Научно-исследовательская статья "Теоретические идеи и исследования альтернативных источников энергии для межзвездных двигателей"

Аннотация.

Часто проблему источников энергии для межзвездных двигателей и разработку новых двигателей для космических путешествий рассматривают не серьезно (особенно в России и в Казахстане), хотя в странах Европы, США, Японии и Китае этот вопрос находится среди приоритетных, к примеру, в начале этого года NASA сделала официальное заявление о разработках сверхсветового двигателя (основанного на искривление пространства-времени). Исследованиями в этой области занимается в основном NASA. В данный момент работа имеет больше исследовательский (теоретический) вид, нежели практический, технологический.

Theoretical ideas and research energy sources for interstellar engines.

R. A. Bagutdinov.

Often the problem of energy sources for interstellar engines and the development of new engines for space travel is not considered serious (especially in Russia and Kazakhstan), while in Europe, the USA, Japan and China, this is a question of priority, for example, at the beginning of this year, NASA made an official statement about the developments FTL drive (based on the curvature of space- time). Research in this area focuses mainly on NASA. Currently work is more research (theoretical) form, rather than practical, technological.

На сегодняшний день очень мало отводится внимания и времени развитию космической отрасли. В основном, все идеи и разработки в этой области относятся к средствам связи и лишь малая часть исследованию других планет и систем. Это как правило связано с финансированием в этой области. Оборудование, разработка и исследования в космической отрасли всегда требовало больших финансовых вложений и огромных человеческих ресурсов.

Да, но когда-то, несмотря на это человечество стремилось открытию новых земель. За последние несколько столетий люди сделали колоссальный скачок технологий. Возможно не стоит на этом останавливаться и необходимо идти вперед несмотря ни на что. Ведь вполне вероятно что вопрос космических перелетов будет жизненно необходим для всех нас.

C помощью телескопа «Кеплер» астрономы уже обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Рисунок 1. Ближайшие к Солнечной системе звезды.

Несколько лет назад были отправлены космические межзвездные аппараты-зонды «Пионер» и «Вояджер», однако их скорость на столько низкая в вселенских масштабах, что мы даже не знаем достигнут ли они цели. К примеру «Вояджер-1», скорость движения которого составляет всего 17 км/c, до ближайшей к нам звезды Proxima Centauri долетит только через 17 тыс. лет (4,2 св.года).

Для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом, с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом – постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной задачей.

Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. В 1970-х годах в NASA обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля «Дедал» предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов.

Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение. «Дедал» должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10–15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности.

Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем.

Основная молибденовая камера сгорания двигателя «Дедала» должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая – 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т. Полет «Дедала» планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул.

После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения «Дедал» достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Но, этот проект, не решит проблему межзвездных перелетов: во-первых размер «Дедала» по подсчетам можно сравнить с размерами одного из самых высоких небоскребов США; во-вторых он не пилотируемый; в третьих при его скорости, до ближайшей звезды он долетит не раньше чем за 40 лет.

Весь материал - в документе.

Теоретические идеи и исследования источников энергии для межзвездных двигателей

Р. А. Багутдинов

Аннотация

Часто проблему источников энергии для межзвездных двигателей и разработку новых двигателей для космических путешествий рассматривают не серьезно (особенно в России и в Казахстане), хотя в странах Европы, США, Японии и Китае этот вопрос находится среди приоритетных, к примеру, в начале этого года NASA сделала официальное заявление о разработках сверхсветового двигателя (основанного на искривление пространства-времени). Исследованиями в этой области занимается в основном NASA. В данный момент работа имеет больше исследовательский (теоретический) вид, нежели практический, технологический.

Theoretical ideas and research energy sources for interstellar engines

R. A. Bagutdinov

Often the problem of energy sources for interstellar engines and the development of new engines for space travel is not considered serious (especially in Russia and Kazakhstan ) , while in Europe, the USA, Japan and China, this is a question of priority , for example, at the beginning of this year, NASA made an official statement about the developments FTL drive (based on the curvature of space- time). Research in this area focuses mainly on NASA. Currently work is more research (theoretical ) form , rather than practical , technological.

На сегодняшний день очень мало отводится внимания и времени развитию космической отрасли. В основном, все идеи и разработки в этой области относятся к средствам связи и лишь малая часть исследованию других планет и систем. Это как правило связано с финансированием в этой области. Оборудование, разработка и исследования в космической отрасли всегда требовало больших финансовых вложений и огромных человеческих ресурсов. Да, но когда-то, несмотря на это человечество стремилось открытию новых земель. За последние несколько столетий люди сделали колоссальный скачок технологий. Возможно не стоит на этом останавливаться и необходимо идти вперед несмотря ни на что. Ведь вполне вероятно что вопрос космических перелетов будет жизненно необходим для всех нас.

C помощью телескопа «Кеплер» астрономы уже обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Рисунок 1. Ближайшие к Солнечной системе звезды.

Несколько лет назад были отправлены космические межзвездные аппараты-зонды «Пионер» и «Вояджер», однако их скорость на столько низкая в вселенских масштабах, что мы даже не знаем достигнут ли они цели. К примеру «Вояджер-1», скорость движения которого составляет всего 17 км/c, до ближайшей к нам звезды Proxima Centauri долетит только через 17 тыс. лет (4,2 св.года).

Для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом, с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом – постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной задачей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. В 1970-х годах в NASA обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля «Дедал» предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение. «Дедал» должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10–15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности.

Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя «Дедала» должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая – 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т. Полет «Дедала» планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения «Дедал» достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Но, этот проект, не решит проблему межзвездных перелетов: во-первых размер «Дедала» по подсчетам можно сравнить с размерами одного из самых высоких небоскребов США; во-вторых он не пилотируемый; в третьих при его скорости, до ближайшей звезды он долетит не раньше чем за 40 лет.

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.

Применение двигателя Бассарда дает огромные преимущества. Прежде всего за счет «водородного» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит – отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости – в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.

К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд. Но, на мой взгляд, исследования в этой области имеет перспективы, так как водорода во вселенной достаточно много. Однако, совсем недавно NASA опубликовало статью, в которой сказано, что они планируют заняться созданием двигателя для межзвездных путешествий, работающего на принципе искривления пространства-времени. В общей теории относительности есть два обходных способа, которые позволяют добраться куда-либо очень быстро, преодолевая ограничение скорости света. Одним из них являются червоточины, а другим – искривление пространства. О возможностях этого метода рассказал изданию newscientist.com известный разработчик двигательных систем NASA Гарольд «Сонни» Уайт. 

В результате, я предполагаю, что возможно объединить два способа решения проблемы. К примеру разработать не один двигатель, а систему двигателей, которые будут включатся аналогично ступеням двигателя при выводе из атмосферы. Одним из важных вопросов, на мой взгляд, также является сохранение топлива (энергии) космическим аппаратом от одной звезды до другой звезды.

Например, мы знаем, диаметр нашей галактики «Млечного пути» составляет примерно 100 тыс. св. лет, от Солнца до центра галактики примерно 26 тыс. св. лет, до ближайшей звезды от Солнца - 4,2 св.года. согласно последним сведениям гамма - телескопа «Ферми», в среднем 1,4 звезды приходится на 100 млрд. куб. св. лет пустого пространства. Другими словами, среднее расстояние между звездами составляет порядка 4150 световых лет, т.е. нам необходимо разработать такой «конденсатор энергии и топлива», чтобы двигатель космического аппарата смог работать без дозаправки в течении 4,1 тыс. св. лет. А заправку проводить возле каждой ближайшей звезды. Помимо прочего необходимо разработать надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС (международная космическая станция)) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека.

Может показаться, что все вышеописанное – фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. Космическое агентство NASA запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. Если программа NASA увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.

1. Лысенко Л.Н, Иванов Н.М «Баллистика и навигация космических аппаратов», 2004 год, втрое издание, издательство «Дрофа», Москва, с. 531

2. Скородумов О., «Самая далекая звезда нашей Галактики», 2010 год, Samogonet

3. Francis Reddy, «NASA`s Fermi Measures Cosmic», NASA`s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md., 2012

4. Сборник трудов Десятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» 09 – 11. 12. 2010, Санкт-Петербург, Россия / под ред. А. П. Кудинова. — СПб. : Изд-во Политехн. Ун-та, 2010. — 424 с. С. 31 – 39.  «Вестник связи», апрель 2004 год, Москва, стр. 210.

5. Левкевич М., «Межзвездные перелеты», nanonewsnet.ru, cnews.ru, 2011 год

6. Кайфман М., «NASA разрабатывает сверхсветовой двигатель для межзвездных полетов», mk.ru, 21 августа 2013 года.

7. Аксенов Е.П. Теория движения искусственных спутников Земли. - М.: Наука, 1977 год

8. Анфимов Н. А, Иванов Н. М, Особенности баллистика - навигационного обеспечения управления орбитальным комплексом «МИР» на этапе завершения его полета - Космонавтика и Ракетостроение, М.: ЦНИИмаш, 2001., Т-25 - с. 11-25

9. Бетанов В.В. Введение в теорию решения обобщенных некорректных задач навигационно-баллистического обеспечения управления космическими аппаратами. - М.: издательство ВА им. Ф. Э. Дзержинского, 1997 год.