Фотонные ракеты. Почему они не стали реальностью?


Концепция фотонной ракеты впервые была предложена австрийским ученым Эйгеном Зенгером (1905-64). Этого человека в наши времена лучше всего помнят как руководителя проекта «Зильберфогель» (Серебряная птица). В ходе этой работы проводились исследования по разработке концепции космического самолета в интересах нацистской Германии.

Аннигиляция

После окончания войны Зенгер продолжал исследовать инновационные авиационные и космические идеи. И был первым, кто предложил использовать электрон-позитронную аннигиляцию в качестве источника тяги для ракеты. Это было простое предположение, мысленный эксперимент. Было ясно, что подобные технологии – это дело далекого будущего. Однако идея получила довольно широкое распространение. И активно эксплуатировалась различными изданиями тех лет, пишущими на космическую тематику.

Почему же идея Зенгера так очаровала людей? Потому что эта концепция, как предполагалось, позволяла построить космический корабль, способный разгоняться практически до скорости света. Только представьте! Подобное транспортное средство может помочь людям покорить невообразимые пропасти пространства между звездами! Бесстрашные космолетчики смогут исследовать таинственные миры возле других звезд. Путешествие, например, к звезде 51 Пегаса, находящейся на расстоянии 50 световых лет от нас, может занять всего лишь чуть более пяти десятилетий. Если, конечно, лететь со скоростью, близкой к скорости света. Столько времени пройдет для тех, кто остался на Земле. Но для экипажа время будет течь по другому. По бортовым часам космического корабля может пройти всего пара недель. Быстрая фотонная ракета могла бы легко преодолеть 26 000 световых лет до ядра нашей Галактики в течение жизни своего экипажа. В то время как на Земле пройдут тысячелетия. Даже межгалактические путешествия были бы возможны, если бы мы могли создавать фотонные ракеты.

Уравнение Циолковского

Отправной точкой при производимых Зенгером расчетах было уравнение Циолковского. Эта простая формула позволяет рассчитать максимальную скорость, которую может достичь ракета. Принцип действия прост – ракетный двигатель выбрасывает реактивную струю рабочего тела. Это толкает ракету вперед. Уравнение показывает, что максимальная скорость, которую ракета достигает в своем полете, прямо пропорциональна скорости, с которой реактивная струя покидает двигатель. Обратите внимание, что не имеет никакого значения, из чего состоит эта струя. Просто ее скорость и, следовательно, импульс должны быть как можно выше. Какой будет максимальная скорость такой ракеты? В теории она почти сможет достичь скорости света. Зенгер полагал, что самой высокой эффективностью будет обладать ракеты, которые распыляют поток фотонов. Самых быстрых частиц Вселенной.

Но если бы все было так просто. Зенгер видел только один способ получения «чистых» фотонов. Это объединение электронов и позитронов (которые являются антиэлектронами). Они аннигилируют при контакте друг с другом. Умирающие электроны и позитроны превращаются в гамма-кванты. Это фотоны с очень высокими энергиями. Они отражаются параболическим зеркалом. И появляется тяга. Вот в общих чертах принцип работы фотонного двигателя.

Ничего не выйдет

Любители физики сразу скажут – ничего у вас не выйдет. У нас нет огромных запасов позитронов, которые можно использовать для подобных целей. Топливо для фотонной ракеты должно быть как-то произведено. Этот процесс потребовал бы невообразимого количества энергии. К тому же гамма-излучение не будет отражаться нормальным веществом. А наоборот, будет поглощаться, быстро нагревая «отражатель». Чтобы создать фотонную ракету, которая не испарится в полете, нужно придумать какое-то «идеальное» зеркало. Оно должно отражать 100% падающих на него фотонов. И ни один из известных науке материалов не сможет это сделать.

Зенгер предложил отражать гамма-кванты от зеркала с помощью некого «электронного газа». Создание подобной субстанции было бы прорывным технологическим достижением. Поскольку электроны отталкивают друг друга. Объединение их в отражающую поверхность потребовало бы поддержания давления, которое бывает только в центре сверхновой. К тому же, выхлоп фотонной ракеты будет ужасно разрушительным явлением для любых планет. Потому что с гамма-излучением шутки плохи.

Ракета размером с Луну

Становится ясно, что вышеописанные трудности делают создание фотонной ракеты делом бесперспективным. У нее, даже при решении всех этих проблем, будет весьма плохая тяга. Замечательная скорость выхлопа фотонной ракеты имеет свою цену. Расчеты показывают, что для развития одного ньютона тяги фотонной ракеты понадобится 300 МВт мощности. Эти расчеты основаны на законах фундаментальной физики. И технологический прогресс не сможет изменить это. Это очень неэффективно. Небольшой современный турбовентиляторный двигатель скромного реактивного самолета может иметь тягу 27 000 ньютонов. В то же время хорошая электростанция может вырабатывать до 650 МВт мощности. Представляете, сколько энергии нужно будет потратить, чтобы разогнать фотонную ракету? И она должна быть просто огромной. Возможно, иметь размеры Луны. Чтобы вместить все запасы топлива. Ее ускорение было бы весьма медленным. Возможно, потребовались бы десятилетия, чтобы достичь приличных скоростей.

Фотонные ракеты, конечно, были описаны и в научной фантастике. Самое первое упоминание о них появляется в романе братьев Стругацких «Страна Багровых Туч», опубликованном в 1959 году. Несколько лет спустя Станислав Лем использовал фотонную ракету, чтобы привести в движение человеческий звездолет. Он описал ее в своем удивительно дальновидном романе о конфликте с инопланетными нанотехнологиями «Непобедимый» (1964).

Какой можно сделать вывод из всего вышесказанного? Если объективно оценить возможности создания фотонных ракет, вся концепция разваливается. Для подобных машин потребуются материалы и методы, которые могут никогда не существовать в реальной Вселенной. Для их работы потребуются огромные ресурсы и огромное количество время, чтобы использовать их удивительную производительность. К сожалению, фотонные ракеты – это всего лишь захватывающая фантазия.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.


Комментарии:

Оставьте комментарий

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: