На чем будут летать космические корабли будущего

В активной разработке фотонные и термоядерные двигатели, установки на эффекте Холла, электрические паруса и «невозможный» EmDrive

В активной разработке фотонные и термоядерные двигатели, установки на эффекте Холла, электрические паруса и «невозможный» EmDrive

Хотя современные ракетные двигатели справляются с выведением техники на орбиту, они не могут обеспечить длительные космические полеты на дальние планеты. Поэтому уже много лет ученые работают над созданием альтернативных установок, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей.

На днях физики в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре начали работу над проектом мощного лазерного комплекса, способного доставить космический корабль на Марс всего за несколько дней. На проведение предварительных оценок проекта DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration – Двигательная установка на направленной энергии для межзвездных исследований), ученые получили грант на $100 тыс. Деньги пойдут на создание подробного плана строительства аппарата, оснащенного управляемыми фотонными ускорителями. Параллельно специалисты Калифорнийского университета разработают автоматические космические станции исключительно малой массы, которые смогут стремительно набирать скорость.

Идея новой технологии в том, что тяга от фотонов, испускаемых лазерами, приводит в движение космический аппарат. Корабль управляется с помощью сжигания топлива в направлении, противоположном тому, куда он планирует лететь. Обычно, это топливо должно находиться на борту космического корабля, что делает его более тяжелым и замедляет движение. Фотонная сила вместо этого использует массив лазеров, не добавляющих массы аппарату, кроме самого лазера.

В теории это позволит достичь четверти скорости света. Под воздействием лазерного луча 100-килограммовый аппарат достигнет Марса за трое суток, а более массивный пилотируемый аппарат – примерно за месяц. Кроме того, мощный лазер на орбите вокруг Земли будет использоваться для защиты планеты от астероидов, а также для отправки небольших автоматических станций в межзвездное пространство.

А тем временем инженеры из Мичиганского университета представили уже готовый прототип нового космического двигателя. Американское космическое агентство NASA выбрало его в рамках программы Next Space Technologies for Exploration Partnerships, или NextSTEP, охватывающей ряд проектов, направленных на совершенствование систем небольших спутников, систем реактивного движения и жилищ для людей в космосе. Эти технологии разрабатывают для подготовки миссий по отправке людей на орбиту между Землей и Луной в 2020-х гг., а также к Марсу – в 2030-х гг.

В течение предстоящих трех лет NASA предоставит компании Aerojet Rocketdyne $6,5 млн на строительство системы реактивного движения XR-100. Главным ее элементом является двигатель X3, и команда из Мичиганского университета получит $1 млн на его разработку.

Главное преимущество X3 в том, что для своей мощности – 200 киловатт, он имеет относительно небольшие размеры и вес. Кроме того, при создании двигателя используется эффект Холла – уже проверенная технология, которая применяется для корректировки траектории спутников на орбите вокруг Земли. Основной принцип работы двигателя такого типа состоит в разгоне до высоких скоростей частиц плазмы и выбрасывании их в форме реактивной струи в космическое пространство.

Большие надежды ученые возлагают также на реактивный двигатель EmDrive, созданный британским инженером Роджером Шаером. По конструкции установка представляет собой запаянный с двух сторон срезанный металлический конус. Внутри находится магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – по таком уже принципу работает обычная микроволновка. Этого достаточно, чтобы создавать небольшую тягу. Работа конструкции основана на разнице давления электромагнитного излучения в разных концах устройства: в узком оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Хотя возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах, проводимых NASA, Техническим университетом Дрездена и Китайской академией наук, установка продемонстрировала наличие тяги в предполагаемом направлении.

Тяга EmDrive всего 20 микроньютонов, однако он работает неограниченное время не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи). Потенциально такой двигатель способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Уже много лет ученые из разных стран мира работают над идеальной конструкцией солнечного паруса, работающего на солнечном или любом другом звездном свете. Проблема в том, что давление света очень мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь предельно малый вес и огромную площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом. Более перспективная альтернатива – электрический парус, работающий на излучаемых Солнцем электрически заряженных частицах вещества: электронах, протонах и ионах.

Так, электрический парус, созданный финским ученым Пеккой Янхуненом, состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода. Положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение, отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу. Электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе, чем солнечный. Кроме того, с помощью гравитации установка позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А поскольку площадь поверхности такого устройства гораздо меньше, чем у солнечного аналога, для астероидов и космического мусора он гораздо менее уязвим. Проектом заинтересовались специалисты Европейского космического агентства и возможно, что первые экспериментальные корабли на электрическом парусе появятся уже в ближайшие годы.

Пытаются создать физики и термоядерный двигатель, работающий на весьма дешевом топливе – изотопах гелия и водорода.

Уже существует несколько проектов конструкции таких двигателей на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. В его камеру подается топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы удерживают плазму от контакта с оборудованием. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма протекает через сопло реактора, создавая огромную тягу.