Фантастическая тяга. EmDrive и другие невозможные двигатели
Независимые испытания двигателя с неизвестным принципом работы EmDrive, вроде бы подтвердившие существование его «аномальной» тяги, в очередной раз закончились крайне критическими отзывами со стороны научного сообщества. Дошло до того, что некоторые физики-теоретики предлагают вообще не рассматривать результаты эксперимента, потому что у них «нет внятного теоретического объяснения». «Лента.ру» решила разобраться и с тем, почему так получается, и с тем, какие еще необычные средства передвижения в космосе человечество придумало за свою историю.
EmDrive
Межзвездные путешествия при нынешнем состоянии технологий невозможны — говорит сама физика с ее законом сохранения импульса. Перефразируя известного персонажа, чтобы разогнать что-нибудь нужное, сперва следует выбросить в противоположном направлении что-нибудь ненужное — вроде ракетного топлива, которого не накопишь на путешествие за границы Солнечной системы.
Чтобы выйти из этого тупика, энтузиасты освоения космоса периодически анонсируют устройства вроде двигателя EmDrive — которые, как нам обещают, не нуждаются в выбросе топлива, чтобы набирать скорость. На вид гипотетический двигатель представляет собой ведро с магнетроном (генератором микроволн, как в СВЧ-печи) внутри. По утверждению изобретателей, раз микроволны не выходят из ведра, значит выброса чего-либо материального не происходит, при этом само «ведро» создает тягу, фиксируемую в экспериментах с 2002 года и по сей день. Причем один такой опыт проделали в НАСА, другой совсем недавно провел Мартин Таджмар (Martin Tajmar), глава немецкого Института аэрокосмического инжиниринга при Техническом университете в Дрездене. Оба учреждения трудно назвать прибежищем научных фриков — быть может, за аномальной тягой EmDrive что-то есть?
Изображение: M. Tajmar and G. Fiedler / Institute of Aerospace Engineering, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, German
Их оппонентов, впрочем, это не смущает. Одни, как Шон Кэролл (Sean Carroll) из Калифорнийского технологического института, просто характеризует EmDriveсловами, которые невозможно повторить в русскоязычных СМИ. Те, кто сдержаннее, высказывают ту же мысль иначе: EmDrive нарушает закон сохранения импульса. А Эрик Дэвис (Eric W. Davis) из Института продвинутых исследований в Остине (США) добавляет: даже если бы тяга действительно создавалась, но как в испытаниях обнаруживалась бы лишь десятками микроньютонов, то профессионалам, работающим в аэрокосмической отрасли, «вообще неинтересны новые методы передвижения, […] порождающие тягу измеряемую лишь в микроньютонах» — слишком уж она невелика.
Здесь следует отметить, что последнее утверждение довольно рискованно. По данным упомянутых экспериментов НАСА, зарегистрированная тяга составила 0,4 ньютона на киловатт — и несмотря на то, что эта цифра действительно ничтожна, двигатель с такими параметрами доставил бы New Horizons к Плутону за полтора года, вместо десятилетия, потребовавшегося на практике. Иными словами, для действительно дальних перелетов ситуация крайне далека от «незаинтересованности».
Сложнее вопрос о том, работает ли EmDrive на самом деле, или в экспериментах «регистрируется» несуществующая тяга. Мартин Таджмар — известный «разрушитель мифов», экспериментатор, поставивший несколько «аномальных» экспериментов, найдя источники их аномалий в трудно обнаруживаемых ошибках измерения. В этот раз он привлек крутильные весы и проводил сам эксперимент в глубоком вакууме, чтобы исключить влияние конвекции воздуха. Все это не помогло убрать аномальную тягу.
Однако оппоненты не утратили своего скепсиса. Тот факт, что тяга не исчезала сразу после выключения EmDrive, может указывать на то, что речь идет о каком-то тепловом эффекте, влияющем на показания регистрирующих приборов. Следует отметить, что Таджмар в своей работе детально описываетпредпринятые меры по теплозащите и магнитному экранированию, которых его критики (являющиеся физиками-теоретиками) почему-то не замечают.
Более всего смущает тезис Эрика Дэвиса о том, что работа Таджмара «не будет принята рецензируемыми журналами», только потому, что она не предлагает теоретического механизма, который мог бы объяснять наблюдавшуюся аномальную тягу. Очевидно, Дэвис в курсе того, как в XIX веке Майкельсон и Морли опубликовали в American Journal of Science описание эксперимента, также не предложив никакого внятного теоретического механизма, который мог бы объяснить его. Если бы тогда журнал стоял на позициях Дэвиса, результаты важнейшего эксперимента, вызвавшего кризис теории эфира и в конечном счете возникновение теории относительности, просто не были бы опубликованы. Эксперименты по бета-распаду в 1914-1930 годах формально и вовсе нарушализакон сохранения энергии, но трудно представить себе, как кто-то из физиков той поры говорит: «данные об этом не попадут в рецензируемые журналы, потому что не объяснены теоретически».
Повторимся: отсутствие теоретического объяснения тяги EmDrive действительно означает, что, скорее всего, он не работает — по крайней мере, не работает так, как это описывает его создатель Роджер Шойер (Roger Shawyer). Но и позиция Дэвиса, сводящаяся к утверждению «не стоит тратить время на эксперименты, если у них нет теоретического объяснения», несомненно, необычна для ученого.
Ядерные ракеты и «лампочки»
Впрочем, не только EmDrive пытается перевести космические полеты на принципиально новые рельсы. В конце концов, самый быстрый из запущенных людьми аппаратов «Гелиос-2» с трудом преодолел рубеж в 70 километров в секунду. С такой скоростью полет к звездам займет тысячи лет, что лишает его практического смысла.
Первая серьезная попытка превысить скорость химических ракет была предпринята в американском проекте «Орион» еще в 1950-х. В его рамках предлагалось подрывать небольшие водородные бомбы метрах в ста за кормовой амортизирующей плитой космического корабля. Плиту для этого покрывали тонким слоем графитовой смазки, после взрыва испарявшейся, но не дававшей кораблю перегреться. Мы не случайно написали «покрывали»: помимо расчетов, проводились и опыты по такому взрыво-импульсному полету, хотя и с помощью обычной взрывчатки:
Ключевая проблема «Ориона» очевидна: при взлете он должен был вызвать радиоактивные осадки. Конечно, его можно было собирать в космосе и отправлять лишь в дальние путешествия. По расчетам, сделанным Фрименом Дайсоном в 1960-х, беспилотный «Орион» мог достигнуть Альфа Центавра за 133 года — вот только стоил бы он несколько сот миллиардов долларов.
После сворачивания «Ориона» у ученых в США и СССР возникла другая мысль: использовать вместо термоядерных взрывов обычный ядерный реактор, нагревающий водород до 2-3 тысяч градусов. Самый эффективный двигатель такого типа, советский РД-0410 прошел испытания в Казахстане и в принципе позволял сравнительно чистый ядерный старт космического корабля с Земли. Поскольку из урана можно извлечь значительно больше энергии, чем из химтоплива, в теории такие средства разгона позволяли совершить пилотируемый полет к Марсу («Марс-94»)
Возникла и конкурирующая концепция – так называемой «ядерной лампочки». В ней активная зона реактора закрывалась кварцевой оболочкой, через которую излучение нагревало газ в рабочей зоне двигателя до 25 тысяч градусов. При такой температуре активная зона реактора излучает в ультрафиолете, для которого кварц прозрачен, что исключало его перегрев. Нагреваемый газ, увлекаемый генерируемым вихрем, в свою очередь не должен был дать перегреться оболочке двигателя. Повышение рабочей температуры на порядок резко улучшало все параметры двигателя — но при СССР дальше проработки концепции дело не ушло, а после он и вовсе потерял какие-либо перспективы на финансирование.
Тем не менее, ядерная лампочка выглядит весьма реалистичным проектом, позволяющим добиться высоких скоростей для массивных космических кораблей на базе уже существующих технологий. Увы, ее тяга хороша для быстрых межпланетных путешествий, но слабовата для межзвездных перелетов.
Полеты без топлива
150 лет тому назад, после описания Максвеллом природы света, Жюль Верн предположил, что для межзвездных путешествий лучше всего подойдет парус, отражающий свет — тогда вместо топлива корабль будут разгонять фотоны. По прибытии в систему ближайшей звезды тот же парус затормозит его, так же без топлива.
Технически проект ограничен одним фактором: корабль со скоростью, близкой к световой, должен иметь паруса в десятки квадратных километров, массой не более 0,1 грамма на квадратный метр, что чрезвычайно трудно реализовать на практике.
Но еще в 1970-х годах был предложен так называемый лазерный парус: отражатель куда меньших размеров, разгоняемый лазерным излучателем с околоземной орбиты. Многие годы лазеры требуемой мощности просто не удавалось построить. Однако несколько лет назад Филип Лубин (Philip Lubin) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) предложил вместо них создать группы из множества более мелких излучателей, действующих по принципу фазированной антенной решетки, с итоговой мощностью, ограниченной лишь их числом. В рамках его концепта DESTAR-6 разгон космического зонда массой 10 тонн до околосветовой скорости может быть осуществлен в пределах Солнечной системы — до 30 астрономических единиц от Солнца (дальше проблемы с фокусировкой лазеров не дадут разгонять корабль).
Конечно, DESTAR-6 должна быть огромной группировкой. Каждый из ее элементов по проекту Лубина должен питаться от солнечных батарей, из-за чего общие размеры такой группы — тысяча на тысячу километров. При сегодняшних ценах вывода грузов на орбиту, это те же сотни миллиардов долларов, что и для проектов типа «Ориона».
Поэтому летом 2015 года Лубин предложил использовать зонды минимальной массы: полупроводниковые пластины больших размеров, на которых предлагается расположить все необходимые зонду электронные и оптические компоненты. Их будет достаточно, чтобы делать снимки в оптическом диапазоне, обрабатывать и отправлять их на Землю, используя для этого энергию солнечных батарей с лицевой поверхности пластин. Толщина пластин может быть такой же, как у современных кремниевых подложек — менее миллиметра. Уменьшив массу зонда до десятка килограмм, можно будет доставить зонд к Альфа Центавра всего за 20 лет (0,2 скорости света). Размеры разгоняющей группировки спутников с лазерами на борту при этом могут быть уменьшены до 33 на 33 километра. Конечно, снимки на нем не смогут быть идеальными, да и затормозиться там зонду не удастся, из-за чего первая миссия к звездам будет напоминать пролет New Horizons возле Плутона. Впрочем, на фоне наших нынешних знаний о системе Альфа Центавра и это было бы манной небесной.
Сверхсветовое перемещение?
Все предложенные выше варианты требуют как минимум десятков лет ожидания. Нет ли более быстрого способа? В первой половине 90-х годов этот вопрос пришел в голову мексиканскому физику Мигелю Алькуберре (Miguel Alcubierre). Если окажется возможным получить отрицательную массу/энергию, ее можно использовать для создания «пузыря», сжимающего пространство прямо перед собой и расширяющего его позади себя, предположил ученый. Идея была чисто теоретической и даже фантастической. Даже при существовании отрицательной энергии, перемещение пузыря диаметром в 200 метров потребует энергии, эквивалентной массе Юпитера. Однако в последние несколько лет были предложены модификации его идеи, в которой «пузырь» заменили на тор, а отрицательная энергия оказалась и вовсе ненужной. В этом случае расчеты показывают необходимость в энергии, содержащейся всего в сотнях килограммов массы.
Чтобы проверить возможность такого искривления пространства-времени, которое в теории может вести к сверхсветовому перемещению, сотрудник НАСА Гарольд Уайт модифицировал интерферометр Майкельсона-Морли, сравнивая параметры двух половин расщепленного лазерного луча, одну из которых он подвергает воздействию, теоретически способному искривлять пространство. В 2013 году в таком эксперименте были получены признаки искривления пространства — причем безо всякой материи с отрицательной массой. Увы, результаты не были окончательными: слишком много помех действует на интерферометр, чувствительность которого требуется существенно повысить.
И кстати об EmDrive: чтобы найти объяснение аномальной тяге, создаваемой «ведром», группа Уайта провела эксперимент с резонирующей полостью EmDrive, пропуская через нее лазерный луч своего интерферометра. Исследователи заявили, что луч в ряде случаев определенно проходил через полость за разное время. Сам Уайт склонен трактовать это как признак того, что по каким-то причинам внутри полости существуют слабые искривления пространства, что может быть как-то связано с аномальной тягой EmDrive.
Выхода нет?
Любой двигатель, к разработке которого не предпринимают никаких шагов, является невозможным. Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания поехал еще в 1807 году, однако отсутствие интереса к изобретению (и целому ряду ему подобных), привело к тому, что большинство населения Земли считает изобретателем автомобиля то ли Форда, то ли Даймлера. Сходная история случилась с паровым двигателем и турбиной, все компоненты которых былиизготовлены еще во времена Римской империи. Если мы
будем считать межзвездные путешествия невозможными, они несомненно останутся таковыми.
И все же надежда есть. Достаточно безопасные ядерные ракетные двигатели испытывались еще десятилетия назад, они, как и технологии лазерного паруса, вполне реальны уже сегодня — было бы желание за них взяться. Возможно, нам повезет и физики откроют новые явления, которые позволят повторить историю открытия ядерной энергии. Когда Эйнштейн в 1934 году сообщал миру, что «нет ни малейших признаков, что атомную энергию когда-либо удастся использовать», Лео Силлард как раз разрабатывал концепцию цепной ядерной реакции, а до запуска основанного на ней атомного реактора оставалось всего восемь лет.
