Какой движитель доставит нас к планетам за пределами Солнечной системы?

Химические ракетные двигатели отлично послужили человечеству в прошлом, и продолжают делать это сейчас. Жидкий водород и такой же кислород подняли нас на орбиту Землю, доставили на Луну, отправили наши межпланетные станции на множество небесных тел Солнечной системы. Но их ресурс скоро закончится. Если мы хотим летать далеко в космос, не дожидаясь, когда планеты выстроятся в нужную нам линию, то должны изобрести какой-то другой движитель.

Химический ракетный двигатель
Химический ракетный двигатель

Главная проблема ракетных двигателей в том, что им нужно горючее, которое имеет немалый вес. Это катастрофически снижает их эффективность. Количество их энергии ограничено суммой химических связей, содержащихся в поднятом на борт космического аппарата топливе. Мы пытаемся совершенствовать эти двигатели на протяжении уже почти 90 лет, но они не становятся кардинально лучше.

Ещё один их существенный недостаток в том, что после того как вы «поджигаете фитилёк», всё топливо сгорает, а дальше мы летим к цели назначения по инерции. То есть если вы повезёте своих детей, допустим, на Юпитер, а они посреди дороги заноют, просясь домой, вы не сможете вернуться с полпути. Можно, конечно, постараться развернуть судно с помощью маневровых гидразиновых двигателей, какие используются на спутниках, но тяги там, откровенно говоря, маловато. Вряд ли эта идея сработает. Так что, по большому счёту, в какую точку космический аппарат с ракетным двигателем направили на старте, в такую он и долетит.

Гидразиновые двигатели
Гидразиновые двигатели

Для исследования дальнего космоса человечество ищет энергию, которая не ограничивалась бы количеством химических связей внутри топливного бака. В последние два десятилетия оно всё чаще обращает своё внимание на технологию, рождённую ещё в 60-х годах прошлого века — ионные двигатели. Принцип их действия основан на ускорении заряженных атомов, например, ионов ксенона, посредством магнитного поля, и последующем их отводе в космическое пространство. Топливо в этом типе двигателя лёгкое. Оно даёт довольно слабую тягу, но в течение очень продолжительного времени, то есть теоретически превосходно подходит для полётов в далёкий космос.

Самые ранние образцы ионных двигателей были склонны к самоуничтожению, так как ионы непрерывно разрушали стенки этих конструкций. Это препятствие в течение десятилетий отбивало у инженеров желание продолжать работу над ними. Понятно ведь, что экспедицию нельзя отправить в дальнее странствие на корабле с быстро ломающимся «мотором». Выход удалось найти, отодвинув магнитное поле от стенок, что предотвратило их бомбардировку ионами. Недавние миссии, например, полёт автоматической межпланетной станции «Dawn» к Церере, доказали возможность использования ионных двигателей в космонавтике. Конкретно в упомянутом случае они были задействованы сразу после вывода аппарата на орбиту Земли.

Ионный двигатель
Ионный двигатель

Ещё одной перспективной идеей является использование энергии Солнца для приведения в движение наших космических аппаратов. Этот принцип используется «солнечными парусами» — гигантскими полотнищами размером с футбольное поле, имеющими микроскопическую толщину — в 40-100 раз меньше бумажного листа. В полностью развёрнутом состоянии они улавливают солнечный свет в количестве, достаточном для получения ускорения. Несмотря на то, что у фотонов нет массы покоя, они обладают энергией. Это означает, что все они несут крошечный импульс и, попадая на поверхность паруса, делятся какой-то его частью. То есть огромный парус, развёрнутый в космосе, может питаться бесплатной, бесконечной и бесперебойной энергией нашего светила. Космический аппарат, который движется с его помощью, будет ускоряться до тех пор, пока ему в «спину» светит Солнце. Японское космическое агентство JAXA запустило первый солнечный парус IKAROS в 2010 году. Через месяц после раскрытия паруса японцы сообщили, что космический аппарат ускоряется благодаря фотонному давлению.

Солнечный парус IKAROS
Солнечный парус IKAROS

Эти движители весьма неплохо работают неподалёку от Солнца, но за орбитой Марса энергии нашей звезды уже недостаточно. Если мы не хотим ждать, пока ионные двигатели или солнечный парус разгонят космический аппарат до приличной скорости, есть ядерная альтернатива. Некоторые учёные предлагают использовать термоядерные ракетные двигатели, которые могут сократить время полёта к тому же Марсу с семи месяцев до одного.

Солнечный парус IKAROS в лаборатории
Солнечный парус IKAROS в лаборатории

Предложения и проекты здесь отличаются разнообразием — от применения ядерных реакторов до генерации плазмы, которая затем ускоряется посредством магнитного поля. Также можно использовать термоядерный синтез на водородной реакции, топливо для которого будет собираться непосредственно в космосе во время движения космического аппарата (двигатель Бассарда). Последний метод позволит одной песчинке взятого на борт реагента давать такое же количество энергии, какое дают сейчас четыре литра привычного ракетного топлива.

Читайте так же:  Ионный двигатель с сеткой

Все эти движители ещё очень далеки от претворения в жизнь, и каждая из них сталкивается с множеством труднопреодолимых препятствий. Но ведь и планеты, до которых мы хотим добраться, тоже, если подумать, совсем не близко. Если мы планируем отправить туда представителей своего вида живых существ, то было бы неплохо сделать их дорогу как можно более лёгкой и быстрой. Нам до сих пор нужны химические ракетные двигатели, чтобы подняться на земную орбиту, но кто знает, где мы окажемся, когда одна из этих технологий будет всё-таки доведена до ума…

 

Ссылка на основную публикацию