Фотонный двигатель для космических кораблей. Фотонный двигатель для межзвездных полетов: путь к покорению дальнего космоса

Как работает фотонный двигатель. Какие преимущества дает фотонная тяга для космических путешествий. Почему фотонные двигатели считаются перспективной технологией для межзвездных полетов. Какие проблемы нужно решить для создания эффективных фотонных двигателей.

Принцип работы фотонного двигателя

Фотонный двигатель — это революционная концепция космического двигателя, использующая энергию и импульс фотонов для создания тяги. Как же работает эта технология?

Основной принцип действия фотонного двигателя заключается в использовании направленного потока фотонов для создания реактивной тяги. Фотоны, несмотря на отсутствие массы покоя, обладают энергией и импульсом. При отражении от специальной поверхности космического аппарата они передают ему небольшой импульс.

Существует несколько вариантов реализации фотонного двигателя:

• Солнечный парус — большая отражающая поверхность, использующая давление солнечного света
• Лазерный фотонный двигатель — использует мощный лазер, направленный на отражающую поверхность корабля
• Аннигиляционный фотонный двигатель — использует энергию аннигиляции вещества и антивещества

Ключевое преимущество фотонного двигателя — отсутствие необходимости нести с собой запас рабочего тела. Это позволяет значительно увеличить полезную нагрузку космического аппарата.

Преимущества фотонной тяги для космических путешествий

Использование фотонных двигателей открывает принципиально новые возможности для исследования дальнего космоса. Каковы основные преимущества этой технологии?

• Очень высокая скорость истечения рабочего тела — до скорости света
• Возможность достижения релятивистских скоростей (до 30% скорости света)
• Отсутствие необходимости нести запас топлива
• Практически неограниченный запас хода
• Высокий удельный импульс
• Возможность длительной непрерывной работы

Благодаря этим преимуществам, фотонные двигатели позволяют радикально сократить время межпланетных и межзвездных перелетов. Например, полет на Марс может занять всего 3 дня вместо нескольких месяцев.

Перспективы использования фотонных двигателей для межзвездных полетов

Фотонные двигатели рассматриваются многими учеными как наиболее перспективная технология для осуществления межзвездных полетов в обозримом будущем. Почему именно эта концепция вызывает такой интерес?

Ключевые факторы, определяющие потенциал фотонных двигателей для межзвездных путешествий:

• Возможность разгона до релятивистских скоростей (0.1-0.3c)
• Отсутствие необходимости нести огромные запасы топлива
• Теоретическая возможность достичь ближайших звезд за время жизни одного поколения
• Масштабируемость технологии
• Отсутствие фундаментальных физических ограничений

По оценкам ученых, при достаточном развитии технологии фотонных двигателей, космический аппарат сможет достичь альфы Центавра за 20-30 лет полета. Это открывает реальные перспективы для исследования ближайших звездных систем автоматическими зондами уже в этом столетии.

Проблемы и ограничения фотонных двигателей

Несмотря на большой потенциал, на пути практической реализации эффективных фотонных двигателей стоит ряд серьезных технических проблем. Какие ключевые вызовы предстоит решить ученым и инженерам?

• Создание сверхмощных лазерных систем для разгона кораблей
• Разработка сверхлегких и прочных материалов для солнечных парусов
• Решение проблемы торможения на релятивистских скоростях
• Защита от космической радиации и микрометеоритов
• Создание систем жизнеобеспечения для длительных полетов
• Разработка эффективных систем навигации в межзвездном пространстве

Преодоление этих технологических барьеров потребует значительных усилий и ресурсов. Однако ученые уверены, что в перспективе 20-30 лет большинство этих проблем удастся решить.

Текущее состояние разработок фотонных двигателей

Хотя полноценные фотонные двигатели пока существуют лишь в теории, ряд экспериментов уже подтвердил принципиальную работоспособность этой концепции. Каково текущее состояние разработок в этой области?

• Успешно испытаны первые солнечные паруса (IKAROS, LightSail)
• Разрабатываются проекты мощных лазерных систем для фотонной тяги
• Ведутся исследования по созданию сверхлегких материалов для парусов
• Разрабатываются концепции межзвездных зондов с фотонными двигателями
• NASA финансирует исследования по фотонной тяге в рамках программы NIAC

Хотя до создания полноценных межзвездных кораблей с фотонными двигателями еще далеко, первые шаги в этом направлении уже сделаны. Многие эксперты считают, что первые межзвездные зонды с фотонной тягой могут быть запущены уже в 2030-2040-х годах.

Перспективные проекты межзвездных аппаратов с фотонными двигателями

Ряд научных групп и космических агентств уже разрабатывают концептуальные проекты межзвездных зондов с использованием фотонных двигателей. Какие наиболее интересные концепции предлагаются?

• Проект Breakthrough Starshot — флот наноспутников с лазерными парусами
• Project Dragonfly — зонд с лазерным парусом для исследования альфы Центавра
• Проект DEEP-IN NASA — концепция межзвездного зонда с фотонным двигателем
• Daedalus — проект межзвездного корабля с импульсным термоядерным двигателем

Хотя эти проекты пока находятся на стадии концептуальной разработки, они закладывают научную и инженерную базу для будущих межзвездных миссий. По мере развития технологий некоторые из этих концепций могут быть реализованы уже в ближайшие десятилетия.

Заключение: фотонные двигатели как ключ к звездам

Фотонные двигатели открывают принципиально новые возможности для исследования дальнего космоса и межзвездных путешествий. Несмотря на серьезные технические проблемы, эта технология имеет огромный потенциал.

Ключевые преимущества фотонных двигателей:

• Возможность достижения релятивистских скоростей
• Отсутствие необходимости нести запас топлива
• Практически неограниченный запас хода
• Масштабируемость технологии

Хотя до создания полноценных межзвездных кораблей еще далеко, первые шаги в этом направлении уже сделаны. Многие эксперты уверены, что в перспективе 20-30 лет удастся преодолеть основные технологические барьеры и отправить первые межзвездные зонды с фотонными двигателями.

Развитие технологий фотонной тяги может стать ключом к покорению межзвездных пространств и исследованию далеких планетных систем. Возможно, именно эта технология позволит человечеству сделать первые шаги за пределы Солнечной системы уже в этом столетии.

Фотонный космический транспорт — Posrednik CG

  Автор: Роман Масленников 6. января 2018 2. апреля 2020Энциклопедия «Кольца Дракона»

«- Давно летаешь на фотонных ракетах?
Вместо ответа я отвернул лацкан куртки, показывая ему медаль, на которой было выгравировано «Сто световых лет».
А. КОЛПАКОВ «Гриада».

Фотонный  двигатель – это  реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме.

Если найти условную точку центра Солнечной системы, то более десятка ближайших к нам звёзд расположатся в сфере радиусом в одиннадцать световых лет. Фотонные звездолёты, относящиеся к классу субсветовых, позволили бы их экипажам достичь этих звёзд, исследовать их системы и вернуться обратно в течение жизни одного поколения.

Немецкий теоретик  ракетной техники Э. Зенгер (1905-1964) ещё перед второй мировой войной высказал принципиальную идею двигателя с фотонной тягой. В основу идеи легли две фантастические предпосылки: изобретение «абсолютного зеркала», способного отражать  и фокусировать кванты  света сразу всех длин волн, а также гамма-лучи; получение энергоносителя в виде антиматерии. Книга Э. Зенгера «Механика фотонных ракет» была переведена  на русский язык и вышла в свет в 1956 году.

Однако в романе О. СТЭПЛДОНА «Последние и первые люди» (1930) уже было дано первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе. Хотя сам автор идеи был философом и не считал себя фантастом.

С тех пор «классическим» считается  фотонный звездолет, состоящий из жесткого, укрепленного силовым каркасом параболического зеркала, соединенного длинной фермой с жилыми отсеками, складами и лабораториями. Ёмкости с антивеществом и веществом размещены на внешней поверхности зеркала. Соотношение размеров этих емкостей и корабля в целом позволяет предположить, что это объект не столько конструкторского, сколько художественного творчества.

Практически все известные и даже запатентованные компоновки фотонных звездолетов не учитывают того обстоятельства, что, по объективным расчётам, масса запасаемого на них антивещества (и вообще рабочего тела) должна в десятки и сотни раз превышать массу самой конструкции корабля.

Относительно подходящего топлива для фотонного двигателя в фантастике отразились альтернативные мнения. К фотонному космическому транспорту по основным характеристикам весьма близки анамнезонные звездолёты из романа И. ЕФРЕМОВА «Туманность Андромеды». Однако анамнезон – это обычное вещество с разрушенными связями между элементарными частицами. Следовательно, оно более компактно, чем вещество, и не требует особой защитной оболочки для хранения, как антивещество. Два маленьких плюса по сравнению с одним гигантским минусом: запасы анамнезона в дорогу по своему объёму сравнятся с объёмом небольшой планеты.

Зато ЕФРЕМОВ проработал одну важную деталь, которой большинство фантастов пренебрегает: запуск звездолёта, вид изнутри.

«Пел Лин передвинул рукоятку анамезонных двигателей. Четыре высоких цилиндра из нитрида бора, видимые в специальную прорезь пульта, засветились изнутри. Яркое зелёное пламя забилось в них бешеной молнией, заструилось и закрутилось четырьмя плотными спиралями. Там, в носовой части корабля, сильное магнитное поле облекло стенки моторных сопел, спасая их от немедленного разрушения.

Астронавигатор передвинул рукоять дальше. Сквозь зелёную вихревую стенку стал виден направляющий луч — сероватый поток К-частиц. Ещё движение, и вдоль серого луча прорезалась ослепительная фиолетовая молния — сигнал, что анамезон начал своё стремительное истечение…».

Соло Хан, по сравнению со своим коллегой, напоминает тракториста с рычагами управления, а многие прочие персонажи походят на лифтёров, пользующихся набором кнопок…

Доработка первоначальной идеи Э. Зенгера обнаруживается в повести братьев Стругацких «Путь на Амальтею», где фантасты пользуются определением  «фотонный». Но вновь, как и в романе И. ЕФРЕМОВА, конструкции «фотонных грузовиков» не несут в себе никакого антивещества! Это не случайно. Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Для прямого получения оптических квантов и гамма-квантов А. и Б. Стругацкие попросту заменили антивещество на дейтериево-тритиевую плазму. Эта идея не с потолка! В 1950 году академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается.

Направленная реактивная тяга в повестях «Путь на Амальтею» и «Стажёры» случаях создаётся гигантским сферическим зеркалом, каждый сантиметр которого должен ежесекундно отражать количество тепла, достаточное, чтобы выплавить несколько тонн стали.

«Отражатель – самый главный и самый хрупкий элемент фотонного привода, гигантское параболическое зеркало, покрытое пятью слоями сверхстойкого мезовещества. В зарубежной литературе отражатель часто называют «сэйл» — парус. В фокусе параболоида ежесекундно взрываются, превращаясь в излучение, миллионы порций дейтериево-тритиевой плазмы. Поток бледно-лиловатого пламени бьёт в поверхность отражателя и создаёт силу тяги. При этом в слое мезовещества возникают исполинские перепады температур и мезовещество постепенно – слой за слоем – выгорает.

Кроме того, отражатель непрерывно разъедается метеоритной коррозией. И если при включённом двигателе отражатель разрушится у основания, там, где к нему примыкает толстая труба фотореактора, корабль превратится в мгновенную бесшумную вспышку. Поэтому отражатели фотонных кораблей меняют через каждые сто астрономических единиц полёта. Поэтому контролирующая система непрерывно замеряет состояние рабочего слоя по всей поверхности отражателя» (А. и Б. СТРУГАЦКИЕ «Путь на Амальтею»).

Необходимость частых капитальных ремонтов зеркал позволяет использовать фотонные грузовики и лайнеры только на межпланетных трассах Солнечной системы. Строительство фотонного звездолёта  (проект «Хиус-Молния») находится  ещё на начальной стадии, а затем, видимо, и вовсе прекращается, поскольку в мире Полдня, найден способ движения в гиперпространстве. Фотонный космический транспорт морально устаревает…

Его недолгий гипотетический расцвет пришёлся на тот период отечественной фантастики, когда широкого знакомства с англоязычной фантастикой в СССР ещё не состоялось, зато активно творил Г. МАРТЫНОВ. Да и у того в романе «Гость из бездны» находим такие строки: «Первая фотонная ракета – «Ленин», казавшаяся сейчас архаическим пережитком, покинула Солнечную систему восемнадцать веков тому назад, в начале двадцать первого века христианской веры. Первые одиннадцать звездолётов были фотонными, и, точно в музее истории космических перелётов в пространстве находились корабли всевозможных конструкций – живая история звездолётостроения за последние восемнадцать столетий».

Одиннадцать фотонных звездолётов, построенных друг за другом… Вряд ли все они относились к единой типовой конструкции. Исходя из творческой натуры любого  настоящего конструктора, можно предполагать, что каждая последующая модель  звездолёта данного типа должна нести в себе некие  новые технические доработки и решения. Драматическим был, видимо, отказ от технического детища, лелеемого на протяжении  многих веков. За рамками романа остались некоторые вариации фотонных звездолётов, какие теоретически могли быть опробованы при постановке различных исследовательских задач. К примеру, на ближних межпланетных трассах могло быть опробование  использования электромагнитных квантов из диапазона более длинных волн («радиодвигатель»). «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД  всего движительного комплекса.

«…Квантовая ракета — то же, что  и  фотонная, но вместо фотонов она отбрасывает кванты невидимого  света  (например, ультракороткие  радиоволны)» – пояснял А. КОЛПАКОВ в романе «Гриада».

Существуют несколько вариантов компоновок фотонных звездолетов, предполагающих использование в качестве рабочего тела вещества окружающего пространства. Это позволяет вдвое (а при возможности производства антивещества на борту –  и более) сократить бортовые запасы, но требует создания электромагнитных (или других полевых) массозаборников диаметром несколько десятков тысяч километров.

Очевидный вариант представляет собой соединенные  направленными друг к другу остриями воронки жестких частей массозаборника и сопла-зеркала с расположенными на них электромагнитами, создающими полевые продолжения того и другого. В местах их соединения расположены обитаемые отсеки, энергоустановка, хранилище антивещества.

Ряд учёных полагает, что как для сбора окружающего вещества, так и для фокусировки пучка фотонов с использованием газового или пылевого зеркала, достаточно соленоида, состоящего из одного витка, расположенного в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Звездолет при этом может иметь форму более или менее обтекаемого симметричного относительно центральной оси тела, окруженного токовым кольцом на пилонах, либо диска, с расположением токопровода по периметру. В случае использования в качестве «реактивной струи» электромагнитных волн радиодиапазона звездолет может представлять собой, например, коническую ферму, на вершине которой разместится отсек экипажа, по периметру основания – генераторы радиоволн и энергоблоки.  Технологические трудности, которые придётся преодолеть при реализации всех представленных проектов, неимоверны.

И всё же идею фотонного космического транспорта рановато списывать как безнадёжную. Действительно, серьёзную проблему представляет необходимость охлаждать зеркало. О фантастическом мезовеществе, конечно, приходится пока только мечтать. Зато гораздо ближе к реальности сверхпроводники, благодаря которым возникающие микротоки не будут встречать сопротивления, а стало быть, перегрев будет минимальным.

По сведениям, промелькнувшим в авторитетном источнике, антивещество может быть заменено на водородную плазму, получаемую при взаимодействии атомов водорода с антипротонами. А первоочередные астроинженерные задачи будут поставлены не где-то в созвездии Волопаса, а гораздо ближе, в пределах доступности космического транспорта новых поколений.

Читайте также:

Физики «ускорили» двигатель на антиматерии до 70% от скорости света

https://ria.ru/20120515/649749893.html

Физики «ускорили» двигатель на антиматерии до 70% от скорости света

Физики «ускорили» двигатель на антиматерии до 70% от скорости света — РИА Новости, 15.05.2012

Физики «ускорили» двигатель на антиматерии до 70% от скорости света

Американские физики разработали схему практически реализуемого двигателя на антиматерии, который позволит разогнать космический корабль до 70% от скорости света, и опубликовали ее в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

2012-05-15T15:06

2012-05-15T15:06

2012-05-15T15:06

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/38961/22/389612287_0:769:1530:1630_1920x0_80_0_0_c91891df74d6a9c9891b63a0e752bc65.jpg

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2012

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/38961/22/389612287_0:44:1530:1192_1920x0_80_0_0_0122d1c649cc200ee127fc900730c519.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

МОСКВА, 15 мая — РИА Новости. Американские физики разработали схему практически реализуемого двигателя на антиматерии, который позволит разогнать космический корабль до 70% от скорости света, и опубликовали ее в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

Двигатели, работающие на энергии аннигиляции антиматерии, давно привлекали внимание любителей научной фантастики и многих ученых. За последние годы ученые разработали несколько проектов такого устройства, максимальная скорость которых должна составить примерно треть от скорости света. Реализация и испытания таких двигателей на сегодняшний день практически невозможна, так как пока не существует надежных методов получения и хранения больших объемов антиматерии.

Ронан Кин (Ronan Keane) из академии «Вестерн Резерв» в городе Хадсон (США) и его коллега Вей-мин Чжан (Wei-Ming Zhang) из Государственного университета города Кента (США) смогли в два раза увеличить максимально возможную скорость двигателя на антиматерии, предложив новую схему, реализация которой в принципе возможна уже сегодня.

Двигатель Кина и Чжана быстрее своих теоретических «конкурентов» благодаря особому устройству сопла. Как объясняют ученые, сопло и камера аннигиляции всех видов двигателей на антиматерии представляют собой комбинацию из нескольких мощных магнитов, улавливающих продукты распада и направляющих их в сторону, противоположную движению космического корабля.

Чем эффективнее будет сопло, тем больше частиц — больше энергии аннигиляции — будет израсходовано на полезную работу и ускорение корабля. Данная характеристика зависит не только от мощности магнитов и их пространственной конфигурации, но и от типа продуктов распада, вырабатываемых во время уничтожения антиматерии.

Для определения оптимальной реакции аннигиляции физики проанализировали возможные варианты распада антиматерии при помощи компьютерной программы Geant4, которая была разработана ЦЕРН для моделирования результатов столкновения различных частиц в ускорителях, в том числе и БАК.

Ученые выяснили, что столкновение антипротонов и протонов должно порождать пучки заряженных пионов — легких частиц, чья масса составляет седьмую часть от «веса» протона.

Моделирование показало, что аннигиляция антиматерии будет порождать пионы, ускоренные до 80% от скорости света, что значительно меньше ранее предсказанных 90%. С другой стороны, магнитное сопло сможет захватывать такие частицы очень эффективно, направляя примерно 85% из них в сторону, противоположную движению корабля.

По словам физиков, такая комбинация из относительно низкой начальной скорости пионов и высокой эффективности сопла позволит достичь 70% от скорости света. Такая скорость позволит экипажу кораблю наблюдать и изучать релятивистские эффекты, предсказанные специальной теорией относительности Эйнштейна.

Как отмечают ученые, относительно небольшая сила магнитного поля — около 12 Тесла — позволяет построить этот двигатель на основе современных технологий. Тем не менее, остается открытой проблема получения и хранения антиматерии в количествах, достаточных даже для самого короткого путешествия через космос.

Фотонный двигатель может отправить космический корабль на Марс всего за 3 дня

В астрономическом сообществе нет никаких аргументов — космический корабль с ракетным двигателем может доставить нас только до определенного момента. SLS, вероятно, доставит нас на Марс, а будущие ракеты могут помочь нам достичь еще более отдаленных точек Солнечной системы. А вот «Вояджер-1» покинул Солнечную систему всего всего раза, а стартовал он в 1977 году. Проблема ясна: мы не можем добраться до других звезд с ракетным топливом. Нам нужно что-то новое.

«Мы никогда не достигнем даже ближайших звезд с нашими современными двигателями даже через 10 тысячелетий», — пишет профессор физики Филип Любин из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в исследовательской статье под названием A Roadmap to Interstellar Flight . «Мы должны радикально переосмыслить нашу стратегию, отказаться от мечты достичь звезд или дождаться технологий, которых не существует».

Любин получил финансирование от НАСА в прошлом году для изучения возможности использования фотонной лазерной тяги, технологии, которая существует, в качестве новой системы для разгона космических кораблей до релятивистских скоростей, что позволит им путешествовать дальше, чем когда-либо прежде. Проект называется DEEP IN, или Directed Propulsion for Interstellar Exploration, и технология может отправить 100-килограммовый зонд на Марс всего за три дня, если исследовательские модели верны. Гораздо более тяжелый космический корабль с экипажем может достичь красной планеты за месяц — примерно в пять раз меньше, чем прогнозируется для SLS.

Фотонный двигатель работает, стреляя лазерами в отражающий материал, такой как солнечный парус. Хотя у фотонов в лазере нет массы, у них есть энергия и импульс, и они передают небольшое количество кинетической энергии отражающей поверхности, когда отскакивают от нее. В космическом вакууме без трения продолжающееся ускорение гипотетически могло бы разогнать космический корабль примерно до 30 процентов скорости света, таких скоростей мы достигли в парциальных ускорителях. После запуска космического корабля на орбиту с помощью обычной ракеты зонд мог развернуть световой парус, чтобы его поразили мощные лазеры на Земле.

В видео, опубликованном в этом месяце NASA 360, Лабин обсуждает использование технологии фотонных двигателей для путешествий не только на Марс, но и к другим звездам, таким как Альфа Центавра. Если технология на самом деле «полностью масштабируема», как утверждает Лабин в видео, то она может стать ключом к отправке космических кораблей к далеким экзопланетам, чтобы выяснить, пригодны ли они для жизни.

Посмотреть полный пост на Youtube

Повествование Любина в видео было взято из более длинного выступления, которое он произнес на симпозиуме Института передовых концепций НАСА (NIAC) осенью 2015 года.

Конечно, прежде чем фотонную двигательную установку можно будет использовать на космическом корабле, необходимо преодолеть ряд препятствий. Трудно даже представить себе, какая инфраструктура потребуется для того, чтобы излучать с Земли достаточно мощный лазер для приведения в движение 100-килограммового космического корабля, но Любин считает, что мощность, аналогичная запуску космического корабля «Шаттл», от 50 до 100 гигаватт, будет множество. Замедление космического корабля после того, как он достигнет релятивистских скоростей, также кажется серьезной проблемой, и избежать столкновений с обломками может оказаться непросто.

Скорее всего, пройдут десятилетия, прежде чем фотонный двигатель можно будет использовать для космических путешествий, но тот факт, что эта технология, кажется, работает, достаточно интересен, чтобы начать обращать на нее внимание.

h/t Science Alert

Джей Беннетт

Заместитель главного редактора

Джей Беннетт — заместитель главного редактора PopularMechanics.com. Он также писал для Smithsonian, Popular Science и Outside Magazine.

Использование фотонных двигателей и компьютерного зрения для исследования дальнего космоса | Роза Ли

Несколько лет назад я отправился с семьей в поход. Мы катались на байдарках, ловили рыбу и отдыхали, но из всех развлечений я больше всего помню то, что смотрел на ночное небо.

Вдали от всего светового загрязнения я помню, как видел сияние звезд в ночном небе. Это пробудило во мне интерес к изучению того, что находится за пределами матери-Земли. Что там?

От открытия огня до изобретения парового двигателя люди добились значительных успехов в технологии. «Вояджер-1» около 17 миллиарда км от Земли и предоставил ученым так много информации о магнитных полях, космических лучах, заряженных частицах, плазме и т.д. очень часто. Lightsail 1, Lightsail 2 и IKAROS — одни из немногих развернутых солнечных парусов. Несмотря на это, фотонная тяга весьма перспективна, поскольку не требует, чтобы космический корабль доставлял топливо. Фотонная тяга также позволяет космическим кораблям двигаться со скоростью около 10% скорости света. Чтобы представить, насколько это быстро, современные методы движения позволяют космическим кораблям двигаться со скоростью менее 1% скорости света.

Фотонный двигатель обычно используется с солнечными парусами. Это большие, тонкие и отражающие листы полимеров, таких как майлар, которые используют импульс фотонов для движения вперед. Чтобы получить достаточно импульса, солнечные паруса имеют большую площадь поверхности, например. Площадь LightSail 2 составляет 32 м² (размером примерно с футбольное поле).

PLP (фотонный лазерный двигатель) и PTFF (полет с фотонной привязью) также являются методами, использующими импульс фотонов для приведения в движение космического корабля. PLP использует очень мощный лазер, нацеленный на космический корабль. Такая высокая концентрация фотонов позволит космическому кораблю очень быстро разгоняться. PTFF похож на PLP в том, что очень мощный лазер будет направлен на космический корабль, снабжая его высокой концентрацией фотонов, что позволит космическому кораблю разгоняться до очень высоких скоростей. Однако PTFF будет использовать сеть небольших лазеров, которые объединяются в более крупный лазер. Однако для этих методов требуется инфраструктура, которой пока нет.

Солнечными парусами можно управлять, изменяя угол наклона паруса по отношению к солнцу. Это можно сделать с помощью автономной навигации с использованием бортовых атомных часов (обсуждается ниже).

Ключевой мотивацией для разработки автономного программного обеспечения в космосе является задержка связи и пропускная способность.

«Вояджеру-1» требуется 19 часов , чтобы отправить данные на Землю!

НАСА построило атомные часы глубокого космоса , которые позволят космическим кораблям путешествовать намного дальше, поскольку они позволяют космическому кораблю самостоятельно определять, где он находится.

Часы и атомные часы отсчитывают время схожим образом, однако атомные часы намного точнее и устойчивее к факторам внешней среды. Оба определяют, сколько времени прошло, посылая электрический импульс через кварцевый кристалл. Кристалл будет вибрировать с постоянной частотой, и количество прошедших секунд определяется частотой света, испускаемого молекулами кварца. Поскольку все кварцы излучают свет с одинаковой частотой, этот метод является точным способом определения времени. Большинство атомных часов имеют дополнительную функцию, при которой атомы цезия возбуждаются светом, излучаемым молекулами кварца. Атомы цезия попадут в детектор. Если со светом, излучаемым кристаллом кварца, что-то не так, атомы цезия перестанут попадать на детектор.

Часы почувствуют, что это проблема, и подстроят электрические импульсы до тех пор, пока атомы цезия не начнут попадать в детектор. Атомные часы глубокого космоса заменили цезий ртутью.

https://www.youtube.com/watch?v=l8CI3bs9rvY

Ранее запущенные дальние космические корабли используют большие антенны на Земле для отправки сигналов космическим кораблям, которые затем отправляют эти сигналы обратно на Землю. Атомные часы на Земле измеряют, сколько времени требуется сигналу, чтобы пройти это двустороннее путешествие. Затем навигаторы на Земле используют большие антенны, чтобы сообщать космическому кораблю его местоположение и направление, в котором он должен двигаться.

НАСА осознало, что, если люди будут путешествовать дальше в космосе, потребуется внедрить более эффективный метод навигации. Атомные часы глубокого космоса устранят необходимость в двустороннем сигнале. Он получит сигнал с Земли и сразу сможет определить свое местоположение и куда ему следует двигаться дальше.