Самая главная проблема для космонавтики – космическая радиация. Проблема даже не в ней самой, а в корабле, который бы защитил от неё, ведь для его строительства необходимы все экономические ресурсы развитых стран мира. Но не менее большой проблемой является преодоление гравитации. Для этого мы используем сильнейшие в мире двигатели, топливо для которых занимает большую часть космических шатлов и ракет. Если бы получилось решить проблему с топливом, можно было бы освободить много места в ракетах или кораблях.

Давайте поговорим о трёх наиболее известных и перспективных разработках в этой отрасли.

Фотонные двигатели

На данный момент, это гипотетический двигатель для ракет, источником энергии для которого служит некое тело, излучающее мощный свет. Сами по себе фотоны имеют импульс, который теоретически мог бы создавать реактивную тягу. То есть фотонный двигатель может развить максимальную тягу из расчёта на затраченную массу космического аппарата, позволяя достичь скорости близкой к скорости света.

С этим двигателем много вопросов, в том числе, как найти некое вещество, излучающее свет с такой мощностью, как его удержать в необходимом русле, что должно послужить энергией для самого тела, излучающего столь мощный поток света.

Рассмотрим несколько из вариантов такого двигателя.

Аннигиляционный двигатель

Вопрос антивещества очень любим в научной фантастике, много исследований этому посвящено и у физиков.

Энтузиасты этой идеи считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Следует отметить, что часто встречаемая в популярной литературе фраза о том, что при аннигиляции выделяются гамма-кванты, не совсем верна с точки зрения физики.

Гамма-кванты выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции. Если же этот процесс в состоянии покоящийся пары протон-антипротон, тогда происходит сложная реакция – образование адронного мезоатома со временем существования 10−27 секунды. Затем происходит распад этого атома с образованием пионного комплекса, состоящего из 2-12 нейтральных и заряженных пи-мезонов, затем в период времени, порядка 10−17 секунд нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре 70 МэВ, а заряженные пионы удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции. Если это происходит в вакууме, то это 20-40 м, в плотном веществе, например, в графите – 0,1-0,2 м. следующий этап – распад с образованием мюонов, которые уже распадаются на нейтрино и электроны.

Другими словами, при аннигиляции антивещества мы увидим в ракетных двигателях некую магнитную ловушку для частиц. При такой невысокой массовой отдаче, около 23% эксплуатация фотонного двигателя становится невыгодной, если мы не используем внешние ресурсы.

Что это за внешние ресурсы?

В первую очередь – водород и гелий в космической среде, но тут возникает новая проблема, возможность получения этих веществ. Количество межзвёздного вещества в космической среде очень мало – около одного атома антиводорода и на 5×106 атомов обычного водорода антигелия.

И главная проблема, с которой мы сталкиваемся, говоря об аннигиляции – хранение и управление антивеществом, так как это очень мощный и нестабильный процесс.

Двигатель на магнитных монополях

В физике есть такая модель, которая получила название «модель Хоофта-Полякова». Согласно этой модели можно построить фотонный двигатель, который не использует антивещество, а катализирует распад протона на позитрон и пи-мезон с помощью магнитного монополя.

Какова основная проблема с этим двигателем?

Основная проблема – магнитный монополь частица гипотетичная, в реальности не найденная учёными. Теоритически она могла бы обладать ненулевым магнитным зарядом. Магнитный заряд является источником статистического магнитного поля так же, как электрический заряд является источником статического электрического поля.

Магнитный монополь можно представить как отдельный полюс длинного и тонкого постоянного магнита, но у магнитов два полюса, поэтому все известные элементарные частицы, обладающие электромагнитным полем, являются магнитными диполями.

Другими словами, о вышеуказанном двигателе можно было бы говорить в потенциальном ключе, если бы в мире существовал бы магнит только с одним полюсом.

Двигатели на микроволнах

Главное верить в мечту. Наверное, таким принципом руководствуется британский инженер Роджер Шоуэр, который в начале 2000-х задумал разработать двигатель на микроволнах (EmDrive), создав для этого небольшую компанию.

Но Шоуэр не единственный, кто свято верит в появление подобного двигателя, так как первые упоминания о нём уже встречались в научно-популярной литературе.

По задумке EmDrive должен представлять собой конусообразный резонатор, на узком конце которого установлен мощный магнетрон – электронная лампа, генерирующая микроволны. Когда магнетрон работает, микроволны отражаются от резонатора, усиливаясь от одного конца к другому.

В результате такого процесса, создаётся едва заметный дисбаланс давлений, который и создаёт тягу, не требующую огромного количества топлива и безотходную.

Шоуэр утверждает, что благодаря непосредственному преобразованию электричества в тягу не происходит потери момента импульса. Англичанин утверждает, что это никак не будет нарушать законы Ньютона. Но тут возникает проблема – двигатель подобного принципа работы был уже сконструирован до Шоуэра, но его эффективность была равна нулю.

Почему двигатель оказался не эффективным?

Волны Шоуэра заперты внутри резонатора, то есть энергия не передаётся внешнему устройству. Чтобы стало понятнее, представим себе некое устройство, которое поднимает груз вверх, например, ракету или шатл. А теперь положите эту гипотетическую ракету или шатл внутрь груза. Или представьте, что вы пытаетесь подтолкнуть автомобиль сидя внутри.

Тем не менее, на разработку такого двигателя был выделен грант. И тут возникает вопрос, в связи с этим возник новый интерес к подобному двигателю.

В 2012 году китайские исследователи заинтересовались  разработками Шоуэра. Китайцы построили свой аналол двигателя на микроволнах, после чего объявили, что получили с помощью него тягу, равную 72 кг.

Вместе с этим исследованием американец Гвидо Фетта продемонстрировал свой вариант микроволнового двигателя.

После испытаний обоих двигателей специалистами NASA появилась публикация, в которой фигурировало слово – «аномальное создание тяги». Казалось бы, новый двигатель найден, но всё оказалось не столь оптимистично.

Во-первых, испытания проводили пять человек из небольшого отдела, который занимается исследованием нестандартных моделей двигателя, таких как вечный двигатель и т.п. руководитель этого отдела Уайт известен своей скандальной репутацией и многочисленными фальсификациями. Поэтому пока что можно говорить лишь о том, что экспериментальная лаборатория провела предварительное испытание резонансного двигателя.

Кроме того, согласно отчёту Уайта, двигатель работает даже при неправильной установке, однако, согласно словам разработчика, энергия должна излучаться только с зауженной части двигателя.

Смутило физиков и использование таких терминов, как «квантовый ваккум виртуальной плазмы», на деле являющийся набором слов.

На сегодняшний момент исследования в этой области продолжаются, но пока реальных успехов подобный двигатель не добился.

Ионный двигатель

Его принцип заключается в создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, который разгоняется до высоких скоростей в электрическом поле.

Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. Рабочим телом, как правило, является ионизированный газ, или ртуть.

Его главным недостатком является маленькая тяга, в сравнении с привычным химическим двигателем.

На сегодняшний день ионному двигателю принадлежит рекорд негравитационного ускорения аппарата Deep Space 1, который развил скорость на 4,3 км/с при массе 370 кг, израсходовав 74 кг ксенона. Другой аппарат Dawn набрал скорость уже 11,1 км/с.

Принцип работы такого двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. На сегодняшний день для источника энергии, необходимой для ионизации используются солнечные батареи, что добавляет дополнительной массы аппарату.

Нейтральное топливо подаётся в двигатель, где бомбардируется высокоэнергетическими электронами и ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Электроны отфильтровываются в камере с помощью катодных сеток, притягивающих к себе частицы.

Ионы попадают между сетками, где разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль.

Главный недостаток подобных двигателей, на сегодняшний день – слабая тяга, то есть его не получиться использовать при долгой работе. Но, с другой стороны, есть возможность при достаточно долгой работе разогнать аппарат до скоростей, недоступных многим используемым двигателям.

Наука не стоит на месте, а технологии стремительно развиваются, поэтому, можно говорить о потенциальной возможности создания новых типов двигателей в ближайшем будущем.