Что такое фотонный двигатель
Научпоп — фотонный двигатель
Помните как Маск обещал оснастить новый Родстер системой лонча на сжатом воздухе. Электрокар в обычном движении накапливает сжатый воздух в баллонах и при необходимости помогает ускорению стравливая воздух через сопла, установленные в задней части.
Хоть идея и кажется диковатой — она не так уж и далека от истины. Теслы в премиум-сегменте радикально задрали плану динамики 0-100, 1/4, скорость отклика мотора и т.п. показатели. Рынок ДВС спорткаров вместо дежурной прибавки в 0.1с/год тоже резко оживился и в рост пошли серийные машины с 600-800 сил, чтобы соответствовать новым веяниям.
Тем не менее у тех и других образовалась одна и таже проблема — зацеп дорожных шин имеет свои разумные пределы, а в мокрых и т.п. сложных условиях реализовать мощности за 600 сил может быть крайне опасно и проблематично. Поэтому ускорение за счёт реактивной тяги в том или ином виде обязательно будет иметь место в спорткарах ближайшего будущего. К слову давно есть драгстеры, которые пытаются реализовать реактивную тягу на ракетном топливе, турбореактивной тяге, сжатом воздухе и даже сжатой воде! Результаты там вплотную приближаются к topfuel, но в быту их использовать конечно же крайне опасно и сложно по понятным причинам.
И тут также внезапно как электрокары на сцену могут выйти электрические двигатели довольно экзотической концепции — ионные и фотонные. По сути это реактивные двигатели, которые приводятся в действие потоком ионизированного газа (ксенон), разогнанного в магнитном поле. Такие установки давно используются в космических спутниках для разгона и маневрирования. Они весьма эффективны и компактны, однако пока что требуют достаточно высокой мощности энергоустановки или батарей.
Тем не менее возможно с развитием батарей и компактных ядерных электроустановок, в том числе безопасных для человека, мы можем увидеть новый виток гонки вооружений в драге, когда очередная условная «Тесла» будет рвать шаблон ускорениями на квотере в 6 секунд.
Фотонный космический транспорт
«- Давно летаешь на фотонных ракетах?
Вместо ответа я отвернул лацкан куртки, показывая ему медаль, на которой было выгравировано «Сто световых лет».
А. КОЛПАКОВ «Гриада».
Фотонный двигатель – это реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме.
Если найти условную точку центра Солнечной системы, то более десятка ближайших к нам звёзд расположатся в сфере радиусом в одиннадцать световых лет. Фотонные звездолёты, относящиеся к классу субсветовых, позволили бы их экипажам достичь этих звёзд, исследовать их системы и вернуться обратно в течение жизни одного поколения.
Немецкий теоретик ракетной техники Э. Зенгер (1905-1964) ещё перед второй мировой войной высказал принципиальную идею двигателя с фотонной тягой. В основу идеи легли две фантастические предпосылки: изобретение «абсолютного зеркала», способного отражать и фокусировать кванты света сразу всех длин волн, а также гамма-лучи; получение энергоносителя в виде антиматерии. Книга Э. Зенгера «Механика фотонных ракет» была переведена на русский язык и вышла в свет в 1956 году.
Однако в романе О. СТЭПЛДОНА «Последние и первые люди» (1930) уже было дано первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе. Хотя сам автор идеи был философом и не считал себя фантастом.
С тех пор «классическим» считается фотонный звездолет, состоящий из жесткого, укрепленного силовым каркасом параболического зеркала, соединенного длинной фермой с жилыми отсеками, складами и лабораториями. Ёмкости с антивеществом и веществом размещены на внешней поверхности зеркала. Соотношение размеров этих емкостей и корабля в целом позволяет предположить, что это объект не столько конструкторского, сколько художественного творчества.
Практически все известные и даже запатентованные компоновки фотонных звездолетов не учитывают того обстоятельства, что, по объективным расчётам, масса запасаемого на них антивещества (и вообще рабочего тела) должна в десятки и сотни раз превышать массу самой конструкции корабля.
Относительно подходящего топлива для фотонного двигателя в фантастике отразились альтернативные мнения. К фотонному космическому транспорту по основным характеристикам весьма близки анамнезонные звездолёты из романа И. ЕФРЕМОВА «Туманность Андромеды». Однако анамнезон – это обычное вещество с разрушенными связями между элементарными частицами. Следовательно, оно более компактно, чем вещество, и не требует особой защитной оболочки для хранения, как антивещество. Два маленьких плюса по сравнению с одним гигантским минусом: запасы анамнезона в дорогу по своему объёму сравнятся с объёмом небольшой планеты.
Зато ЕФРЕМОВ проработал одну важную деталь, которой большинство фантастов пренебрегает: запуск звездолёта, вид изнутри.
«Пел Лин передвинул рукоятку анамезонных двигателей. Четыре высоких цилиндра из нитрида бора, видимые в специальную прорезь пульта, засветились изнутри. Яркое зелёное пламя забилось в них бешеной молнией, заструилось и закрутилось четырьмя плотными спиралями. Там, в носовой части корабля, сильное магнитное поле облекло стенки моторных сопел, спасая их от немедленного разрушения.
Астронавигатор передвинул рукоять дальше. Сквозь зелёную вихревую стенку стал виден направляющий луч — сероватый поток К-частиц. Ещё движение, и вдоль серого луча прорезалась ослепительная фиолетовая молния — сигнал, что анамезон начал своё стремительное истечение…».
Соло Хан, по сравнению со своим коллегой, напоминает тракториста с рычагами управления, а многие прочие персонажи походят на лифтёров, пользующихся набором кнопок…
Доработка первоначальной идеи Э. Зенгера обнаруживается в повести братьев Стругацких «Путь на Амальтею», где фантасты пользуются определением «фотонный». Но вновь, как и в романе И. ЕФРЕМОВА, конструкции «фотонных грузовиков» не несут в себе никакого антивещества! Это не случайно. Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Для прямого получения оптических квантов и гамма-квантов А. и Б. Стругацкие попросту заменили антивещество на дейтериево-тритиевую плазму. Эта идея не с потолка! В 1950 году академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается.
Направленная реактивная тяга в повестях «Путь на Амальтею» и «Стажёры» случаях создаётся гигантским сферическим зеркалом, каждый сантиметр которого должен ежесекундно отражать количество тепла, достаточное, чтобы выплавить несколько тонн стали.
«Отражатель – самый главный и самый хрупкий элемент фотонного привода, гигантское параболическое зеркало, покрытое пятью слоями сверхстойкого мезовещества. В зарубежной литературе отражатель часто называют «сэйл» — парус. В фокусе параболоида ежесекундно взрываются, превращаясь в излучение, миллионы порций дейтериево-тритиевой плазмы. Поток бледно-лиловатого пламени бьёт в поверхность отражателя и создаёт силу тяги. При этом в слое мезовещества возникают исполинские перепады температур и мезовещество постепенно – слой за слоем – выгорает.
Кроме того, отражатель непрерывно разъедается метеоритной коррозией. И если при включённом двигателе отражатель разрушится у основания, там, где к нему примыкает толстая труба фотореактора, корабль превратится в мгновенную бесшумную вспышку. Поэтому отражатели фотонных кораблей меняют через каждые сто астрономических единиц полёта. Поэтому контролирующая система непрерывно замеряет состояние рабочего слоя по всей поверхности отражателя» (А. и Б. СТРУГАЦКИЕ «Путь на Амальтею»).
Необходимость частых капитальных ремонтов зеркал позволяет использовать фотонные грузовики и лайнеры только на межпланетных трассах Солнечной системы. Строительство фотонного звездолёта (проект «Хиус-Молния») находится ещё на начальной стадии, а затем, видимо, и вовсе прекращается, поскольку в мире Полдня, найден способ движения в гиперпространстве. Фотонный космический транспорт морально устаревает…
Его недолгий гипотетический расцвет пришёлся на тот период отечественной фантастики, когда широкого знакомства с англоязычной фантастикой в СССР ещё не состоялось, зато активно творил Г. МАРТЫНОВ. Да и у того в романе «Гость из бездны» находим такие строки: «Первая фотонная ракета – «Ленин», казавшаяся сейчас архаическим пережитком, покинула Солнечную систему восемнадцать веков тому назад, в начале двадцать первого века христианской веры. Первые одиннадцать звездолётов были фотонными, и, точно в музее истории космических перелётов в пространстве находились корабли всевозможных конструкций – живая история звездолётостроения за последние восемнадцать столетий».
Одиннадцать фотонных звездолётов, построенных друг за другом… Вряд ли все они относились к единой типовой конструкции. Исходя из творческой натуры любого настоящего конструктора, можно предполагать, что каждая последующая модель звездолёта данного типа должна нести в себе некие новые технические доработки и решения. Драматическим был, видимо, отказ от технического детища, лелеемого на протяжении многих веков. За рамками романа остались некоторые вариации фотонных звездолётов, какие теоретически могли быть опробованы при постановке различных исследовательских задач. К примеру, на ближних межпланетных трассах могло быть опробование использования электромагнитных квантов из диапазона более длинных волн («радиодвигатель»). «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД всего движительного комплекса.
«…Квантовая ракета — то же, что и фотонная, но вместо фотонов она отбрасывает кванты невидимого света (например, ультракороткие радиоволны)» – пояснял А. КОЛПАКОВ в романе «Гриада».
Существуют несколько вариантов компоновок фотонных звездолетов, предполагающих использование в качестве рабочего тела вещества окружающего пространства. Это позволяет вдвое (а при возможности производства антивещества на борту – и более) сократить бортовые запасы, но требует создания электромагнитных (или других полевых) массозаборников диаметром несколько десятков тысяч километров.
Очевидный вариант представляет собой соединенные направленными друг к другу остриями воронки жестких частей массозаборника и сопла-зеркала с расположенными на них электромагнитами, создающими полевые продолжения того и другого. В местах их соединения расположены обитаемые отсеки, энергоустановка, хранилище антивещества.
Ряд учёных полагает, что как для сбора окружающего вещества, так и для фокусировки пучка фотонов с использованием газового или пылевого зеркала, достаточно соленоида, состоящего из одного витка, расположенного в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Звездолет при этом может иметь форму более или менее обтекаемого симметричного относительно центральной оси тела, окруженного токовым кольцом на пилонах, либо диска, с расположением токопровода по периметру. В случае использования в качестве «реактивной струи» электромагнитных волн радиодиапазона звездолет может представлять собой, например, коническую ферму, на вершине которой разместится отсек экипажа, по периметру основания – генераторы радиоволн и энергоблоки. Технологические трудности, которые придётся преодолеть при реализации всех представленных проектов, неимоверны.
И всё же идею фотонного космического транспорта рановато списывать как безнадёжную. Действительно, серьёзную проблему представляет необходимость охлаждать зеркало. О фантастическом мезовеществе, конечно, приходится пока только мечтать. Зато гораздо ближе к реальности сверхпроводники, благодаря которым возникающие микротоки не будут встречать сопротивления, а стало быть, перегрев будет минимальным.
По сведениям, промелькнувшим в авторитетном источнике, антивещество может быть заменено на водородную плазму, получаемую при взаимодействии атомов водорода с антипротонами. А первоочередные астроинженерные задачи будут поставлены не где-то в созвездии Волопаса, а гораздо ближе, в пределах доступности космического транспорта новых поколений.
ОСНОВЫ ФОТОННОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Михаил Пищулин
Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещает осуществление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 50 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.
Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме того, без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических «странников» типа комет, астероидов.
О высокой эффективности УТС свидетельствует положительный баланс в извлечении энергии.
С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 10 12 …10 13 Гс. Такие поля достигаются на стадиях эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.
Создание магнитного поля с индукцией 10 13 Гс
Начиная с 70-х годов прошлого века группа ученых в составе А. Борисова, А. Боровского, В. Коробкина, А. Прохорова и других изучала явление самоканалирования мощных ультракоротких лазерных импульсов в веществе. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г. Аскарьян в 1962 г. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса, составляет величину Р
При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме: индукция составляет
Для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить плотность электронов в среде (для металлов
Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения.
Согласно теории, заряженные частицы при движении в магнитном поле могут изменять направление своего движения. Так, они могут вращаться по ларморовской окружности с определенной скоростью (поперечной скоростью), либо, в более сложном случае, центры ларморовских окружностей могут двигаться вдоль силовых линий.
В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах напряженность поля меняется очень мало.
Вакуумное рождение частиц
На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантово-полевые представления о физическом вакууме (ФВ), который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум «мигает» появляющимися полями, «кипит» рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффекте, качественно предсказанном еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон-позитронная пара. Если внешнее электрическое поле способно произвести работу, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Екр
3·10 16 В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.
Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 10 21 Вт/см 2 с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Екр.
В соответствии с кинетическим уравнением (КУ), описывающим нестационарное вакуумное рождение частиц, которое было теоретически обосновано в 1997 г. физиками-теоретиками из разных стран, процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интегродифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.
Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутреннее поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, а это значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Екр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано А.А. Соколовым, Н.П. Клепиковым и И.М. Терновым в 1953 г., Ю. Швингером в 1954 г. которые получили следующий результат для потребной магнитной индукции так называемого Швингеровского поля
Известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути, не меняя ее скорости. Сила Лоренца не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, в связи с чем появляется возможность использования порогового эффекта по частоте для виртуальных частиц, рождаемых в вакууме, поскольку при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар m·с 2 перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности.
Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку Вкр = 10 13 Гс. Следовательно, в таком поле энергия кратковременно появившихся из вакуума частиц m·c 2 перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. В режиме «замагничивания» движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет невозможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим «замагничивания» позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь, наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождения из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар, которые также подвергнутся «замагничиванию». Такой множественный и последовательный процесс рождения и «замагничивания» будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Квантовый двигатель. Виды и устройство. Работа и применение
Квантовый двигатель — это устройство, которое может выполнять работу абсолютно без потерь энергии, избегая при этом сил трения и теплообмена с окружающей средой. Иными словами, такой движок обладает максимальной эффективностью. Современные двигатели не обладают такими свойствами, ведь существующие законы физики ограничивают их применение. Часть энергии в обязательном порядке теряется.
Поэтому ученые уже десятки лет бьются над созданием «вечных» двигателей, которые бы могли позволить отправить космические корабли на другие планеты, разогнав их до рекордных скоростей. На данный момент уже создаются прототипы таких двигателей и проводятся их испытания. Эти агрегаты работают на совершенно новых принципах, что в будущем может привести к созданию сверхскоростных комических кораблей, летающих машин и многих других изобретений.
Сегодня квантовый двигатель пытаются создать многие страны. Создаются патенты, проводятся испытания, но реальных результатов на данный момент практически нет. Лишь некоторые страны уже добились определенных успехов.
Это в первую очередь Россия, США, Китай и Германия.
В результате один из атомов начинает двигаться по оптической решетке. Через некоторое время он выходит на постоянную скорость. В свою очередь второй атом играет роль стартера. Именно благодаря нему первый атом получает ускорение. Такую конструкцию стали называть квантовым атомным двигателем. Однако такому двигателю до испытаний и реального применения еще далеко.
Изобретение EmDrive проверяется в различных условиях, включая вакуум. Устройство, как заверяют изобретатели, действительно работает. Оно может работать бесконечно долго и не требует запаса топлива. При этом для работы такого двигателя в космосе вполне будет достаточно солнечных батарей. Однако на данный момент такой движок выделяется небольшой полезной нагрузкой. В перспективе же EmDrive сможет разгонять ракеты и космические корабли до невероятных скоростей, которые будут приближаться к сотым и десятым долей скоростей света.
Согласно расчетам изобретателя космический корабль с подобным двигателем сможет разгоняться до тысячи километров в секунду. Получается, что полет до Марса составит всего 41 час. Владимир Леонов в своем движке использовал теорию суперобъединения, созданную им же. Эта теория базируется на факте существования кванта пространства времени, то есть квантона. Изобретатель считает, что квантон является недостающим элементом таблицы Менделеева. Именно благодаря квантону формируются все остальные элементы.
Устройство
Квантовый двигатель имеет устройство в зависимости от его вида:
В движках Владимира Леонова для горизонтального перемещения применяются неоднородные магнитные и электрические поля.
Конструкция включает следующие элементы:
Рабочее тело изготовлено из ферромагнитного диэлектрика. В качестве электрического двигателя используется гиромотор с обмоткой и ротором.
Принцип действия
Квантовый двигатель имеет следующий принцип действия. Аккумулятор питает электрический генератор и преобразователь напряжения.
В результате создаются три вида напряжения для:
В результате системы магнитов и электродов создают магнитные и электрические поля. Эти поля выделяются ортогональным расположением, что позволяет получить вектора напряженности необходимого направления. Эти неоднородные поля действуют на рабочее тело, образуя поляризацию. Само же рабочее тело вращается вокруг оси. В итоге в рабочем теле наблюдается распределение квантов. Образуется сила тяги, которая передается активатором. Сами активаторы находятся под углом к оси плоскости дисков
Так как ось активатора определяет направление силы тяги, то наблюдается разделение сил на нормальные и тангенциальные. Система взаимодействует с вакуумным полем, что приводит к созданию энергии из поля вакуума. Полученная энергия тратится на вращение электрического генератора, который создает тягу, а также обеспечивает питание гидросистемы двигателя.
Двигатель EmDrive, над которым трудятся США и Китай, работает по совершенно иному принципу. Его работа базируется на разности давления электромагнитного излучения, которые находятся на концах двигателя. В узком месте давление немного меньше, чем в широком. В результате образуется тяга, которая направлена к узкому концу. Скептики неоднократно утверждали, что это невозможно. Однако наличие тяги подтверждалось в проводимых экспериментах.
Применение
Квантовый двигатель может применяться в самых разных областях. Однако, в первую очередь, эти устройства необходимы для космоса. Кроме космических кораблей этот двигатель может быть использован для автомобилей, летающих машин, подводных лодок, кораблей, железнодорожного транспорта и самолетов. При этом автомобилям и самолетам нужно будет минимум топлива. Достаточно будет один раз заправить машину, чтобы годами ездить на ней, не зная проблем. К тому же такие машины практически не будут ломаться.
Подводные аппараты при достаточной мощности двигателей смогут подниматься над водой и даже улетать в космос. В реальности они будут схожи с современными неопознанными летающими объектами, о которых так часто говорят в уфологии. Начнется полноценное освоение солнечной системы и ближайших планет нашей вселенной.
Также двигатель отлично может быть использован для выработки электричества, автономного электрического снабжения квартир и домов. Извлечение энергии из двигателя на квантовом принципе позволит отказаться от традиционного химического топлива, нефти и газа, ведь энергия станет практически бесплатной.
В будущем квантовый двигатель сможет найти и другие применения. Совершенствование технологий приведет к появлению новых двигателей. Это будут миниатюрные устройства, которые смогут преобразовывать магнитную или электрическую энергию в механическую. В результате могут появиться нанороботы, которые смогут лечить людей. К примеру, такие миниатюрные роботы смогут бороться с раком, безопасно удаляя пораженные ткани, уничтожать вирусы и микробы.
В России на данный момент прорабатывается большое число прорывных проектов, связанных с квантовым движком. Им интересуются российские космические концерны. Силовая установка, работающая на квантовом принципе, может стать основой для создания российского космоплана. Возможно, квантовый двигатель будет использоваться для создания сверхтяжелой космической ракеты, которая должна появиться в России до 2030 года.