигать пространство. Гиперпривод должен сжимать пространство по направлению движения, и растягивать позади корабля. Для этого понадобится экзотическая материя, обладающая, к примеру, отрицательной энергией. Экспериментально обнаружить материю не удалось, но теоретически, она существует.
Система привода Алькубьерре требует отрицательной плотности энергии, поэтому для ее создания необходима некая особая материя или манипуляции с темной энергией. Если такой материи с нужными свойствами не существует, то и привод не может быть создан. В своей оригинальной статье Алькубьерр утверждал, что "вакуум Казимира" между параллельными пластинами может удовлетворить требование отрицательной энергии для привода Алькубьерра.
Гипотеза Алькубьерре не воспринималась всерьез, да и экзотическая материя не была нужна.
Тем временем, немецкий физик Эрик Ленц обнаружил, что для аппарата, работающего на основе теории Алькубьерре, не нужна экзотическая материя. Ленц предложил формировать его с помощью особой одиночной волны, созданной за счет плазмы. Волна, предложенная Ленцем, способна распространяться на огромные расстояния без потери импульса и формы. При это теория Ленца также не до конца эффективна. Пришлось бы аннигилировать несколько десятков Юпитеров для того, чтобы долететь до Проксимы.
Физики из Нью-Йорка Алексей Бобрик и Джании Мартин адаптировали теорию Мигеля Алькубьерре субсветовых скоростей. Отказ от скорости света снимает целый ряд парадоксов и позволяет достичь высоких скоростей в будущем. Количество энергии для создания пузыря снизилась на несколько порядков, и достигла величине, эквивалентной массе Земли.
Если эта статья стала для вас полезной и оказалась интересной, поддержите канал подпиской. Удачи!
#наука #космос #факты #интересные факты