Фотонный двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Фотонный двигатель (квантовый) — гипотетический ракетный двигатель, где источником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс, и, соответственно, при истекании из двигателя, свет создает реактивную тягу. Теоретически фотонный двигатель может развить максимальную тягу из расчёта на затраченную массу космического аппарата, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света, однако практическая разработка таких двигателей, судя по всему, дело достаточно отдалённого будущего.

Аннигиляционный фотонный двигатель[править | править вики-текст]

Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества. Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Тем не менее, надо отметить, что распространенная в литературе формулировка «при аннигиляции выделяются гамма-кванты» в принципе физически неверна. Гамма-кванты прямо выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции[1]. В случае аннигиляции покоящейся (не релятивистской) пары протон-антипротон происходит сложно-цепочечная реакция: образование (часто) адронного мезоатома с временем жизни порядка 10−27 секунды, затем распад этого атома (собственно аннигиляция) с образованием пионного комплекса, состоящего из 2-12 (в среднем 5-7) нейтральных (1/3) и заряженных (2/3) пи-мезонов (пионов), затем за время порядка 10−17 секунды нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре около 70 МэВ, в то время, как заряженные пионы, имеющие значительно много большее время жизни, до ~1,5×10−4 секунды, удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции (в вакууме и разреженной среде — до 20-40 м, в плотном веществе, например, графите — порядка 0,1-0,2 м) и затем распадаются с образованием мюонов, в свою очередь распадающихся (в основном, 99,998 %, канале распада) на нейтрино и электроны.

Таким образом, при аннигиляции антивещества — то есть вещества, состоящего из антипротонов и позитронов, примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ (от позитронно-электронной аннигиляции) и 70 МэВ от распада нейтральных пионов, ~1/3 энергии — в виде заряженных частиц с достаточно большим пробегом, а ~1/3 — в виде нейтрино, то есть безвозвратно будет потеряна. И «реальный» ракетный двигатель на антиматерии скорее должен выглядеть, как магнитная ловушка для заряженных частиц, а не как некое «зеркало». Как, например, на кораблях типа "Хиус", описанных в романах А. и Б. Стругацких.[источник не указан 1494 дня].

При такой невысокой массовой отдаче, порядка 23 %[2], эксплуатация фотонного двигателя становится менее выгодной. Значительно повысить его эффективность позволяет использование внешних ресурсов. Прямоточный аннигиляционный фотонный двигатель и магнитные ловушки, собирающие рассеянный в межзвездной среде водород и гелий, дают возможность существенно уменьшить запасы рабочего вещества. К сожалению, количество антивещества в межзвездной среде очень мало — порядка одного атома антиводорода или антигелия на 5*106 атомов обычного водорода, что делает невозможным использовать этот внешний ресурс. Поэтому проблема получения большой массы антивещества и его хранения на борту остается актуальной и для прямоточного аннигиляционного фотонного двигателя.[3]

Технические проблемы[править | править вики-текст]

В сегодняшнем состоянии идея фотонного реактивного двигателя невероятно далека от технического воплощения. Она содержит ряд проблем, которые сейчас даже теоретически не могут быть решены. Это:

  1. Проблема получения большого количества антивещества
  2. Проблема его хранения
  3. Проблема полного использования при «сжигании» — чтобы аннигиляция происходила полностью, и в основном с выделением именно фотонов
  4. Проблема создания «зеркала», способного очень хорошо отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.

Фотонный двигатель на магнитных монополях[править | править вики-текст]

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения, такие как модель 'т Хоофта — Полякова, то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона[4][5] на позитрон и π0-мезон:

p \rarr e^{+} + \pi^0

π0 быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

Упоминания в научной фантастике[править | править вики-текст]

  • В сериале «Star Trek (Звездный путь)» бортовая энергосистема зведолетов использует антиматерию то есть антивещество в качестве энергоносителя, но двигатели звездолетов не фотонные.
  • В романе Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» звездолёты землян используют фантастическое вещество анамезон «с разрушенными мезонными связями ядер атомов, обладающее близкой к световой скоростью истечения»[6].
  • Станислав Лем «Непобедимый» и «Фиаско» — космический корабль на фотонной тяге.
  • В рассказе Вл. Михайлова «Ручей на Япете» (1971) — космический корабль на фотонной тяге «Синяя птица»
  • В произведениях братьев Стругацких (см. Хиус, Страна багровых туч).
  • В произведении Бернара Вербера — «Звездная бабочка»
  • В компьютерной игре «Sins of a Solar Empire» вся техника всех рас использует антивещество.
  • В книге «Сомнамбула» (все части) Александра Зорича — крейсер «Справедливый» летает с помощью фотонной тяги.
  • В книге «Автостопом по галактике» Адамса Дугласа Ноэля — космический корабль «Золотое сердце», летает на «невероятностной тяге», в том числе и на «обычной фотонной тяге».
  • В песне «Тау Кита» Владимира Высоцкого астронавт путешествует на космическом корабле, имеющем в своей конструкции отражатель и двигающемся «по световому лучу».
  • В серии произведений Андрея Ливадного "Экспансия: История Галактики" неоднократно упоминаются корабли на фотонной тяге, имеющие в конструкции характерную "чашу фотонного отражателя", считаются устаревшими.

Фотонный двигатель в реальности[править | править вики-текст]

Согласно одной из гипотез, аномальное ускорение космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» вызвано анизотропией теплового излучения аппаратов. Если это так, то таким образом зафиксирован эффект, аналогичный фотонному двигателю. Аналогично при определении параметров гравитационного поля Земли из траекторий движения геофизических спутников LAGEOS в расчёты входит давление солнечного света (Солнечный парус) и анизотропия теплового излучения спутников.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Если не учитывать слабое взаимодействие. С его учетом будут не только гамма кванты. Также напрямую в гамма-кванты могут аннигилировать мюоны и тау.
  2. В.Бурдаков, Ю.Данилов — Ракеты будущего. — М.: Атомиздат, 1980. стр. 138
  3. В.Бурдаков, Ю.Данилов — Ракеты будущего. — М.: Атомиздат, 1980. стр. 137—145
  4. Curtis G. Callan, Jr. (1982). «Dyon-fermion dynamics». Phys. Rev. D 26 (8): 2058–2068. DOI:10.1103/PhysRevD.26.2058.
  5. B. V. Sreekantan (1984). «Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles». Journal of Astrophysics and Astronomy 5: 251–271. DOI:10.1007/BF02714542. Bibcode1984JApA....5..251S.
  6. И. А. Ефремов «Туманность Андромеды»

Ссылки[править | править вики-текст]