Может ли свет выступать топливом?
Как работает фотонный двигатель?
До каких скоростей позволит разогнаться «свет»?
И какие проблемы мы встретим при создании ФД.
Обо всём этом, в сегодняшней статье я попытаюсь рассказать не только научно, но и просто.
Принцип действия.
В ходе реакции, которая будет протекать за специальным «зеркалом» (которое будет отражать, пагубное для человека и нагрузки, излучение) мы будет получать фотоны, которые и будут ускорять корабль.
Свет как топливо:
Хоть свет (фотоны) и не имеет массы, он имеет импульс, который можно использовать для разгона аппарата.
То есть, имея импульс, поток фотонов сможет создавать реактивную тягу.
Это будет очень слабый, но крайне эффективный двигатель, так как скорость истечения из сопла будет равна скорости света.
Как получать этот самый «свет»?
А на самом деле нам нужен не свет, а именно фотоны, которые будут выступать не топливом, а «продуктом», который будет разгонять на КА.
Теоретически их (фотоны) можно получить двумя способами.
Первый способ (аннигиляционный):
И нет, это не привычная всем реакция электрон-позитрон. В случае покоящейся пары протон-антипротон происходит сложная цепочка реакций.
- Образование мезоатома. Мезоатом — это атом, в котором электроны заменены на другие отрицательные частицы, чаще всего на мюоны.
- Распад мезоатома до пионного комплекса (5-7 пионов), в котором 1/3 — нейтральные пионы, а 2/3 — отрицательно заряженные пионы.
- Распад нейтральных пионов с образованием гамма-излучения (те самые фотоны) с энергией (в пике) до 70 МэВ.
- Заряженные же пионы удаляются с околосветовым скоростями от места реакции.
Частицы. Небольшое отступление:
Что бы вам было более понятно, я постараюсь объяснить о том, что упоминалось выше.
Итак. Все мы знаем, что обычное вещество состоит из атомов, а вот атомы в свою очередь содержит в себе протоны (положительно заряжен), нейтроны (не имеют заряда), электроны (отрицательный заряд).
Но даже это не предел. Протоны и нейтроны это тоже составные частицы. Они состоят из кварков.
И разные составные частицы имеют разный кварковый состав. Всего есть 6 кварков (верхний, нижний, очарованный, прелестный, истинный и странный).
Вернёмся к мюонам. Мюон — это элементарная частица (как и электрон), имеющая отрицательный заряд. Собственно по этому и может заменять электрон в атоме, образуя мезоатомы. Эта частица не устойчивая и распадается всего через 2,2 миллисекунды (дольше неё — только свободный нейтрон). В то, на что распадается мюон, мы сейчас не будет вдаваться.
Теперь о пионах. Пион — это три вида субатомных частиц. Состоит из кварка и антикварка. Может иметь три заряда: отрицательный, нулевой (нейтральный) и положительный. Нам же «нужны» нейтральные пионы. Они распадаются на два гамма-кванта (фотона). Заряженные пионы, которые живут значительно дольше (по ядерным меркам) нейтральных, распадаются до мюона и мюонное (анти)нейтринно.
Нейтринно — вид фундаментальной частицы. Чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом.
Возвращаемся к фотонному двигателю.
Второй способ получения фотонов для движения:
Крома аннигиляции, фотоны можно получать методом распада протона (ядро атома водорода) катализируемым магнитным монополем. Распадается протон на позитрон и нейтральный пион (который в свою очередь на два фотона). После этого казалось бы нехитрого процесса, позитрон аннигилирует с электроном, в итоге «рождая» ещё два фотона. То есть атом водорода можно превратить в четыре фотона!
Всё просто, да?
Вам кажется, если вы так думаете.
Главная проблема этого способа это магнитный монополь. Дело в том, что на данный момент не обнаружено магнитного поля (и таковых частиц) с одним полюсом.
До каких скоростей может разогнать ФД?
С учётом потерь на излучение, получаемое в ходе аннигиляции, получается, что фотонный двигатель может разогнать космический корабль до, примерно, 25% от скорости света.
Почему? Так как двигатель будет выглядеть не как «зеркало», а скорее как магнитная ловушка, что снижает эффективность до 23-25%.
Какие проблемы встретит человек, при создании ФД?
Во-первых, как мы уже знаем, это необходимость создания специального «щита», для защиты экипажа от излучения. Такой щит должен служить долгое время, без необходимости ремонта и замены.
Второе, и наверно самое важное, это необходимость просто огромного количества антиматерии. Теоретически эту проблему мог бы решить сборщик Бассарда*, но на высоких скоростях >10% скорости света, он будет оказывать некое сопротивление, а также довольно быстро изнашиваться.
*сборщик (воронка) Бассрада — огромная конструкция, представляющая собой несколько километровую воронку с магнитным полем, для сбора атомов межзвёздной среды.
Ну и последнее — у корабля должен быть некий щит, который сможет защитить корабль от соударений с атомами межзвёздной среды, на высоких скоростях.
Ну а на этом у меня всё! Спасибо за внимание.
Надеюсь мы доживём до того времени, когда добрать до соседней звезды будет дешевле чем до другого конца города. (Шутка)