;
Кейсы 25 февраля 2022

Лазерная катапульта: двигатель, который поможет долететь до Марса, Альфа Центавры и преодолеть вакуум

Далее

Ученые из Канады придумали концепцию лазера, нагревающего водородную плазму в камере позади космического аппарата. Так создается тяга, которой будет достаточно, чтобы аппарат долетел до Марса за полтора месяца. «Хайтек» разбирается, как она работает и какие альтернативные установки придумали ученые.

С помощью лазерного двигателя можно со скоростью 17 км/с долететь до Марса или еще дальше — прямо на границу Солнечной системы.

Как можно разогнать космический аппарат с помощью лазера?

  • Световые паруса

Концепция светового паруса — это способ ускорить космические аппараты при помощи принципов давления света: в потоке электромагнитных волн передается энергия и импульс. Это значит, что излучение от мощного источника ускорит космический аппарат.

Преимущество в том, что самому устройству для передвижения не нужен источник энергии или реактивная масса, поэтому достичь высокой скорости легче. Исследователи предложили такой подход, как способ передвижения в космосе. Для корректной работы установки лазеру нужен большой диаметр, а лазерной или микроволновой антенне устойчивость, чтобы реагировать на все изменения в движении.

Есть аналогичный способ разгона, который подходит для более крупных конструкций. В нем используется лазерная система и мини-паруса. Их замедляют при помощи лазера, в результате они сталкиваются друг с другом со скоростью ионизации.

Дальше эти столкновения применяют для работы с мощным магнитным полем космического корабля. Это обеспечит силу для его питания и перемещения. Исследователи также предлагают использовать такие установки для увеличения мощности. Но при этом скорость, с которой они сталкиваются, нужно увеличить.

  • Лазерный двигатель с теплообменом

Есть разные конфигурации двигателя с лазером, одна из них — когда лазер используют как источник энергии, чтобы получить импульс для топлива, находящегося в устройстве. В самом аппарате расположен лазерный термодвигатель — он нагревает топливо, чтобы получить энергию.

На ракетах с лазерным двигателем, где используется теплообмен, камеру с жидким топливом нагревают с помощью лазера. В результате образуется тяга. Это похоже на ядерные или солнечные термические двигатели. Если использовать крупногабаритную камеру, то можно не фокусировать оптику космического корабля, а направить лазер прямо на объект. Отмечается, что длина волны лазера не имеет значения.

Чтобы импульс был максимальным, нужно снизить молекулярную массу вещества-реагента и использовать водородное топливо. С помощью него можно достичь желаемого импульса за 600-800 сек. Для наглядности, такой установки в ракете достаточно, чтобы она сделала круг на низкой орбите Земли.

  • Абляционный лазерный двигатель

В этом виде двигателя лазер используется, чтобы воспламенить плазменный факел в металлическом топливе и создать тягу.

Абляция — это процесс, при котором лазерный луч проникает на заданную глубину, поглощается водой и выпаривает ее. Вместе с ней удаляется часть биологической ткани. Абляция происходит при температуре нагрева выше 150 °C.

Во время работы импульсный лазер удаляет вещество с твердой или жидкой поверхности. Оно, в зависимости от ситуации, испаряется, нагревается или превращается в плазму.

Отмечается, что удельный импульс таких малых установок достигает 5 000 с. Благодаря этому она может передвигаться в безвоздушном пространстве.

С какой скоростью будет летать такое устройство?

Согласно расчетам исследователей из Канады, их двигатель на основе теплообмена обеспечивает скорость 17 км/с. Этого достаточно, чтобы добраться до Марса за 45 дней.

Другая группа исследователей рассчитала, что корабль с лазерным двигателем сможет долететь до Альфа Центавры, которая находится в 4,37 световых лет от Земли, со скоростью, составляющей 20% от скорости света или 60 000 км/с.

Согласно расчетам исследователей из Канады, их двигатель на основе теплообмена обеспечивает скорость 17 км/с

В чем плюсы лазерного двигателя?

Такой двигатель работает эффективнее того, что использует химическую тягу. Последний преодолеет расстояние до Марса за 6 месяцев, а не за 45 дней. Также с помощью лазерного двигателя можно летать и на более далекие расстояния, например, на дальние рубежи Солнечной системы и за ее пределы.

Благодаря тому, что лазерный двигатель обеспечивает большую скорость полета, он поможет свести к минимуму воздействие галактических космических лучей и солнечных бурь.

В чем минусы лазерного двигателя?

Исследователи до сих пор не придумали, как обеспечить торможение и посадку аппарата. Размещение полезной нагрузки на 150-километровой орбите вокруг Марса — это сложная задача для инженерной команды.

Это сложно, потому что полезная нагрузка не может содержать химическое топливо для ее замедления — необходимое топливо уменьшило бы массу полезной нагрузки на менее чем 6% от первоначальных 1 000 кг. И до тех пор, пока люди на Красной планете не построят эквивалентную лазерную решетку для приближающегося корабля, чтобы использовать его отражатель и плазменную камеру для обеспечения обратной тяги, аэрозахват — это единственный способ замедлить устройство. Тем не менее даже аэрозахват в атмосфере Марса организовывать рискованно.

Эммануэль Дюплей, ведущий автор исследования, где описан лазерный двигатель, который доберется на Марс за 45 дней считает, что первые люди попадут на Красную планету не с помощью технологии лазерно-теплового двигателя.

«Но по мере того, как все больше людей будут путешествовать на Марс для поддержания долгосрочной колонии, нам понадобятся двигательные установки, которые доставят нас туда быстрее — хотя бы для того, чтобы избежать влияния радиации», — говорит Дюплей. Он предполагает, что лазерно-тепловая миссия на Марс может начаться через 10 лет после первых полетов человека, так что, возможно, примерно в 2040 году.


Исследователи рассматривают перспективы лазерных двигателей, несмотря на то, что с ними есть еще много нерешенных проблем и вопросов. Направление актуально и в России, «Энергомаш» организовал первое испытание лазерного зажигания для кислородно-водородного двигателя. Во время тестирования исследователи три раза включили экспериментальную лазерную установку — с ее помощью топливо подожгли внутри камеры сгорания.

Читать далее:

Активность умирающего мозга впервые записали: это похоже на сон или углубленную медитацию

Из тающих льдов Гренландии образовалась крупнейшая в мире плотина

Появилась батарея размером с крупицу соли. Она может питать устройства 10 часов