I moderni motori a razzo fanno un buon lavoro nel mettere in orbita la tecnologia, ma sono completamente inadatti per lunghi viaggi nello spazio. Pertanto, per più di una dozzina di anni, gli scienziati hanno lavorato alla creazione di motori spaziali alternativi che potrebbero accelerare le navi a velocità record. Diamo uno sguardo a sette idee chiave di quest'area.
EmDrive
Per muoverti, devi allontanarti da qualcosa: questa regola è considerata uno dei pilastri incrollabili della fisica e dell'astronautica. Da cosa cominciare esattamente - dalla terra, dall'acqua, dall'aria o da un getto di gas, come nel caso dei motori a razzo - non è così importante.
Un noto esperimento mentale: immagina che un astronauta sia andato nello spazio, ma il cavo che lo collega alla navicella si è improvvisamente rotto e la persona inizia a volare via lentamente. Ha solo una cassetta degli attrezzi. Quali sono le sue azioni? Risposta corretta: ha bisogno di gettare gli strumenti lontano dalla nave. Secondo la legge di conservazione della quantità di moto, la persona verrà lanciata via dallo strumento esattamente con la stessa forza dello strumento dalla persona, quindi si muoverà gradualmente verso la nave. Questa è la spinta del getto, l'unico modo possibile per muoversi nello spazio vuoto. È vero, EmDrive, come mostrano gli esperimenti, ha alcune possibilità di confutare questa affermazione incrollabile.
Il creatore di questo motore è l'ingegnere britannico Roger Shaer, che nel 2001 ha fondato la sua società Satellite Propulsion Research. Il design dell'EmDrive è piuttosto stravagante ed è di forma metallica, sigillato ad entrambe le estremità. All'interno di questo secchio c'è un magnetron che emette onde elettromagnetiche, lo stesso di un microonde convenzionale. E risulta essere sufficiente per creare una spinta molto piccola, ma abbastanza evidente.
L'autore stesso spiega il funzionamento del suo motore attraverso la differenza di pressione della radiazione elettromagnetica alle diverse estremità del "secchio" - all'estremità stretta è inferiore a quella larga. Questo crea una spinta diretta verso l'estremità stretta. La possibilità di un tale funzionamento del motore è stata contestata più di una volta, ma in tutti gli esperimenti, l'installazione di Shaer mostra la presenza di spinta nella direzione prevista.
Video promozionale:
Gli sperimentatori che hanno testato il secchio di Shaer includono organizzazioni come la NASA, l'Università tecnica di Dresda e l'Accademia cinese delle scienze. L'invenzione è stata testata in una varietà di condizioni, anche sotto vuoto, dove ha mostrato la presenza di una spinta di 20 micronewton.
Questo è molto poco rispetto ai motori a reazione chimica. Ma, dato che il motore Shaer può funzionare quanto vuoi, dato che non ha bisogno di una scorta di carburante (le batterie solari possono fornire il magnetron per funzionare), è potenzialmente in grado di accelerare il veicolo spaziale a velocità enormi, misurate come percentuale della velocità della luce.
Per dimostrare appieno le prestazioni del motore, è necessario effettuare molte più misurazioni ed eliminare gli effetti collaterali che possono essere generati, ad esempio, da campi magnetici esterni. Tuttavia, si stanno già proponendo possibili spiegazioni alternative per la spinta anomala del motore Shaer, che, in generale, viola le solite leggi della fisica.
Ad esempio, vengono proposte versioni che il motore può creare spinta a causa della sua interazione con un vuoto fisico, che a livello quantistico ha un'energia diversa da zero ed è pieno di particelle elementari virtuali che emergono e scompaiono costantemente. Chi avrà ragione alla fine - gli autori di questa teoria, lo stesso Shaer o altri scettici, lo scopriremo nel prossimo futuro.
Vela solare
Come accennato in precedenza, la radiazione elettromagnetica esercita pressione. Ciò significa che in teoria può essere convertito in movimento, ad esempio con l'aiuto di una vela. Proprio come le navi dei secoli passati hanno catturato il vento nelle loro vele, le astronavi del futuro avrebbero catturato il sole o qualsiasi altra luce stellare nelle loro vele.
Il problema, tuttavia, è che la leggera pressione è estremamente ridotta e diminuisce con l'aumentare della distanza dalla sorgente. Pertanto, per essere efficace, una tale vela deve essere molto leggera e molto grande. E questo aumenta il rischio di distruzione dell'intera struttura quando incontra un asteroide o un altro oggetto.
I tentativi di costruire e lanciare navi a vela solari nello spazio hanno già avuto luogo: nel 1993, la Russia ha testato la vela solare sulla navicella Progress e nel 2010 il Giappone ha effettuato con successo test sulla sua rotta verso Venere. Ma nessuna nave ha mai utilizzato la vela come principale fonte di accelerazione. Un altro progetto, una vela elettrica, sembra un po 'più promettente sotto questo aspetto.
Vela elettrica
Il sole emette non solo fotoni, ma anche particelle di materia caricate elettricamente: elettroni, protoni e ioni. Tutti formano il cosiddetto vento solare, che trasporta dalla superficie del sole circa un milione di tonnellate di materia ogni secondo.
Il vento solare si diffonde per miliardi di chilometri ed è responsabile di alcuni fenomeni naturali sul nostro pianeta: tempeste geomagnetiche e aurora boreale. La terra è protetta dal vento solare dal proprio campo magnetico.
Il vento solare, come il vento aereo, è abbastanza adatto ai viaggi, basta farlo soffiare nelle vele. Il progetto della vela elettrica, ideato nel 2006 dalla scienziata finlandese Pekka Janhunen, esteriormente ha poco in comune con il solare. Questo motore è costituito da diversi cavi lunghi e sottili, simili ai raggi di una ruota senza cerchio.
Grazie al cannone elettronico che emette contro la direzione di marcia, questi cavi acquisiscono un potenziale carico positivo. Poiché la massa di un elettrone è circa 1800 volte inferiore alla massa di un protone, la spinta creata dagli elettroni non giocherà un ruolo fondamentale. Gli elettroni del vento solare non sono importanti per una tale vela. Ma le particelle caricate positivamente - protoni e radiazioni alfa - saranno respinte dalle corde, creando così la spinta del getto.
Sebbene questa spinta sarà circa 200 volte inferiore a quella di una vela solare, l'Agenzia spaziale europea è interessata al progetto. Il fatto è che una vela elettrica è molto più facile da progettare, produrre, distribuire e operare nello spazio. Inoltre, utilizzando la gravità, la vela consente anche di viaggiare verso la fonte del vento stellare, e non solo lontano da esso. E poiché la superficie di una tale vela è molto inferiore a quella di una vela solare, è molto meno vulnerabile agli asteroidi e ai detriti spaziali. Forse nei prossimi anni vedremo le prime navi sperimentali su una vela elettrica.
Motore a ioni
Il flusso di particelle di materia cariche, cioè ioni, non viene emesso solo dalle stelle. Il gas ionizzato può anche essere creato artificialmente. Normalmente, le particelle di gas sono elettricamente neutre, ma quando i suoi atomi o molecole perdono elettroni, si trasformano in ioni. Nella sua massa totale, un tale gas non ha ancora una carica elettrica, ma le sue singole particelle si caricano, il che significa che possono muoversi in un campo magnetico.
In un motore a ioni, un gas inerte (solitamente xeno) viene ionizzato da un flusso di elettroni ad alta energia. Eliminano gli elettroni dagli atomi e acquisiscono una carica positiva. Inoltre, gli ioni risultanti vengono accelerati in un campo elettrostatico a velocità dell'ordine di 200 km / s, che è 50 volte maggiore della velocità di uscita del gas dai motori a reazione chimica. Tuttavia, i moderni propulsori ionici hanno una spinta molto piccola - circa 50-100 millinewton. Un simile motore non sarebbe nemmeno in grado di spostarsi dal tavolo. Ma ha un vantaggio serio.
Un grande impulso specifico può ridurre significativamente il consumo di carburante nel motore. L'energia ottenuta dalle batterie solari viene utilizzata per ionizzare il gas, quindi il motore a ioni è in grado di funzionare per un tempo molto lungo, fino a tre anni senza interruzioni. Per un periodo del genere, avrà il tempo di accelerare il veicolo spaziale a velocità che i motori chimici non avrebbero mai immaginato.
I motori a ioni hanno ripetutamente arato la vastità del sistema solare come parte di varie missioni, ma di solito come ausiliarie e non principali. Oggi, come possibile alternativa ai propulsori ionici, si parla sempre più di propulsori al plasma.
Motore al plasma
Se il grado di ionizzazione degli atomi diventa alto (circa il 99%), un tale stato aggregato della materia viene chiamato plasma. Lo stato del plasma può essere raggiunto solo ad alte temperature, quindi il gas ionizzato viene riscaldato fino a diversi milioni di gradi nei motori al plasma. Il riscaldamento viene effettuato utilizzando una fonte di energia esterna: pannelli solari o, più realisticamente, un piccolo reattore nucleare.
Il plasma caldo viene quindi espulso attraverso l'ugello del razzo, creando una spinta decine di volte maggiore di quella di un propulsore ionico. Un esempio di motore al plasma è il progetto VASIMR, che si è sviluppato dagli anni '70 del secolo scorso. A differenza dei propulsori ionici, i propulsori al plasma non sono ancora stati testati nello spazio, ma su di essi sono riposte grandi speranze. È il motore al plasma VASIMR che è uno dei principali candidati per i voli con equipaggio su Marte.
Motore Fusion
Le persone hanno cercato di domare l'energia della fusione termonucleare dalla metà del ventesimo secolo, ma finora non sono stati in grado di farlo. Tuttavia, la fusione termonucleare controllata è ancora molto attraente, perché è una fonte di enorme energia ottenuta da combustibili molto economici: gli isotopi di elio e idrogeno.
Al momento sono in corso diversi progetti per la progettazione di un motore a reazione sull'energia della fusione termonucleare. Il più promettente di questi è considerato un modello basato su un reattore con confinamento magnetico al plasma. Un reattore termonucleare in un tale motore sarà una camera cilindrica non pressurizzata lunga 100-300 metri e con un diametro di 1-3 metri. La camera dovrebbe essere alimentata con combustibile sotto forma di plasma ad alta temperatura, che, a pressione sufficiente, entra in una reazione di fusione nucleare. Le bobine del sistema magnetico situate intorno alla camera dovrebbero impedire a questo plasma di entrare in contatto con l'apparecchiatura.
La zona di reazione termonucleare si trova lungo l'asse di tale cilindro. Con l'aiuto dei campi magnetici, il plasma estremamente caldo scorre attraverso l'ugello del reattore, creando una spinta tremenda, molte volte maggiore di quella dei motori chimici.
Motore antimateria
Tutta la materia intorno a noi è costituita da fermioni, particelle elementari con spin semintero. Questi sono, ad esempio, i quark che compongono protoni e neutroni nei nuclei atomici, così come gli elettroni. Inoltre, ogni fermione ha la sua antiparticella. Per un elettrone, questo è un positrone, per un quark - un antiquark.
Le antiparticelle hanno la stessa massa e lo stesso spin dei loro soliti "compagni", differendo nel segno di tutti gli altri parametri quantistici. In teoria, le antiparticelle sono in grado di creare antimateria, ma finora l'antimateria non è stata registrata da nessuna parte nell'Universo. Per la scienza di base, la grande domanda è perché non esiste.
Ma in condizioni di laboratorio, puoi procurarti dell'antimateria. Ad esempio, è stato recentemente condotto un esperimento che confronta le proprietà di protoni e antiprotoni immagazzinati in una trappola magnetica.
Quando l'antimateria e la materia ordinaria si incontrano, avviene un processo di mutuo annientamento, accompagnato da un'esplosione di colossale energia. Quindi, se prendiamo un chilogrammo di materia e antimateria, la quantità di energia rilasciata quando si incontrano sarà paragonabile all'esplosione della "Bomba dello zar", la più potente bomba all'idrogeno nella storia dell'umanità.
Inoltre, una parte significativa dell'energia verrà rilasciata sotto forma di fotoni di radiazione elettromagnetica. Di conseguenza, c'è il desiderio di utilizzare questa energia per i viaggi nello spazio creando un motore a fotoni, simile a una vela solare, solo in questo caso la luce sarà generata da una sorgente interna.
Ma per utilizzare efficacemente la radiazione in un motore a reazione, è necessario risolvere il problema di creare uno "specchio" che sia in grado di riflettere questi fotoni. Dopotutto, la nave deve in qualche modo allontanarsi per creare spinta.
Nessun materiale moderno semplicemente non può resistere alle radiazioni nate in caso di una tale esplosione e evaporerà istantaneamente. Nei loro romanzi di fantascienza, i fratelli Strugatsky hanno risolto questo problema creando un "riflettore assoluto". Nella vita reale, niente di simile è stato ancora fatto. Questo compito, come le questioni relative alla creazione di una grande quantità di antimateria e alla sua conservazione a lungo termine, è una questione per la fisica del futuro.
