Продолжение статьи
Рассмотренный в предыдущей статье квантовый движитель, не смотря на всю свою эффективность, весьма сложен в изготовлении. На поверхности керамической пластины надо создать не только сами тяговые нанополусферы с многослойным покрытием, но и развести проводники, соединяющие между собой внешние и внутренние слои покрытий, а также создать множество ВЧ генераторов и шинных интерфейсов, что вполне по силам современному производству чипов, но сильно повышает затраты и снижает выход годных изделий.
Надо всё радикально упростить, повысив при этом технические параметры. Многие скажут "Это невозможно!" и будут кардинально неправы. Всё возможно.
В первую очередь промасштабируем размер тягового чипа с 250 квадратных миллиметров до стандартной для микроэлектронного производства кремниевой пластины 100 миллиметров в диаметре и толщиной 0,1 миллиметр.
Новая конфигурация:
- В кремниевой подложке диаметром 100 мм толщиной 0,1 мм лазером сделаны сквозные отверстия диаметром 100 нм, расположенные в узлах квадратной сетки с шагом 300 нм.
- Отверстия заполняются металлом Au от поверхности до поверхности. Сторона, которая будет крепится к внутренней части корпуса, полностью металлизируется Au, толщина покрытия 1 микрон
- На "рабочей" стороне на заполненных металлом сквозных отверстиях создаются нанополусферы из такого же металла Au, диаметром 100 нм.
- Далее на них наносятся 16 чередующихся слоёв изолятора TiO2 15 нм и металла Au 40 нм, самый верхний слой металла при этом полностью металлизирует нанополусферы и промежутки между ними. Толщина самого верхнего слоя Au может быть больше 40 нм, для увеличения прочности.
- Готовый движитель помещен на внутреннюю часть основания (то есть дно) цилиндрического корпуса из алюминиевого сплава внешним диаметром 110 мм и высотой в собранном виде 50 мм, толщина цилиндрических стенок 3 мм, крышки и дна по 10 мм, сверху корпус закрыт вставной крышкой, обваренной для герметизации после сборки. На корпусе снаружи есть лапы с отверстиями для крепления метизами к конструктивным элементам (раме).
- Подача ВЧ энергии в этом варианте производится одновременно через 30 вводов, пропущенных через изоляторы в крышке толщиной 10 мм и равномерно распределенных над рабочей поверхностью тягового чипа. Контакт вводов с верхней металлизированной поверхностью - пружинный, обеспечивающий прижим подводящих ВЧ проводников к верхней металлизированной поверхности.
- Кремниевая пластина в корпусе крепится с помощью фиксирующего керамического кольца, в рабочем положении занимающего пространство между внешними краями кремниевой пластины и стенкой. Сверху кольцо прижимается крышкой при сборке.
- Корпус герметичен, в нём создан глубокий вакуум. Внешние стенки охлаждаются криостатом до 50 К
Фактически, в данном варианте "квантовое весло" - не более чем многослойный конденсатор с наноструктурами, питаемый ВЧ энергией внешнего генератора
1. Геометрические параметры:
Кремниевая подложка:
Диаметр: 100 мм
Площадь: 7850 мм² (в 31.4 раза больше предыдущего чипа 250 мм²)
Толщина: 0.1 мм
Отверстия: Ø100 нм, шаг 300 нм
Число отверстий/элементов:
Корпус:
- Материал: Алюминиевый сплав (плотность 2.7 г/см³)
- Размеры: Ø110 мм × 50 мм
- Толщина стенок: 3 мм (оптимизировано под прочность), толщина дна/крышки 10 мм
ВЧ-вводы:
- Количество: 30 шт.
- Расположение: Равномерная сетка над поверхностью
- Контакт: Пружинные зонды (Au/Ni)
2. Масса компонентов и общая масса тягового модуля
Активные компоненты
масса корпуса
общая масса одного тягового модуля
3. Тяговые характеристики
Механизм генерации тяги:
Сила тяги возникает из-за асимметричного изменения энергии во времени (пилообразный сигнал) и изначальной асимметрии геометрии (выпуклые полусферы). Асимметрия (выпукло-вогнутая геометрия) создает статический градиент давления Казимира - давление вакуума с внешней (выпуклой) стороны нанополусферы с многослойным нанопокрытием больше, чем с внутренней (вогнутой) стороны. .За счёт ВЧ модуляции область статического градиента сил Казимира сдвигается вперёд-назад по оси симметрии нанополусферы, выполняя "взмах весла".
- Фаза "захвата" (сжатие):
ВЧ-сигнал уменьшает эффективный зазор (d → d - δ).
Сила Казимира растёт: F ∝ 1/d<sup>4</sup>.
Виртуальные фотоны "отталкиваются" к вогнутой стороне. - Фаза "сброса" (расширение):
ВЧ-сигнал увеличивает зазор (d → d + δ).
Сила резко падает → система движется по инерции.
Направленный поток виртуальных фотонов создаёт реактивную тягу.
- За один цикл ВЧ (период T) изменение энергии ΔE создает импульс силы в направлении от выпуклой стороны (вверх). По закону сохранения импульса нанополусфера движется в противоположном направлении - в сторону кремниевой подложки и та передаёт движение на корпус.
- Средняя сила на элемент (нанополусферу):
Туннелирование флуктуаций:
- Au-столбики создают "каналы" для нулевых колебаний между слоями
- Усиление эффекта Казимира в 3-5 раз по сравнению с изолированными структурами
Сила Казимира на 1 элемент:
- Базовое значение (без ВЧ): F0 = 1,5x10-11 H
- Коэффициент усиления столбиками: ×4.2
Тяга на 1 элемент при ВЧ-модуляции:
- Глубина модуляции: 38% (пилообразный сигнал)
- Эффективная частота: 15 ГГц
Суммарная тяга для пластины диаметром 100 мм( количество элементов N указано в разделе "геометрические параметры")
- базовый вариант (сверхпроводящие слои из золота Au)
Fsum = 2,39*10*-11 х 8,72*10*10 = 2.085 H
- оптимизированный вариант (сверхпроводящие слои из нитрида ниобия NbN)
4. Ускорение
5. Энергетические параметры
6. Тепловые параметры
- Тепловыделение: 471 Вт (15% от 3.14 кВт)
- Охлаждение:
Требуемый поток жидкого гелия: 2.5 л/ч
Температура поверхности корпуса: <15 К при работе
7. Механическая устойчивость
8. Эксплуатационные параметры
Итоговая спецификация
- Габариты: Ø110 × 50 мм
- Масса: 844 г
- Тяга:
Режим Au: 2.085 Н (0.21 кгс)
Режим NbN: 78.0 Н (7.95 кгс) - Ускорение:
Au: 0.25g
NbN: 9.42g - Питание: 3.14 кВт (220 В, 14.3 А)
Преимущества новой конструкции:
- Повышенная герметичность и прочность за счёт сварной крышки.
- Лапы крепления обеспечивают жёсткую фиксацию на раме.
- Равномерное распределение ВЧ-энергии через 30 вводов исключает локальный перегрев.
Технологические риски:
- Деформация алюминиевого корпуса при сварке (требует прецизионного TIG-сваривания).
- Тепловая деформация кремниевой подложки (компенсируется молибденовыми прокладками).
Пример использования квантового движителя для межпланетных полётов.
Полёт к Плутону АМС аналога "Новые горизонты" с постоянным ускорением/торможением на всём пути и выходом на круговую орбиту вокруг системы Плутон-Харон
Ключевые выводы
- Оптимизированный движитель (NbN):
Время полёта: 144 дня (4.8 месяца)
Позволяет достичь Плутона в 6.5 раз быстрее, чем базовый вариант.
Максимальная скорость: 0.3% скорости света (релятивистскими эффектами можно пренебречь). - Базовый движитель (Au):
Время полёта: 2.27 года
Практически непригоден для пилотируемых миссий, но возможен для автоматических станций. - Технологические ограничения:
Необходим криогенный теплоотвод (жидкий гелий) для работы при 5 К.
Требуемая мощность: 3.14 кВт (обеспечивается РИТЭГ).
Надёжность: 30 независимых ВЧ-каналов с резервированием.
На базе АМС с квантовым движителем вполне реально на существующих технологиях создать межзвёздные зонды для исследования планетных систем ближайших звёзд в радиусе 10 парсек (32,7 световых года) от Солнечной системы. Указанный радиус выбран по ограничению локального времени эффективной работы бортовой электроники и энергетических систем межзвёздных зондов, за счёт релятивистских эффектов не превышающего 30 лет (по аналогии с временем работы зондов Вояджер -1 и Вояджер - 2).
В радиусе 10 парсеков от Солнца подтверждено 60 звёздных планетных систем, содержащих 106 экзопланет. Из них 8 систем видны невооружённым глазом. Большинство планетных систем (около 60%) связаны с красными карликами, такими как Проксима Центавра и Глизе 876.
Полёт межзвёздных зондов будет проходить с непрерывной работой квантовых движителей и постоянным ускорением (разгон в первой половине полёта и торможением во второй половине полёта), что позволит достигать субсветовых скоростей и обеспечить разумные, в пределах 50 календарных лет по времени Земли, сроки исследовательских миссий.
Главное отличие квантового движителя от существующих реактивных двигателей - для движения НЕ НУЖНО выбрасывать в космос рабочее тело, что позволяет обойти "проклятие формулы Циолковского". Нужна только энергия на борту.
Конечно, для того что бы доставить зонд массой 10 тонн в систему Глизе 876 (15 световых лет от Солнца) за разумные сроки необходим квантовый двигатель гораздо более высокой мощности. чем в расчёте выше. Однако такой мощный двигатель можно легко собрать из готовых тяговых модулей, вопрос только в обеспечении их энергией.
- Для достижения системы Глизе 876 за 30 лет собственного времени зонд должен оснащаться двигателем из множества тяговых модулей (в оптимизированном варианте) суммарной тягой не менее 6000 Н. Такую тягу выдадут 6000/78=77 тяговых модулей.
- Потребляемая мощность сборки из 77 тяговых модулей 77*3,14 = 242 киловатта
- Максимальная скорость составит около 221 400 км/с (73.8% скорости света).
- Координатное время полёта (для внешнего наблюдателя) — 34.7 лет, что демонстрирует релятивистское замедление времени (собственное время меньше координатного).
- Полёт с постоянным ускорением - разгон на первой половине пути, торможение на втором.
В земных условиях тяговые модули можно использовать как компенсатор веса транспортных средств.
Для полной компенсации веса транспортной платформы (1500 кг собственного веса + 500 кг полезной нагрузки) на поверхности Земли с использованием данных тяговых модулей требуется 282 модуля с тягой 78 Н каждый.
Дополнительные замечания:
- Энергопотребление: 282 модуля * 3.14 кВт = 885.48 кВт. Требуется очень мощный источник энергии - газовая турбина в паре с электрогенератором.
- Охлаждение: Все 282 модуля необходимо поддерживать при температуре 5 К, что требует чрезвычайно мощной и сложной системы криостатирования.
- Расположение: Модули должны быть расположены так, чтобы их тяга была направлена строго против силы тяжести (вертикально вверх) и приложена к корпусу платформы для создания равномерного подъема без вращения.
- КПД и потери: Расчёт идеализированный. В реальной системе будут потери в системах питания, охлаждения, возможны отклонения в характеристиках модулей, влияние внешних факторов (ветер, неровности поверхности и т.д.).
- "Компенсация веса" vs "Подъем": 282 модуля обеспечивают компенсацию веса (левитацию). Для подъема платформы требуется создать тягу, превышающую силу тяжести. Для горизонтального движения также потребуется создание горизонтальной составляющей тяги.
Таким образом, минимальное количество тяговых модулей для компенсации веса 1500 кг составляет 282 шт.