Фотонный двигатель — гипотетический ракетный двигатель , где источником энергии служит тело, которое излучает свет . Фотон имеет импульс , и, соответственно, при истекании из двигателя , свет создаёт реактивную тягу . Теоретически фотонный двигатель может развить максимально возможную для реактивного двигателя тягу в пересчёте на затраченную массу космического аппарата, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света , однако практическая разработка таких двигателей, судя по всему, дело далёкого будущего.

Аннигиляционный фотонный двигатель

Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества . Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение .

Для фотонной ракеты со скоростью истечения ${\displaystyle I=c}$ Формула Циолковского имеет вид:

${\displaystyle {\frac {M_{1}}{M_{2}}}={\sqrt {\frac {1+{\frac {V}{c}}}{1-{\frac {V}{c}}}}}.}$

Скорость фотонной ракеты вычисляется по формуле:

${\displaystyle {\frac {V}{c}}={\frac {1-\left({\frac {M_{2}}{M_{1}}}\right)^{2}}{1+\left({\frac {M_{2}}{M_{1}}}\right)^{2}}}.}$

Тем не менее, распространённая в литературе формулировка «при аннигиляции выделяются гамма-кванты» в принципе физически неверна. Гамма-кванты прямо выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции . В случае аннигиляции покоящейся (не релятивистской) пары протон-антипротон происходит сложно-цепочечная реакция: образование (часто) адронного мезоатома со временем жизни порядка 10 ⁻²⁷ секунды, затем распад этого атома (собственно аннигиляция) с образованием пионного комплекса, состоящего из 2—12 (в среднем 5—7) нейтральных (1/3) и заряженных (2/3) пи-мезонов (пионов), затем за время порядка 10 ⁻¹⁷ секунды нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре около 70 МэВ, в то время, как заряженные пионы, имеющие значительно большее время жизни, до ~1,5×10 ⁻⁴ секунды, удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции (в вакууме и разреженной среде — до 20—40 м, в плотном веществе, например, графите — порядка 0,1—0,2 м) и затем распадаются с образованием мюонов , в свою очередь распадающихся (в основном, 99,998 %, канале распада) на нейтрино и электроны.

Таким образом, при аннигиляции антивещества — то есть вещества, состоящего из антипротонов и позитронов, примерно 1/3 энергии выделится в виде жёсткого гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ (от позитронно-электронной аннигиляции) и 70 МэВ от распада нейтральных пионов, ~1/3 энергии — в виде заряженных частиц с достаточно большим пробегом, а ~1/3 — в виде нейтрино , то есть безвозвратно будет потеряна. И «реальный» ракетный двигатель на антиматерии скорее должен выглядеть, как магнитная ловушка для заряженных частиц, а не как некое «зеркало».

При такой невысокой массовой отдаче, порядка 23 % , эксплуатация фотонного двигателя становится менее выгодной. Значительно повысить его эффективность позволяет использование внешних ресурсов. Прямоточный аннигиляционный фотонный двигатель и магнитные ловушки , собирающие рассеянный в межзвёздной среде водород и гелий, дают возможность существенно уменьшить запасы рабочего вещества. Количество антивещества в межзвёздной среде очень мало — порядка одного атома антиводорода или антигелия на 5×10 ⁶ атомов обычного водорода, что делает невозможным использовать этот внешний ресурс. Поэтому проблема получения большой массы антивещества и его хранения на борту остаётся актуальной и для прямоточного аннигиляционного фотонного двигателя .

Технические проблемы

В сегодняшнем состоянии идея фотонного реактивного двигателя чрезвычайно далека от её технического воплощения. Она содержит ряд проблем, которые сейчас даже теоретически не могут быть решены. Это:

1. Проблема получения большого количества антивещества.
2. Проблема его хранения.
3. Проблема полного использования при «сжигании» — чтобы аннигиляция происходила полностью, и в основном с выделением именно фотонов.
4. Проблема создания «зеркала», способного очень хорошо отражать гамма-излучение и другие продукты аннигиляции.

Фотонный двигатель на магнитных монополях

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения , такие как модель Хофта — Полякова , то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона на позитрон и π ⁰ -мезон :

${\displaystyle p\rightarrow e^{+}+\pi ^{0}}$

π ⁰ быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

Упоминания в научной фантастике

Содержание этой статьи представляет собой произвольный набор слабо связанных фактов , инструкцию, каталог или малозначимую информацию новостного характера . Пожалуйста, улучшите её в соответствии с правилами написания статей и проверьте на соответствие критериям энциклопедичности .

• В романе Олафа Стэплдона « Последние и первые люди » (1930) даётся первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе.
• В советских фильмах « Москва — Кассиопея » и « Отроки во Вселенной » главные герои отправляются в звёздную систему Альфы Кассиопеи на звездолёте «ЗАРЯ» (Звездолёт Аннигиляционный Релятивистский Ядерный), очевидно использующем в качестве источника энергии распад протонов, так как иначе звездолёт не может быть одновременно аннигиляционным и ядерным.
• В сериале « Star Trek » («Звёздный путь») бортовая энергосистема звездолётов Федерации и многих других звёздных и галактических держав использует антивещество в качестве энергоносителя, но главные маршевые двигательные установки звездолётов не фотонные.
• В романе Ивана Ефремова « Туманность Андромеды » звездолёты землян используют фантастическое вещество анамезон « с разрушенными мезонными связями ядер атомов, обладающее близкой к световой скоростью истечения » . В романе « Час Быка » земляне используют более совершенные звездолёты прямого луча, принцип действия которых был основан на работах Рен Боза и исследованиях найденного землянами корабля жителей туманности Андромеды.
• В произведениях Станислава Лема « Непобедимый » и « Фиаско » космический корабль летает на фотонной тяге.
• В рассказе В. Михайлова «Ручей на Япете» (1971) — космический корабль «Синяя птица» использует фотонную тягу.
• В произведениях братьев Стругацких (смотри Хиус , Страна багровых туч ).
• В произведении Бернара Вербера «Звёздная бабочка».
• В компьютерной игре « Sins of a Solar Empire » вся техника всех рас использует антивещество.
• В компьютерной игре « Петька 007: Золото Партии » Петька и Василий Иванович включают фотонные двигатели на корабле, чтобы полететь в космос.
• В книге «Сомнамбула» (все части) Александра Зорича крейсер «Справедливый» летает в досветовом режиме на фотонной тяге, в книгах «Три капитана» и «Звездопроходцы» два фотонных звездолёта — «Восход» и «Звезда» отправляются с Земли к планете Сильвана.
• В книге « Автостопом по галактике » Дугласа Ноэля Адамса космический корабль «Золотое сердце», летает на «невероятностной тяге», в том числе и на «обычной фотонной тяге».
• В песне «Тау Кита» Владимира Высоцкого астронавт путешествует на космическом корабле, имеющем в своей конструкции отражатель и двигающемся «по световому лучу».
• В серии произведений «Экспансия: История Галактики» неоднократно упоминаются корабли на фотонной тяге, имеющие в конструкции характерную «чашу фотонного отражателя», и считаются устаревшими.

Фотонный двигатель в реальности

Согласно одной из гипотез, аномальное ускорение космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» вызвано анизотропией теплового излучения аппаратов. Если это так, то таким образом зафиксирован эффект, аналогичный фотонному двигателю. Аналогично при определении параметров гравитационного поля Земли из траекторий движения геофизических спутников LAGEOS в расчёты входит давление солнечного света ( солнечный парус ) и анизотропия теплового излучения спутников.

См. также

• Солнечный парус

Примечания

Ссылки