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.
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