Фотонные ракеты - самая экзотичная фантазия на тему космических путешествий. И как ни странно, ее можно воплотить. Но есть ли смысл?
Вероятно, вы неоднократно слышали об идее фотонных ракет. В научной фантастике и массовой культуре, космические аппараты, использующие свет для своего движения, занимают одно из последних мест по популярности. По сравнению с другими методами передвижения, они упоминаются довольно редко. Такими редкими примерами могут служить планетолет Хиус из "Страны багровых туч" братьев Стругацких или звездолет Заря из фильма "Москва-Кассиопея".
Но почему же фотонные двигатели не так популярны в литературе, кино и массовом сознании, как их "коллеги", другие виды ракетных двигателей? Возможно, причина кроется в сложной двойственности этой идеи, и на эту двойственность может указать любой научный консультант при создании того или иного произведения.
С одной стороны, мы можем говорить о технологиях фотонных (световых) двигателей, которые вполне доступны человечеству на сегодняшний день, но абсурдно неэффективны. С другой стороны, рассматриваются концепции, которые напротив, обладают фантастической мощью и эффективностью, но их реализация видится нам почти недостижимой.
Давайте разберемся, что же такое фотонные ракетные двигатели в разрезе "реалистичного подхода". Вероятно, вы будете удивлены, но вы сталкиваетесь с принципом их работы практически каждый день. Любой направленный источник света — будь то карманный фонарик, лазерная указка или даже экран монитора вашего компьютера — в каком-то смысле можно рассматривать как "фотонный ракетный двигатель". В основе работы таких двигателей лежит третий закон Ньютона: действие равно противодействию. Когда источник излучает свет, он получает ускорение в противоположном направлении.
Причем в теории, такая технология имеет чрезвычайно большое преимущество: фотоны, как мы знаем, движутся с поразительной скоростью, сюрприз, со скоростью света. Эта уникальная характеристика делает идею использования света для движения в космосе невероятно привлекательной. Ведь один из ключевых параметров любого ракетного двигателя — это удельный импульс, который определяет скорость истечения рабочего вещества из сопла.
Для сравнения: у стандартного химического двигателя, подобного тому, что используется в ракете Союз, эта скорость составляет около 3_км/с. Тем временем фотонный двигатель "выбрасывает" свет со скоростью 300000_км/с — в 100000 раз быстрее! В теории, это позволило бы "световым" космическим кораблям развивать невероятные скорости и путешествовать среди звезд. Однако, здесь есть подводный камень: из-за невероятно малой "массы" фотонов, ускорение, создаваемое обычным источником света, практически незаметно. Ведь вы не ощущаете никакой отдачи, когда включаете фонарик, верно?
Итак, ускорение от фотонного двигателя в виде классического источника света, крайне мало, но оно существует - так можно ли применить его на практике? Можно ли построить космический аппарат с "фонариком" вместо двигателя? Давайте обратимся к цифрам.
Если начать с привычных нам устройств, то в качестве примера лучше всего подходят лазеры. Эти устройства создают направленный пучок света и могут иметь достаточно высокую мощность. Например, в промышленности лазеры мощностью 1_кВт - абсолютная повседневность. Для наших расчетов такое значение будет вполне подходящим.
Представим, что на борту космического аппарата у нас есть подобный киловаттный лазер. Какое ускорение он сможет предоставить? Для начала, произведем расчет импульса, для этого достаточно достаточно разделить энергию светового потока на скорость света:
Таким образом, сила тяги, создаваемая нашим "лазерным двигателем" будет составлять всего около 3,3_микроньютонов. Даже тяга реально существующих маломощных электрореактивных ионных двигателей в тысячи раз превышает этот показатель. Если представить, что наш спутник при этом будет весить хотя бы 1_тонну, что для космического аппарата - не так уж и много, то его ускорение составит 3,3_нанометра/с². Чтобы понять, насколько это скромный показатель, предположим, что наш фотонный двигатель будет безостановочно работать целый год:
Проработав целый год, наш киловаттный лазер разгонит спутник массой в одну тонну всего лишь на 104_м/с. Для сравнения, если вы хотите перевести аппарат с низкой околоземной орбиты на траекторию полета к Луне, кораблю потребуется изменение скорости в 3200_м/с. И напомним, мы говорим о технологии, которая изначально рассматривалась как перспективное решение для межзвездных путешествий.
Таким образом, фотонный двигатель, несмотря на свою теоретическую уникальность, не является сколько-нибудь целесообразным способом для быстрых космических путешествий. Но что, если быстрота операций для нас не столь критична и мы готовы к длительным миссиям? Ведь есть же и преимущества, в виде огромного удельного импульса и отсутствия необходимости в топливе(рабочем теле) в классическом понимании? Возможно, эти плюсы могли бы дать практический эффект. Но в реальности, главное препятствие — это обеспечение корабля необходимой энергией.
На Земле, при стабильном доступе к "розетке", работа лазера, как и других источников света, не представляется проблематичной. Но в условиях космоса все несколько иначе. Как можно было бы обеспечить наш гипотетический "фотонный спутник" электричеством? Для начала, поговорим об атомной энергии. Сейчас NASA разрабатывает проект малых ядерных реакторов под названием Kilopower. Конечно, можно было бы выбрать и другой "космический" ядерный генератор, но и этот пример достаточно нагляден.
Представьте, что этот малый ядерный реактор встроен в наш гипотетический космический аппарат - он вполне подходит по своим массогабаритным показателям. При массе в 400 кг, он способен предоставить космическому кораблю искомый киловатт мощности. Он функционирует на основе распада обогащенного урана и способен преобразовывать тепловую энергию в электричество. Как долго он может работать? Расчетный срок службы Kilopower составляет около 10 лет.
К сожалению, это и есть максимальное время работы нашего лазерного двигателя - после этого весь ресурс электроэнергии будет исчерпан. И даже если наша фотонная ракета проработает все 10 лет без остановки - ее прирост скорости составит всего 1_км/с. Обычный разгонный блок на стандартных химических двигателях (наподобие блока Бриз-М), мог бы разогнать наш аппарат до такой скорости всего за пару минут.
Первое, что бросается в глаза: это недостаточно даже для межпланетных путешествий, не говоря уже о межзвездных. Второе замечание касается работы условного киловаттного лазера в течение такого длительного времени. Средний КПД многих лазеров колеблется в пределах 20-30%. Это означает, что большая часть энергии превращается не в свет, а в паразитное тепло. В условиях космоса это создает дополнительные проблемы: необходимы сложные системы охлаждения и высокая надежность работы лазера, чтобы избежать его перегрева.
Второй доступный источник энергии в космосе — солнечный свет, поглощаемый фотовольтаическими панелями. Но идея преобразования энергии солнечных лучей в электричество, а затем обратно в свет, кажется абсурдной из-за огромных потерь на каждом этапе. Вместо этого, солнечный свет может быть использован напрямую, но не так, как мы представляем себе стандартные фотонные ракеты со световыми двигателями.
Вместо собственного источника света на спутнике, здесь более уместна концепция солнечного паруса. Вместо того чтобы излучать свет и "отталкиваться" от него, аппарат раскрывает огромный парус, который "ловит" фотоны солнечного света, получая от столкновения с ними ускорение. Однако, несмотря на свою простоту, такой метод тоже имеет свои ограничения. В далеком космосе, за пределами орбиты Юпитера, эффективность солнечного паруса становится практически нулевой из-за низкой интенсивности солнечного излучения. К тому же, подобно "ракете с фонариком", ускорение, которое может предоставить солнечный парус, чрезвычайно мало.
Что же мы имеем на выходе? Фотонные ракеты, использующие обыденные источники света, такие как лазеры, возможны для создания при современных технологических возможностях. Да, мы можем вывести на орбиту космическое судно с ядерным реактором, оснастить его продвинутыми системами охлаждения и установить лазер в качестве двигателя. Такая конструкция, если повезет, даже сможет функционировать несколько десятилетий с постоянно включенным "фотонным двигателем". Однако вопрос стоимости и практичности такого подхода стоит во весь рост. Получившийся космический аппарат будет иметь минимальную "маневренность", лишь незначительно изменяя свою орбитальную траекторию. Для любой космической миссии он будет фактически бесполезным.
В середине XX века, из-за подобных расчетов и ограничений акцент в "проектах" фотонных двигательных систем сместился к более экзотическим идеям. Излишне позитивно настроенные ученые, а вслед за ними и писатели-фантасты, пришли к идее аннигиляционных фотонных двигателей, которые предполагают превращение вещества и антивещества в огромные порции "чистой световой энергии". Но даже сейчас у нас нет четкого понимания, как создать такой двигатель, не говоря уже о сложностях производства и хранения антивещества. Солнечные паруса — еще одна интересная концепция, выросшая параллельно концепции светового двигателя, но она заслуживает отдельного обсуждения.
В завершение можно сказать, что, несмотря на теоретические преимущества фотонных ракет (особенно удельный импульс, наибольший из всех возможных), практическая реализация такой технологии в ее классической интерпретации кажется маловероятной, неэффективной и, возможно, навсегда подлежит забвению.
Еще одна фантастическая технология: