Концепции перемещения в космическом пространстве. Современные двигатели и двигатели будущего в космической отрасли

Начиная с середины прошлого века, космическая отрасль получила огромный скачок в связи с резким, стремительным развитием отдельных технических наук, отраслей физики. Сейчас концепция ракет-носителей практически достигла своего предела. Фундаментальная наука не стоит на месте и постепенно человечество накапливает знания, которые уже могут допускать такие конструкции, наиболее выгодные в энергетическом плане, не препятствующие перемещению на межзвездные расстояния. О таких идеях, их недостатках и положительных сторонах и пойдет сейчас речь.

Наиболее используемыми на данный момент являются двигатели с реактивной тягой. Их принцип действия основан на законе сохранения импульса. То есть, выбрасывая часть массы в одном направлении, корабль приобретает импульс в противоположном направлении. Существуют разнообразные типы реактивных двигателей [1]. Их можно поделить на два основных вида: химические и электрические.

В химических двигателях тяга создается за счет газов, образующихся в результате химической реакции. В камеру сгорания двигателя подаётся топливо и окислитель, которые находятся на ракете (рис. 1). При их сгорании выделяется большое количество газов, которые поступают в сопло ракеты. Скорость этих газов обычно не превышает 4 км/с, но при этом выбрасывается большая масса. Такие двигатели быстро расходуют топливо.

Рис. 1. Устройство химического двигателя

В электрических двигателях используется внешний источник энергии, например, солнечный свет, хотя есть и варианты с реактором на борту (рис. 2). За счет этой энергии газ, выбрасываемый ракетой, нагревается, например, электрической дугой и разгоняется до больших скоростей (10-40 км/с), правда масса этого вещества небольшая.

Рис. 2. Устройство электрического двигателя

Таким образом, химический двигатель выбрасывает много массы за короткий промежуток времени с относительно небольшой скоростью, образуя высокую тягу. А электрический двигатель выбрасывает небольшую массу с высокой скоростью. При этом его тяга меньше, чем у химического двигателя, но электрический двигатель более эффективный.

Для перемещения в космическом пространстве уже давно используются двигатели, разгоняющие космический аппарат реактивным способом. Однако для получения реактивной тяги необязательно использование химических ракетных двигателей. Для получения импульса, и, как следствие, движения аппарата, в перспективе, может подойти фотонный двигатель [2]. Это гипотетическая энергетическая установка, использующая энергию фотонов света.

Существует два варианта таких двигателей. В первом источник света находится на борту корабля. Фотоны выбрасываются в одном направлении и за счёт этого образуется тяга. Во втором варианте на корабле установлен световой парус [3], на который фотоны от внешнего источника, например, звезды или мощного лазера оказывают давление.

Фотонный двигатель мог бы подойти для перемещения на дальние расстояния, так как он, теоретически, мог бы разогнать аппарат до скоростей сравнимых со скоростью света. Вопрос состоит в том, что же будет источником излучения для такого двигателя. В целях экономии массы и увеличения времени разгона аппарата, для такой цели подошел бы ядерный и, в перспективе, термоядерный реакторы. Наиболее же эффективным, однако, на данный момент труднореализуемым источником послужила бы аннигиляция вещества, полностью преобразующая его в кванты света.

В научной фантастике часто упоминается так называемый варп-двигатель, то есть двигатель, в основе которого лежит искривление пространства (рис. 3). Такой двигатель позволяет решить одну из главных проблем при перемещении в космосе – малые скорости и, соответственно, большие затраты времени.

Уже сейчас есть концепции, не нарушающие законы физики и позволяющие разогнать корабль до нескольких процентов скорости света. Но в рамках галактики даже такие скорости оказываются недостаточными, ведь для перемещения по ней с разумными сроками требуется достичь скорости выше скорости света. И здесь мы упираемся в проблему: невозможно объект с ненулевой массой разогнать до скорости света в вакууме. Это вытекает из специальной теории относительности, ведь при увеличении скорости объекта увеличивается и его масса, соответственно, требуется больше энергии для разгона объекта. При приближении скорости относительно наблюдателя к скорости света масса будет стремиться к бесконечности и, следовательно, потребуется бесконечное количество энергии.

Первую научную математическую модель варп-двигателя создал Мигель Алькубьерре в своей статье «Варп-двигатель: сверхбыстрое перемещение в пределах общей теории относительности» 1994 года [4]. Согласно его теории, расширение пространства-времени позади корабля и сжатие впереди позволяют создать «пузырь», который вместе с кораблём может двигаться быстрее скорости света, не нарушая при этом законы физики. Однако для создания искривления пространства потребуется материя отрицательной массы. В своей статьи [5] Крис Ван Ден Брок после модификации «варп-пузыря» оценил массу экзотической материи в несколько солнечных масс. А вот расчеты Гарольда Уайта [6] показывают, что если форма кольца, окружающего космический корабль, будет скорректирована в округлый пончик, а не плоское кольцо, то потребуется масса экзотической материи равная космическому кораблю, такому как зонд Voyager1, запущенный НАСА в 1977 году.

Рис. 3. Искривление пространства варп-двигателем

Ещё одним возможным способов передвижения в космическом пространстве могут служить так называемые кротовые норы [7] – гипотетические топологические особенности пространства-времени, которые представляют собой в каждый момент времени связанные между собой области, находящиеся на том или ином расстоянии друг от друга. Это объект может иметь не искусственную природу и несмотря на то, что на данный момент нет ни одного подтвержденного случая обнаружения подобной особенности, открытой как одно из решений уравнения поля А. Эйнштейна, уравнения ОТО [8] допускают их существование. В контексте данной статьи имеет смысл упомянуть о примере именно проходимой кротовой норы (рис. 4) – червоточине Морриса-Торна, проходимость которой была впервые описана Кипом Торном и Майком Моррисом [9]. Исследователи привели расчеты, согласно которым существует возможность путешествия через подобные объекты на межзвездные расстояния, для чего необходимо чтобы она была «открыта» определенное время, за которое объект, влетающий в эту кротовую нору успел совершить перемещение. 

Рис. 4. Кротовая нора

Авторы статьи указывают на то, что для существования червоточины Морриса-Торна необходимо допустить возможность существования экзотической материи (материи, имеющей отрицательную массу, плотность и давление) что на данный момент воспринимается многими современными исследователями скептически, как и возможность существования подобных объектов. Однако свидетельств того, что подобная структура не существует или ее создание принципиально невозможно нет и, как следствие, следует следить за актуальными исследованиями в данной сфере.

Вероятно, в ближайшем будущем, фундаментальная наука раскроет нам еще больше секретов, что позволит подтвердить или наоборот, «отмести в сторону» проекты, что мы описали в данной статье, однако, на данный момент, мы опираемся на реальные знания, поэтому подобные идеи являются весьма актуальными, как перспектива для дальнейшего исследования и, возможно, развития.