С нашими химическими ракетными двигателями мы вряд ли можем называться цивилизацией покорившей космическое пространство. Главный виновник после отсутствия опоры тут третий закон Ньютона, закон сохранения импульса. Чтобы двигаться в каком-то направлении, нужно от чего-то оттолкнуться, в космосе можно оттолкнуться только от части собственной массы, то есть движение - это потеря массы. По этому для более эффективного движения нужно посильнее оттолкнуться от части себя, хорошей альтернативой стало развитие ионных и плазменных двигателей удельный импульс которых в 10-20 раз больше химического. Заодно и скорость достигаемая таким двигателем ограничена уже не 5-6км/сек как у ракетного, а 100км/сек.
Ну ладно, закончим со скучными фактами и посмотрим что физики-теоретики пророчат еще не родившимся инженерам в качестве головной боли, главное условие - не нарушать известные законы физики:
1. Фотонный двигатель и его родственник - термоядерный двигатель:
Принцип действия как у солнечного паруса, только солнце возим с собой. В силу ничтожно малого КПД, скорее всего останется только в книгах. Но опять же для его работы нужно не только расходуемое топливо, но и антивещество, количество которого в свободной форме не существует.
2. Em-Drive
Самый спорный двигатель, пытавшийся нарушить закон сохранения импульса. В качестве "нарушителя" использовалась полая металлическая камера в которую подавалось микроволновое излучение с расчетом что сумма отражений излучения будет не уравновешенна во всех направлениях. К 2021 году учеными поставлен вердикт: "возникающая в следовых количествах тяга является погрешностью измерительного оборудования и помехами". Проект закрыт.
3. Квантово-вакуумный плазменный каталитический двигатель (КВПКД)
Двигатель в основу получения импульса которого заложен принцип "кипения вакуума" (постоянного образования пар частиц и их аннигиляция) поскольку процесс образования пар хаотичен и их импульс непредсказуем, необходимо будет их упорядочивать в магнитных и электрических полях. Но технологий создания, разделения пар мы пока не знаем.
4. Варп-двигатель
Основан на искривлении пространства перед и сзади направления движения, законы и методы искривления неизвестны но патент выдан патентным бюро США.
Ну а теперь похулиганим:
Представляем Вам микро-чёрнодырный реактивный двигатель (МЧРД) Хокинга!
Микрочернодырный Реактивный Двигатель (МЧРД) "Гравитационный Капкан"
Представьте себе двигатель, в сердце которого находится микро-чёрная дыра, вещество на нее подается через аккреционные инжекторы, выбрасывая вещество в МЧД со стороны направления движения в следствии чего материя и микро-черная дыра (МЧД) начинают взаимно притягиваться. МЧД получает импульс в сторону инжектора подающего материю, далее по сфере вокруг МЧД собираем излучение Хокинга и преобразуем его обратно в материю, и снова подаем на инжектор для получения нового импульса.
Принцип действия: Использование релятивистского истечения плазмы от аккреции вещества на микро-чёрную дыру (МЧД) для создания реактивной тяги, с последующей регенерацией рабочего тела за счет излучения Хокинга.
1. Физические Основы
- Аккреция: Падающее на черную дыру вещество в аккреционном диске разгоняется до релятивистских скоростей и нагревается до миллионов градусов. При падении в горизонт событий часть вещества и энергии может быть выброшена вдоль оси вращения черной дыры в виде узконаправленных струй (джетов). Это наш маршевый источник тяги.
- Излучение Хокинга: Чем меньше черная дыра, тем интенсивнее она испаряется за счет этого квантового эффекта. Для МЧД это мощный поток элементарных частиц и фотонов.
- Закон сохранения импульса: Система не нарушает его. Импульс корабля вперед компенсируется импульсом релятивистской струи плазмы назад и взаимного притягивания массы рабочего тела из инжектора.
2. Конструкция Двигателя
Давайте соберем наш двигатель по косточкам:
А) Сердце системы: Микро-чёрная Дыра (МЧД)
- Масса: Критический параметр. Нужно найти баланс.
- Слишком малая (менее ~500 млн. тонн) — испарится мгновенно (за доли секунды).
- Слишком большая (как астероид) — будет иметь ничтожное излучение Хокинга, и ее гравитацию будет сложно удержать.
- Оптимум: Масса порядка 1 миллиард тонн (10^15 кг). Радиус горизонта событий ~1.5 фемтометра (размер протона). Время жизни ~5 лет. Мощность излучения Хокинга ~6 ГВт.
Б) Система Удержания: "Гравитационная Клетка"
- МЧД невозможно удержать механически. Нужны мощные магнитные и/или электростатические поля.
- Принцип: Заряжаем МЧД, облучая ее, например, электронами. Далее, используя сверхпроводящие электромагниты, создаем сферическую "клетку" из электромагнитных полей, в центре которой удерживается заряженная МЧД. Это самая сложная инженерная часть.
В) Система Подачи Топлива (Аккреционный Инжектор)
- Это "заряжание пушки". Система направляет вещество (водородную плазму) строго с носовой части корабля в сторону МЧД.
- Торможение за счет заднего инжектора.
- Вещество падает по гравитационному полю МЧД, формируя аккреционный диск.
- Создание тяги: Мы фокусируем подачу вещества не сферой, а асимметрично, с одного направления. В результате, релятивистская струя плазмы, не успевшая упасть в горизонт событий, будет вылетать в противоположную сторону, создавая реактивную тягу по классическому принципу. МЧД, получая импульс от падающего вещества, "тянет" за собой корабль.
Г) Система Регенерации: "Сборщик Хокинга"
- Вокруг МЧД (но вне зоны аккреции) размещается сфера-коллектор (например, из графена или другого прочного и термостойкого материала).
- Эта сфера поглощает мощное излучение Хокинга (в основном фотоны и легкие частицы) и преобразует его в электрическую энергию (как солнечная батарея) или, что сложнее, в вещество.
- Полученная энергия/вещество используется для работы систем корабля и, что ключевое, подается обратно в аккреционный инжектор.
3. Цикл Работы
- Импульс: Подача плазмы из запасов (или регенератора) со стороны носа корабля на МЧД.
- Тяга: Аккреция и формирование релятивистской струи в сторону, противоположную подаче. Корабль получает ускорение.
- Регенерация: Сфера-коллектор улавливает излучение Хокинга, преобразуя его в энергию/новое вещество.
- Замыкание цикла: Регенерированное вещество направляется обратно в инжектор для следующего импульса.
4. Преимущества и Проблемы
Преимущества:
- Фундаментальная физика: Не нарушает известных законов (в отличие от EmDrive).
- Высокий КПД: Преобразование массы в энергию по механизму Эйнштейна (E=mc²) через аккрецию и излучение Хокинга — один из самых эффективных процессов во Вселенной.
- Самодостаточность: В идеале — почти замкнутый цикл с минимальными потерями.
- Огромная тяга: Релятивистские струи от аккреции могут обеспечить колоссальное удельное ускорение.
К сожалению такой двигатель доступен цивилизации достигшей уровня не менее 1,5 по шкале Кардашова, но это будет большой шаг к полной энергетической независимости цивилизации.
Только представьте электростанции на микро-чёрных дырах:
Любая колония получает неограниченный доступ к энергии, становится доступным терраформирование:
Любое терраформирование — это в первую очередь чудовищный расход энергии. МЧД-станция решает эту проблему радикально.
- Масштабируемая мощность: Одна станция на МЧД в 1 млрд тонн дает ~6 ГВт. Комплекс из десяти таких станций — 60 ГВт. Это постоянная, не зависящая от времени суток, времени года или погодных условий мощность, размещенная прямо на орбите планеты.
- Сравнение: Все современные земные электростанции вместе взятые выдают около 10 ТВт (10 000 ГВт). Орбитальная сеть из нескольких сотен МЧД-станций сможет приблизиться к этому уровню, направляя всю энергию на одну планету.
Что это дает:
- Питание орбитальных рефлекторов: Огромные зеркала, фокусирующие солнечный свет на полярные шапки или в атмосферу, требуют энергии для ориентации и коррекции орбиты.
- Работа мощных лазерных или СВЧ-передатчиков: Для точечного нагрева поверхности, испарения льдов или стимуляции химических реакций в атмосфере.
- Энергия для промышленных орбитальных комплексов, которые будут перерабатывать астероиды в атмосферные газы.
Для Марса это будет означать восстановление атмосферы путем ее нагрева и растопления углекислого газа и создания искусственного магнитного щита, не дающего сорвать солнечному ветру восстановившуюся атмосферу.
Для Венеры - Охлаждение и удаление лишнего углекислого газа, экранирования солнечной радиации.
Может быть та материя которую мы не можем "увидеть" в рамках теории "темной материи и темной энергии" и сосредоточена в "двигателях" цивилизаций которые снуют вокруг нашего муравейника?
Но это не точно!