Fotonový motor

Fotonový motor  – hypotetický raketový motor , kde zdrojem energie je těleso vyzařující světlo . Foton má impuls , a proto, když proudí z motoru , světlo vytváří proudový tah . Teoreticky může fotonový motor vyvinout maximální možný tah pro proudový motor, pokud jde o vynaloženou hmotnost kosmické lodi, což vám umožní dosáhnout rychlosti blízké rychlosti světla , ale praktický vývoj takových motorů je zjevně záležitostí. vzdálené budoucnosti.

Anihilační fotonový motor

Nejčastěji diskutovanou a zmiňovanou myšlenkou ve sci-fi literatuře je myšlenka postavit takový motor pomocí antihmoty . Nadšenci věří, že interakce hmoty a antihmoty umožňuje přeměnit téměř veškerou hmotu, která vstupuje do reakcí, na záření .

Pro fotonovou raketu s rychlostí výfuku má Ciolkovského formule tvar:

Rychlost fotonové rakety se vypočítá podle vzorce:

Nicméně je třeba poznamenat, že formulace běžná v literatuře „ při anihilaci se uvolňují gama kvanta “ je v zásadě fyzikálně nesprávná. Gama záření je přímo emitováno pouze při anihilaci elektron-pozitron [ 1] . V případě anihilace klidového (nerelativistického) páru proton-antiproton dochází ke složité řetězové reakci: vytvoření (často) hadronového mezoatomu s dobou života asi 10 −27 sekund, poté rozpad tohoto atomu ( vlastní anihilace ) s tvorbou pionového komplexu skládajícího se z 2-12 (průměrně 5-7) neutrálních (1/3) a nabitých (2/3) pi-mezonů (pionů), následně za čas asi 10 − Za 17 sekund se neutrální piony rozpadají s uvolněním gama kvant s energetickým vrcholem ve spektru asi 70 MeV, zatímco nabité piony, které mají mnohem delší životnost, až ~1,5 × 10 −4 sekund, jsou odstraněny v blízkosti rychlosti světla z reakční oblasti (ve vakuu a zředěné látce, například grafit  - asi 0,1-0,2 m) a poté se rozpadají za vzniku mionů, které se zase rozpadají (hlavně 99,998%, rozpadový kanál) na neutrina a elektrony .

Při anihilaci antihmoty  - tedy látky skládající se z antiprotonů a pozitronů se tedy přibližně 1/3 energie uvolní ve formě tvrdého záření gama s energií fotonu 511 keV (z anihilace pozitron-elektron ) a 70 MeV z rozpadu neutrálních pionů, ~ 1/3 energie je ve formě nabitých částic s dostatečně dlouhým dosahem a ~ 1/3 je ve formě neutrin , to znamená, že bude nenávratně ztracena . A „skutečný“ antihmotový raketový motor by měl vypadat spíše jako magnetická past na nabité částice, a ne jako jakési „zrcadlo“.

S takto nízkou návratností hmoty, asi 23 % [2] , se provoz fotonového motoru stává méně ziskovým. Výrazně zvýšit jeho efektivitu umožňuje využití externích zdrojů . Anihilační fotonový motor s přímým prouděním a magnetické pasti , které shromažďují vodík a helium rozptýlené v mezihvězdném prostředí , umožňují výrazně snížit zásoby pracovní látky. Bohužel množství antihmoty v mezihvězdném prostředí je velmi malé – řádově jeden atom antivodíku nebo antihelia na 5 × 10 6 atomů běžného vodíku, což znemožňuje využití tohoto externího zdroje. Proto problém získání velké hmoty antihmoty a jejího uložení na palubě zůstává relevantní pro anihilační fotonový motor s přímým tokem. [3]

Technické problémy

V současném stavu je myšlenka fotonického proudového motoru velmi vzdálená technické realizaci. Obsahuje řadu problémů, které nyní nelze řešit ani teoreticky. To:

1. Problém získávání velkého množství antihmoty .
2. problém se skladováním.
3. Problém plného využití při „spalování“ je v tom, aby došlo k úplné anihilaci a hlavně uvolněním přesně fotonů .
4. Problém vytvoření "zrcadla" schopného velmi dobře odrážet gama záření a další produkty anihilace.

Fotonový motor na magnetických monopólech

Pokud jsou platné některé varianty Velkých sjednocených teorií , jako je 't Hooft-Polyakovův model , pak je možné sestavit fotonový motor, který nepoužívá antihmotu, protože magnetický monopól může hypoteticky katalyzovat rozpad protonu [4 ] [5] na pozitron a mezon π 0 :

π 0 se rychle rozpadne na 2 fotony a pozitron anihiluje s elektronem, v důsledku toho se atom vodíku změní na 4 fotony a nevyřešen zůstává pouze problém zrcadlení.

Ve většině moderních teorií Velkého sjednocení přitom magnetické monopóly chybí, což tuto atraktivní myšlenku zpochybňuje.

Zmínky ve sci-fi

• Román Olafa Stapledona Last and First Men (1930) poskytuje světově první podrobný a vědecky věrohodný popis vesmírné lodi poháněné anihilací.
• V sovětských filmech „ Moskva – Cassiopeia “ a „ Mládež ve vesmíru “ se hlavní hrdinové vydávají do hvězdného systému Alfa Cassiopeia na vesmírné lodi ZARYA (Starship Annihilation Relativistic Nuclear), zjevně využívající jako zdroj energie rozpad protonů, protože jinak kosmická loď nemůže být současně anihilací a jadernou zbraní.
• V sérii Star Trek využívají palubní energetické systémy hvězdných lodí Federace a mnoha dalších hvězdných a galaktických mocností antihmotu jako nosič energie, ale hlavní pohonné systémy hvězdných lodí nejsou fotonické.
• V románu Ivana Efremova „ Mlhovina Andromeda “ využívají pozemské vesmírné lodě fantastickou látku anameson „ s zničenými mezonovými vazbami atomových jader, která má výtok blízko rychlosti světla “ [6] . V románu Hour of the Ox používají pozemšťané pokročilejší hvězdné lodě s přímým paprskem, jejichž princip fungování vycházel z práce Ren Bose a výzkumu lodi obyvatel mlhoviny Andromeda nalezené pozemšťany.
• V dílech „ Nepřemožitelný “ a „ Fiasko “ od Stanisława Lema létá vesmírná loď na fotonový pohon.
• V příběhu V. Michajlova „A Stream on Iapetus“ (1971) využívá kosmická loď Blue Bird fotonový pohon.
• V dílech bratří Strugackých (viz Khius , Země karmínových mraků ).
• V díle Bernarda Werbera "Star Butterfly".
• V počítačové hře „ Sins of a Solar Empire “ všechna vozidla všech ras využívají antihmotu.
• V počítačové hře " Pěťka 007: Zlato strany " Petka a Vasilij Ivanovič zapnou fotonové motory na lodi, aby mohli letět do vesmíru.
• V knize „Náměsíčník“ (všechny díly) od Alexandra Zoricha létá křižník „Jen“ v podsvětelném režimu na fotonový pohon, v knihách „Tři kapitáni“ a „Hvězdníci“ jsou dvě fotonické hvězdné lodě – „Sunrise“ a „Star“ poslal ze Země na planetu Sylvanas .
• Ve Stopařově průvodci galaxií od Douglase Noela Adamse létá kosmická loď Heart of Gold na „neuvěřitelný pohon“, včetně „normálního fotonového pohonu“.
• V písni „Tau Whale“ od Vladimira Vysockého cestuje astronaut na vesmírné lodi, která má ve svém designu reflektor a pohybuje se „podél světelného paprsku“.
• V sérii prací Andrey Livadny "Expanze: Historie galaxie" jsou fotony poháněné lodě s charakteristickou "fotonovou odraznou mísou" ve svém designu opakovaně zmiňovány a jsou považovány za zastaralé.

Fotonový pohon ve skutečnosti

Podle jedné z hypotéz je anomální zrychlení sond Pioneer-10 a Pioneer-11 způsobeno anizotropií tepelného záření sondy. Pokud ano, pak se tímto způsobem zafixuje efekt podobný fotonovému motoru. Obdobně při určování parametrů gravitačního pole Země z trajektorií geofyzikálních družic LAGEOS se do výpočtů započítává tlak slunečního záření ( sluneční plachta ) a anizotropie tepelného záření družic.

Viz také

• solární plachta

Poznámky

1. ↑ Pokud není brána v úvahu slabá interakce. Vezmeme-li to v úvahu, nebudou existovat pouze gama kvanta. Miony a tau mohou také anihilovat přímo do gama paprsků .
2. ↑ V. Burdakov, Yu.Danilov - Rakety budoucnosti. — M.: Atomizdat , 1980. s. 138.
3. ↑ V. Burdakov, Yu.Danilov - Rakety budoucnosti. — M.: Atomizdat , 1980. s. 137-145.
4. ↑ Curtis G. Callan, Jr. Dynamika Dyon-fermion  (anglicky)  // Phys. Rev. D  : deník. - 1982. - Sv. 26 , č. 8 . - S. 2058-2068 . - doi : 10.1103/PhysRevD.26.2058 .
5. ↑ BV Sreekantan. Hledání protonového rozpadu a supertěžkých magnetických monopolů  //  Journal of Astrophysics and Astronomy : deník. - 1984. - Sv. 5 . - str. 251-271 . - doi : 10.1007/BF02714542 . - . Archivováno z originálu 24. září 2015.
6. ↑ I. A. Efremov „The Andromeda Nebula“ Archivní kopie ze dne 23. března 2012 na Wayback Machine .

Odkazy