Mesin roket modern melakukan pekerjaan yang baik dalam menempatkan teknologi ke orbit, tetapi mereka sama sekali tidak cocok untuk perjalanan ruang angkasa yang panjang. Oleh karena itu, selama lebih dari belasan tahun, para ilmuwan telah bekerja untuk menciptakan mesin ruang angkasa alternatif yang dapat mempercepat kapal untuk mencatat kecepatan. Mari kita lihat tujuh gagasan utama dari bidang ini.
EmDrive
Untuk bergerak, Anda harus mendorong sesuatu - aturan ini dianggap sebagai salah satu pilar fisika dan astronautika yang tak tergoyahkan. Apa sebenarnya yang memulai - dari bumi, air, udara atau semburan gas, seperti dalam kasus mesin roket - tidak begitu penting.
Eksperimen pemikiran yang terkenal: bayangkan seorang astronot pergi ke luar angkasa, tetapi kabel yang menghubungkannya ke pesawat ruang angkasa tiba-tiba putus dan orang tersebut mulai terbang perlahan. Yang dia punya hanyalah kotak peralatan. Apa tindakannya? Jawaban yang benar: dia perlu membuang peralatan dari kapal. Menurut hukum kekekalan momentum, orang tersebut akan terlempar dari instrumen dengan kekuatan yang sama persis dengan instrumen dari orang tersebut, sehingga secara bertahap ia akan bergerak menuju kapal. Ini adalah dorongan jet - satu-satunya cara yang mungkin untuk bergerak di ruang kosong. Benar, EmDrive, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen, memiliki beberapa peluang untuk menyangkal pernyataan yang tidak tergoyahkan ini.
Pencipta mesin ini adalah insinyur Inggris Roger Shaer, yang mendirikan perusahaannya sendiri Satellite Propulsion Research pada tahun 2001. Desain EmDrive cukup mewah dan berbentuk ember logam, disegel di kedua ujungnya. Di dalam ember ini ada magnetron yang memancarkan gelombang elektromagnetik - sama seperti di microwave konvensional. Dan ternyata itu cukup untuk menciptakan daya dorong yang sangat kecil, tetapi cukup mencolok.
Penulis sendiri menjelaskan pengoperasian mesinnya melalui perbedaan tekanan radiasi elektromagnetik di berbagai ujung "ember" - pada ujung sempit lebih kecil daripada di ujung lebar. Ini menciptakan dorongan yang diarahkan ke ujung sempit. Kemungkinan operasi mesin seperti itu telah ditantang lebih dari sekali, tetapi dalam semua percobaan, instalasi Shaer menunjukkan adanya dorongan ke arah yang diinginkan.
Video promosi:
Eksperimen yang telah menguji bucket Shaer termasuk organisasi seperti NASA, Technical University of Dresden, dan Chinese Academy of Sciences. Penemuan ini diuji dalam berbagai kondisi, termasuk dalam ruang hampa, di mana ia menunjukkan adanya daya dorong 20 mikronewton.
Ini sangat sedikit dibandingkan dengan mesin jet kimia. Namun, mengingat bahwa mesin Shaer dapat bekerja selama yang Anda suka, karena tidak memerlukan pasokan bahan bakar (baterai surya dapat menyediakan magnetron untuk bekerja), mesin ini berpotensi mampu mempercepat pesawat ruang angkasa ke kecepatan yang luar biasa, diukur sebagai persentase kecepatan cahaya.
Untuk sepenuhnya membuktikan performa motor, perlu dilakukan lebih banyak lagi pengukuran dan menghilangkan efek samping yang dapat ditimbulkan, misalnya oleh medan magnet eksternal. Namun, penjelasan alternatif yang mungkin untuk dorongan abnormal mesin Shaer sudah dikemukakan, yang, secara umum, melanggar hukum fisika yang biasa.
Misalnya, versi yang dikemukakan bahwa mesin dapat menciptakan gaya dorong karena interaksinya dengan ruang hampa fisik, yang pada tingkat kuantum memiliki energi bukan nol dan diisi dengan partikel elementer virtual yang terus muncul dan menghilang. Siapa yang akan benar pada akhirnya - penulis teori ini, Shaer sendiri atau para skeptis lainnya, akan kita temukan dalam waktu dekat.
Layar surya
Seperti disebutkan di atas, radiasi elektromagnetik memberikan tekanan. Ini berarti bahwa secara teori dapat diubah menjadi gerakan - misalnya, dengan bantuan layar. Sama seperti kapal-kapal pada abad yang lalu menangkap angin di layar mereka, pesawat ruang angkasa masa depan akan menangkap matahari atau cahaya bintang lain di layar mereka.
Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahwa tekanan cahaya sangat kecil dan berkurang dengan bertambahnya jarak dari sumber. Oleh karena itu, agar efektif, layar seperti itu harus sangat ringan dan sangat besar. Dan ini meningkatkan risiko kehancuran seluruh struktur saat bertemu asteroid atau benda lain.
Upaya untuk membangun dan meluncurkan kapal layar surya ke luar angkasa telah dilakukan - pada tahun 1993, Rusia menguji layar surya di pesawat ruang angkasa Progress, dan pada tahun 2010, Jepang melakukan uji coba yang berhasil dalam perjalanan ke Venus. Tetapi tidak ada satu kapal pun yang pernah menggunakan layar sebagai sumber akselerasi utamanya. Proyek lain, layar listrik, terlihat agak lebih menjanjikan dalam hal ini.
Layar listrik
Matahari tidak hanya memancarkan foton, tetapi juga partikel materi yang bermuatan listrik: elektron, proton, dan ion. Semuanya membentuk apa yang disebut angin matahari, yang membawa sekitar satu juta ton materi setiap detik dari permukaan matahari.
Angin matahari menyebar lebih dari milyaran kilometer dan bertanggung jawab atas beberapa fenomena alam di planet kita: badai geomagnetik dan cahaya utara. Bumi dilindungi dari angin matahari oleh medan magnetnya sendiri.
Angin matahari, seperti angin udara, sangat cocok untuk bepergian, Anda hanya perlu meniupnya ke layar. Proyek layar listrik, yang dibuat pada tahun 2006 oleh ilmuwan Finlandia Pekka Janhunen, secara lahiriah memiliki sedikit kesamaan dengan layar surya. Mesin ini terdiri dari beberapa kabel panjang dan tipis, mirip dengan jari-jari roda tanpa pelek.
Berkat senjata elektron yang memancar berlawanan arah perjalanan, kabel-kabel ini memperoleh potensial bermuatan positif. Karena massa elektron sekitar 1800 kali lebih kecil dari massa proton, daya dorong yang diciptakan oleh elektron tidak akan memainkan peran mendasar. Elektron angin matahari tidak penting untuk layar seperti itu. Tapi partikel bermuatan positif - proton dan radiasi alfa - akan ditolak dari tali, sehingga menciptakan gaya dorong jet.
Meskipun daya dorong ini akan menjadi sekitar 200 kali lebih kecil dari pada layar surya, Badan Antariksa Eropa tertarik dengan proyek tersebut. Faktanya adalah bahwa layar listrik jauh lebih mudah untuk dirancang, diproduksi, digunakan, dan dioperasikan di luar angkasa. Selain itu, dengan menggunakan gravitasi, layar juga memungkinkan Anda melakukan perjalanan ke sumber angin bintang, dan tidak hanya menjauh darinya. Dan karena luas permukaan layar semacam itu jauh lebih kecil daripada layar matahari, ia jauh lebih tidak rentan terhadap asteroid dan puing-puing ruang angkasa. Mungkin kita akan melihat kapal percobaan pertama dengan layar listrik dalam beberapa tahun mendatang.
Mesin ion
Aliran partikel materi bermuatan, yaitu ion, dipancarkan tidak hanya oleh bintang. Gas terionisasi juga dapat dibuat secara artifisial. Biasanya, partikel gas netral secara elektrik, tetapi ketika atom atau molekulnya kehilangan elektron, mereka berubah menjadi ion. Dalam massa totalnya, gas semacam itu masih tidak memiliki muatan listrik, tetapi masing-masing partikelnya menjadi bermuatan, yang berarti dapat bergerak dalam medan magnet.
Dalam mesin ion, gas inert (biasanya xenon) diionisasi oleh aliran elektron berenergi tinggi. Mereka menjatuhkan elektron dari atom, dan mereka memperoleh muatan positif. Selanjutnya, ion yang dihasilkan dipercepat dalam medan elektrostatis hingga kecepatan 200 km / s, yang 50 kali lebih besar dari laju aliran gas keluar dari mesin jet kimia. Namun demikian, pendorong ion modern memiliki daya dorong yang sangat kecil - sekitar 50-100 milinewton. Mesin seperti itu bahkan tidak akan bisa bergerak dari meja. Tapi dia punya kelebihan yang serius.
Dorongan spesifik yang besar dapat secara signifikan mengurangi konsumsi bahan bakar di mesin. Energi yang diperoleh dari baterai surya digunakan untuk mengionisasi gas, sehingga mesin ion mampu bekerja dalam waktu yang sangat lama - hingga tiga tahun tanpa gangguan. Untuk periode seperti itu, dia akan punya waktu untuk mempercepat pesawat ruang angkasa dengan kecepatan yang tidak pernah diimpikan oleh mesin kimia.
Mesin ion telah berulang kali memanfaatkan luasnya tata surya sebagai bagian dari berbagai misi, tetapi biasanya sebagai pelengkap, dan bukan misi utama. Saat ini, sebagai alternatif yang mungkin untuk pendorong ion, mereka semakin membicarakan tentang pendorong plasma.
Mesin plasma
Jika derajat ionisasi atom menjadi tinggi (sekitar 99%), maka keadaan agregat materi tersebut disebut plasma. Status plasma hanya dapat dicapai pada suhu tinggi, oleh karena itu, gas terionisasi dipanaskan hingga beberapa juta derajat dalam mesin plasma. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan sumber energi eksternal - panel surya atau, lebih realistisnya, reaktor nuklir kecil.
Plasma panas kemudian dikeluarkan melalui nosel roket, menciptakan daya dorong puluhan kali lebih besar dari pada pendorong ion. Salah satu contoh mesin plasma adalah proyek VASIMR, yang telah berkembang sejak tahun 70-an abad lalu. Tidak seperti pendorong ion, pendorong plasma belum diuji di luar angkasa, namun harapan besar disematkan padanya. Ini adalah mesin plasma VASIMR yang merupakan salah satu kandidat utama untuk penerbangan berawak ke Mars.
Mesin fusi
Orang-orang telah mencoba untuk menjinakkan energi fusi termonuklir sejak pertengahan abad ke-20, tetapi sejauh ini mereka belum mampu melakukannya. Namun demikian, fusi termonuklir terkontrol masih sangat menarik, karena merupakan sumber energi yang sangat besar yang diperoleh dari bahan bakar yang sangat murah - isotop helium dan hidrogen.
Saat ini, terdapat beberapa proyek untuk desain mesin jet pada energi fusi termonuklir. Yang paling menjanjikan dari mereka adalah model berdasarkan reaktor dengan kurungan plasma magnetik. Reaktor termonuklir dalam mesin seperti itu akan menjadi ruang silinder tanpa tekanan dengan panjang 100-300 meter dan diameter 1-3 meter. Ruang tersebut harus disuplai dengan bahan bakar dalam bentuk plasma suhu tinggi, yang, pada tekanan yang cukup, masuk ke dalam reaksi fusi nuklir. Kumparan sistem magnet yang terletak di sekitar ruangan harus mencegah plasma ini bersentuhan dengan peralatan.
Zona reaksi termonuklir terletak di sepanjang sumbu silinder tersebut. Dengan bantuan medan magnet, plasma yang sangat panas mengalir melalui nozel reaktor, menciptakan daya dorong yang luar biasa, berkali-kali lipat lebih besar daripada mesin kimia.
Mesin antimateri
Semua materi di sekitar kita terdiri dari fermion - partikel dasar dengan spin setengah bilangan bulat. Ini adalah, misalnya, kuark yang menyusun proton dan neutron dalam inti atom, serta elektron. Selain itu, setiap fermion memiliki antipartikelnya sendiri. Untuk elektron, ini adalah positron, untuk kuark - antikuark.
Antipartikel memiliki massa yang sama dan putaran yang sama seperti "rekan" mereka yang biasa, berbeda dalam tanda semua parameter kuantum lainnya. Secara teori, antipartikel mampu menyusun antimateri, tetapi sejauh ini tidak ada antimateri di alam semesta yang terdaftar. Untuk sains dasar, pertanyaan besarnya adalah mengapa tidak ada.
Tetapi dalam kondisi laboratorium, Anda bisa mendapatkan antimateri. Sebagai contoh, sebuah percobaan baru-baru ini dilakukan untuk membandingkan sifat proton dan antiproton yang disimpan dalam perangkap magnet.
Ketika antimateri dan materi biasa bertemu, proses saling menghancurkan terjadi, disertai dengan ledakan energi kolosal. Jadi, jika Anda mengambil satu kilogram materi dan antimateri, jumlah energi yang dilepaskan saat bertemu akan sebanding dengan ledakan "Bom Tsar" - bom hidrogen terkuat dalam sejarah umat manusia.
Selain itu, sebagian besar energi akan dilepaskan dalam bentuk foton radiasi elektromagnetik. Oleh karena itu, ada keinginan untuk menggunakan energi ini untuk perjalanan ruang angkasa dengan membuat mesin foton, mirip dengan layar surya, hanya dalam hal ini cahaya akan dihasilkan oleh sumber internal.
Tetapi untuk menggunakan radiasi secara efektif dalam mesin jet, masalah ini perlu diselesaikan dengan membuat "cermin" yang dapat memantulkan foton-foton ini. Bagaimanapun, kapal entah bagaimana harus mendorong untuk menciptakan daya dorong.
Tidak ada bahan modern yang tidak dapat menahan radiasi yang muncul pada saat ledakan seperti itu dan akan langsung menguap. Dalam novel fiksi ilmiah mereka, Strugatsky bersaudara memecahkan masalah ini dengan menciptakan "reflektor absolut". Dalam kehidupan nyata, hal seperti ini belum pernah dilakukan. Tugas ini, seperti masalah pembuatan antimateri dalam jumlah besar dan penyimpanan jangka panjangnya, adalah masalah fisika masa depan.
