Moderne raketmotoren brengen technologie goed in een baan om de aarde, maar ze zijn volkomen ongeschikt voor lange ruimtevaart. Daarom werken wetenschappers al meer dan twaalf jaar aan de ontwikkeling van alternatieve ruimtemotoren die schepen kunnen versnellen tot recordsnelheden. Laten we eens kijken naar zeven sleutelideeën op dit gebied.
EmDrive
Om te bewegen, moet je ergens van afstoten - deze regel wordt beschouwd als een van de onwankelbare pijlers van natuurkunde en ruimtevaart. Waar je precies vanaf moet - van aarde, water, lucht of een gasstraal, zoals in het geval van raketmotoren - is niet zo belangrijk.
Een bekend gedachte-experiment: stel je voor dat een astronaut de ruimte inging, maar de kabel die hem met het ruimtevaartuig verbond, brak plotseling en de persoon begint langzaam weg te vliegen. Hij heeft alleen een gereedschapskist. Wat zijn zijn acties? Juist antwoord: hij moet gereedschap van het schip weggooien. Volgens de wet van behoud van momentum zal de persoon met precies dezelfde kracht van het instrument worden weggegooid als het instrument van de persoon, zodat hij geleidelijk naar het schip zal bewegen. Dit is jetstuwkracht - de enige mogelijke manier om in lege ruimte te bewegen. Het is waar dat EmDrive, zoals uit experimenten blijkt, enkele kansen heeft om deze onwankelbare bewering te weerleggen.
De maker van deze motor is de Britse ingenieur Roger Shaer, die in 2001 zijn eigen bedrijf Satellite Propulsion Research oprichtte. Het ontwerp van de EmDrive is behoorlijk extravagant en is een metalen emmer van vorm, aan beide uiteinden verzegeld. In deze emmer zit een magnetron die elektromagnetische golven uitzendt - hetzelfde als in een conventionele magnetron. En het blijkt voldoende te zijn om een heel kleine, maar behoorlijk merkbare stuwkracht te creëren.
De auteur legt zelf de werking van zijn motor uit door het drukverschil van elektromagnetische straling aan verschillende uiteinden van de "emmer" - aan het smalle uiteinde is het minder dan aan het brede uiteinde. Dit creëert een stuwkracht die naar het smalle uiteinde is gericht. De mogelijkheid van een dergelijke motorwerking is meer dan eens uitgedaagd, maar in alle experimenten toont de Shaer-installatie de aanwezigheid van stuwkracht in de beoogde richting.
Promotie video:
Experimenten die de emmer van Shaer hebben getest, zijn onder meer de NASA, de Technische Universiteit van Dresden en de Chinese Academie van Wetenschappen. De uitvinding werd onder verschillende omstandigheden getest, ook in een vacuüm, waar ze de aanwezigheid van een stuwkracht van 20 micronewton aantoonde.
Dit is heel weinig in vergelijking met chemische straalmotoren. Maar aangezien de Shaer-motor zo lang kan werken als je wilt, omdat hij geen brandstof nodig heeft (zonnebatterijen kunnen ervoor zorgen dat de magnetron werkt), is hij mogelijk in staat om ruimtevaartuigen tot enorme snelheden te versnellen, gemeten als een percentage van de lichtsnelheid.
Om de prestaties van de motor volledig te bewijzen, is het nodig om veel meer metingen uit te voeren en de bijwerkingen die bijvoorbeeld door externe magnetische velden kunnen worden gegenereerd, weg te nemen. Er worden echter al alternatieve mogelijke verklaringen voor de abnormale stuwkracht van de Shaer-motor aangedragen, die in het algemeen in strijd is met de gebruikelijke natuurkundige wetten.
Er worden bijvoorbeeld versies voorgesteld dat de motor stuwkracht kan creëren vanwege zijn interactie met een fysiek vacuüm, dat op kwantumniveau niet-nul energie heeft en is gevuld met constant opkomende en verdwijnende virtuele elementaire deeltjes. Wie heeft er uiteindelijk gelijk - de auteurs van deze theorie, Shaer zelf of andere sceptici, zullen we in de nabije toekomst ontdekken.
Zonne-zeil
Zoals hierboven vermeld, oefent elektromagnetische straling druk uit. Dit betekent dat het in theorie kan worden omgezet in beweging - bijvoorbeeld met behulp van een zeil. Net zoals de schepen van de afgelopen eeuwen de wind in hun zeilen vingen, zo zou het ruimteschip van de toekomst de zon of enig ander sterlicht in zijn zeilen opvangen.
Het probleem is echter dat de lichte druk extreem klein is en afneemt met toenemende afstand tot de bron. Om effectief te zijn, moet een dergelijk zeil daarom zeer licht van gewicht en zeer groot zijn. En dit verhoogt het risico van vernietiging van de hele structuur wanneer deze een asteroïde of een ander object tegenkomt.
Er zijn al pogingen ondernomen om zeilschepen op zonne-energie te bouwen en de ruimte in te lanceren - in 1993 testte Rusland het zonnezeil op het Progress-ruimtevaartuig en in 2010 voerde Japan succesvolle tests uit op weg naar Venus. Maar geen enkel schip heeft ooit het zeil gebruikt als belangrijkste bron van versnelling. Een ander project, een elektrisch zeil, ziet er in dit opzicht wat belovender uit.
Elektrisch zeil
De zon zendt niet alleen fotonen uit, maar ook elektrisch geladen materiedeeltjes: elektronen, protonen en ionen. Ze vormen allemaal de zogenaamde zonnewind, die elke seconde ongeveer een miljoen ton materie van het oppervlak van de zon wegvoert.
De zonnewind verspreidt zich over miljarden kilometers en is verantwoordelijk voor enkele natuurlijke fenomenen op onze planeet: aardmagnetische stormen en het noorderlicht. De aarde wordt door zijn eigen magnetische veld beschermd tegen de zonnewind.
De zonnewind is, net als de luchtwind, heel geschikt om mee te reizen, je hoeft hem alleen maar in de zeilen te laten waaien. Het project van het elektrische zeil, gemaakt in 2006 door de Finse wetenschapper Pekka Janhunen, heeft uiterlijk weinig gemeen met het zonnezeil. Deze motor bestaat uit meerdere lange, dunne kabels, vergelijkbaar met de spaken van een wiel zonder velg.
Dankzij het elektronenkanon dat tegen de rijrichting in uitzendt, krijgen deze kabels een positief geladen potentiaal. Omdat de massa van een elektron ongeveer 1800 keer kleiner is dan de massa van een proton, zal de stuwkracht die door elektronen wordt gecreëerd geen fundamentele rol spelen. De elektronen van de zonnewind zijn voor zo'n zeil niet van belang. Maar positief geladen deeltjes - protonen en alfastraling - zullen van de touwen worden afgestoten, waardoor jetstuwkracht ontstaat.
Hoewel deze stuwkracht ongeveer 200 keer minder zal zijn dan die van een zonnezeil, is de European Space Agency geïnteresseerd in het project. Het feit is dat een elektrisch zeil in de ruimte veel gemakkelijker te ontwerpen, vervaardigen, inzetten en bedienen is. Door de zwaartekracht te gebruiken, kunt u met het zeil ook naar de bron van de sterrenwind reizen, en niet alleen er vandaan. En aangezien het oppervlak van zo'n zeil veel kleiner is dan dat van een zonnezeil, is het veel minder kwetsbaar voor asteroïden en ruimtepuin. Wellicht zien we de komende jaren de eerste experimentele schepen op een elektrisch zeil.
Ionenmotor
De stroom van geladen deeltjes materie, dat wil zeggen ionen, wordt niet alleen uitgezonden door sterren. Geïoniseerd gas kan ook kunstmatig worden gemaakt. Normaal gesproken zijn gasdeeltjes elektrisch neutraal, maar wanneer de atomen of moleculen elektronen verliezen, worden ze ionen. Zo'n gas heeft in zijn totale massa nog geen elektrische lading, maar zijn individuele deeltjes worden wel geladen, waardoor ze in een magnetisch veld kunnen bewegen.
In een ionenmotor wordt een inert gas (meestal xenon) geïoniseerd door een stroom hoogenergetische elektronen. Ze slaan elektronen uit atomen en krijgen een positieve lading. Verder worden de resulterende ionen versneld in een elektrostatisch veld tot snelheden in de orde van 200 km / s, wat 50 keer groter is dan de snelheid waarmee gas uit chemische straalmotoren stroomt. Niettemin hebben moderne ionenstuwraketten een zeer kleine stuwkracht - ongeveer 50-100 millinewton. Zo'n motor zou niet eens van de tafel kunnen komen. Maar hij heeft een serieus pluspunt.
Een grote specifieke impuls kan het brandstofverbruik in de motor aanzienlijk verminderen. Energie verkregen uit zonnebatterijen wordt gebruikt om gas te ioniseren, zodat de ionenmotor zeer lang kan werken - tot wel drie jaar zonder onderbreking. Gedurende zo'n periode zal hij tijd hebben om het ruimtevaartuig te versnellen tot snelheden waar chemische motoren nooit van hadden kunnen dromen.
Ionenmotoren hebben herhaaldelijk de uitgestrektheid van het zonnestelsel geploegd als onderdeel van verschillende missies, maar meestal als hulpmotor en niet als hoofdmissie. Tegenwoordig hebben ze het als mogelijk alternatief voor ionenstuwraketten steeds vaker over plasmastuwraketten.
Plasma-motor
Als de mate van ionisatie van atomen hoog wordt (ongeveer 99%), dan wordt zo'n geaggregeerde toestand van materie plasma genoemd. De plasmastatus kan alleen worden bereikt bij hoge temperaturen, daarom wordt geïoniseerd gas in plasmamotoren tot enkele miljoenen graden verwarmd. Verwarming gebeurt met behulp van een externe energiebron - zonnepanelen of, realistischer, een kleine kernreactor.
Het hete plasma wordt vervolgens uitgeworpen door het mondstuk van de raket, waardoor een stuwkracht ontstaat die tientallen keren groter is dan die van een ionenstuwschroef. Een voorbeeld van een plasmamotor is het VASIMR-project, dat in ontwikkeling is sinds de jaren 70 van de vorige eeuw. In tegenstelling tot ionenstuwraketten zijn plasmastuwraketten nog niet in de ruimte getest, maar er is grote hoop op gevestigd. Het is de VASIMR-plasmamotor die een van de belangrijkste kandidaten is voor bemande vluchten naar Mars.
Fusion-motor
Sinds het midden van de twintigste eeuw hebben mensen geprobeerd de energie van thermonucleaire fusie te temmen, maar tot dusverre is het hen niet gelukt. Toch is gecontroleerde thermonucleaire fusie nog steeds erg aantrekkelijk, omdat het een bron is van enorme energie die wordt verkregen uit zeer goedkope brandstof - isotopen van helium en waterstof.
Momenteel lopen er verschillende projecten voor het ontwerp van een straalmotor op de energie van thermonucleaire fusie. De meest veelbelovende wordt beschouwd als een model gebaseerd op een reactor met magnetische plasma-opsluiting. Een thermonucleaire reactor in een dergelijke motor zal een drukloze cilindrische kamer zijn van 100-300 meter lang en 1-3 meter in diameter. De kamer moet worden voorzien van brandstof in de vorm van plasma op hoge temperatuur, dat bij voldoende druk in een kernfusiereactie terechtkomt. De spoelen van het magnetische systeem rond de kamer moeten voorkomen dat dit plasma in contact komt met de apparatuur.
De thermonucleaire reactiezone bevindt zich langs de as van zo'n cilinder. Met behulp van magnetische velden stroomt extreem heet plasma door het reactormondstuk, waardoor een enorme stuwkracht ontstaat, vele malen groter dan die van chemische motoren.
Antimaterie-engine
Alle materie om ons heen bestaat uit fermionen - elementaire deeltjes met een spin van een half geheel getal. Dit zijn bijvoorbeeld quarks die protonen en neutronen in atoomkernen vormen, maar ook elektronen. Bovendien heeft elk fermion zijn eigen antideeltje. Voor een elektron is dit een positron, voor een quark - een antiquark.
Antideeltjes hebben dezelfde massa en dezelfde spin als hun gebruikelijke "kameraden", en verschillen in het teken van alle andere kwantumparameters. In theorie zijn antideeltjes in staat antimaterie te vormen, maar tot nu toe is nergens in het heelal antimaterie geregistreerd. Voor fundamentele wetenschap is de grote vraag waarom het niet bestaat.
Maar onder laboratoriumomstandigheden kunt u wat antimaterie krijgen. Zo is onlangs een experiment uitgevoerd waarbij de eigenschappen van protonen en antiprotonen die waren opgeslagen in een magnetische val, met elkaar werden vergeleken.
Wanneer antimaterie en gewone materie elkaar ontmoeten, vindt er een proces van wederzijdse vernietiging plaats, vergezeld van een uitbarsting van kolossale energie. Dus als we een kilo materie en antimaterie nemen, dan zal de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer ze elkaar ontmoeten vergelijkbaar zijn met de explosie van de "tsaarbom" - de krachtigste waterstofbom in de geschiedenis van de mensheid.
Bovendien komt een aanzienlijk deel van de energie vrij in de vorm van fotonen van elektromagnetische straling. Dienovereenkomstig is er een wens om deze energie te gebruiken voor ruimtereizen door een fotonenmotor te maken die lijkt op een zonnezeil, alleen in dit geval wordt het licht gegenereerd door een interne bron.
Maar om de straling in een straalmotor effectief te gebruiken, is het nodig om het probleem op te lossen van het creëren van een "spiegel" die deze fotonen zou kunnen reflecteren. Het schip moet immers op de een of andere manier afstoten om stuwkracht te creëren.
Geen enkel modern materiaal kan de straling die ontstaat bij zo'n explosie gewoonweg niet weerstaan en zal onmiddellijk verdampen. In hun sciencefictionromans hebben de gebroeders Strugatsky dit probleem opgelost door een "absolute reflector" te creëren. In het echte leven is er nog zoiets niet gedaan. Deze taak is, net als de kwestie van het creëren van een grote hoeveelheid antimaterie en de langdurige opslag ervan, een kwestie voor de fysica van de toekomst.
