На протяжении десятилетий единственным средством передвижения в космосе были ракетные двигатели, работающие на химическом топливе. Теперь, в начале 21-го века, аэрокосмические инженеры разрабатывают новаторские способы доставить нас к звездам, в том числе световые двигатели, двигатели на основе ядерного синтеза и двигатели на антивеществе. Также предлагается новый тип космического корабля, в котором отсутствует топливо. Этот тип космического корабля, который будет перемещаться в космосе с помощью электромагнитов, может унести нас дальше, чем любой из этих других методов.
При охлаждении до чрезвычайно низких температур электромагниты демонстрируют необычное поведение: в течение первых нескольких наносекунд после подачи на них электричества они вибрируют. Дэвид Гудвин, руководитель программы Университета США. С. Управление высоких энергий и ядерной физики Министерства энергетики предполагает, что если эту вибрацию можно сдержать в одном направлении, она может обеспечить достаточный толчок, чтобы отправить космический корабль дальше и быстрее в космос, чем любой другой разрабатываемый метод движения.
Гудвина пригласили представить свою идею на конференции Joint Propulsion Conference 8 июля 2001 года в Солт-Лейк-Сити, штат Юта. В этом выпускеHow Stuff Will Work вы узнаете, как работает электромагнитная двигательная установка Гудвина и как она может отправить космический корабль глубоко в космос.
Взрыв в космос
Министерство энергетики США (DOE), как правило, не занимается разработкой двигательных установок для НАСА, но оно постоянно работает над улучшенными сверхпроводящими магнитами и очень быстрыми, мощнымитвердотельными Switch В середине 1990-х Гудвин возглавлял сессию в рамках проекта НАСА «Прорыв в физике движения», который работает над созданием двигательных установок без топлива, использующих систему с очень высокой энергией и способных в конечном итоге преодолеть инерцию.
«Казалось, что должен быть какой-то способ использовать эту технологию, которую [ученые Министерства энергетики США] разрабатывали, чтобы помочь НАСА достичь своих целей, и в основном это возникло из этого», - сказал Гудвин. Из исследований Министерства энергетики возникла идея Гудвина относительно космической двигательной установки, в которой используются переохлажденные сверхпроводящие магниты, вибрирующие 400 000 раз в секунду. Если бы этот быстрый импульс можно было направить в одном направлении, он мог бы создать очень эффективную космическую двигательную установку, способную развивать скорость порядка доли 1 процента от скорости света.
В течение первых 100 наносекунд (миллиардных долей секунды) электромагнита разгоняется, электромагнит находится внестационарном состоянии, что позволяет ему пульсировать очень быстро. После того, как оно нарастает, магнитное поле достигает устойчивого состояния, и пульсации не возникают. Гудвин описывает электромагнит, который он использует, каксоленоид, который представляет собой сверхпроводящий магнитный провод, намотанный на металлический цилиндр. Вся конструкция будет иметь диаметр 1 фут (30,5 см), высоту 3 фута (91,4 см) и вес 55,12 фунта (25 кг). Проволока, используемая для этой двигательной установки, представляет собойсплав ниобия и олова Несколько прядей проволоки будут свернуты в трос. Затем этот электромагнит переохлаждается жидким гелием до 4 градусов Кельвина (-452,47 F / -269,15 C).
Чтобы магнит вибрировал, нужно вызвать асимметрию в магнитном поле. Гудвин планирует намеренно ввестиметаллическую пластинув магнитное поле, чтобы усилить вибрационное движение. Эта пластина может быть изготовлена из меди, алюминия или железа. Алюминиевые и медные пластины являются лучшими проводниками и сильнее влияют на магнитное поле. Пластина должна быть заряжена и изолирована от системы, чтобы создатьасимметрию Затем пластина будет разряжаться за несколько микросекунд (миллионных долей секунды), прежде чем магниту будет позволено колебаться. в противоположном направлении.
" Теперь загвоздка в том, можем ли мы использовать это нестационарное состояние таким образом, чтобы оно двигалось только в одном направлении?" - сказал Гудвин. «И именно здесь очень сомнительно, что это можно сделать. Вот почему мы хотели бы провести эксперимент, чтобы выяснить это». В сотрудничестве с Boeing Гудвин ищет финансирование у НАСА для проведения такого эксперимента.
Ключом к системе являетсятвердотельный переключатель, который будет передавать электричество от источника питания к электромагниту. Этот переключатель в основном включает и выключает электромагнит 400 000 раз в секунду. Твердотельный переключатель выглядит как огромный компьютерный чип - представьте себе микропроцессор размером с хоккейную шайбу. Его работа состоит в том, чтобы взять установившуюся мощность и преобразовать ее в очень быстрый мощный импульс 400 000 раз в секунду при 30 амперах и 9 000 вольт.
В следующем разделе вы узнаете, откуда система черпает энергию и как она может отправлять будущие космические корабли за пределы нашей Солнечной системы.
За пределами нашей Солнечной системы
Министерство энергетики США также работает над планами ядерного космического реактора для НАСА. Гудвин считает, что этот реактор можно использовать для питания электромагнитной двигательной установки. Министерство энергетики работает над получением финансирования от НАСА, и к 2006 году может быть готов 300-киловаттный реактор. Силовая установка будет настроена на преобразование тепловой энергии, вырабатываемой реактором, в электрическую.
" Для дальнего космоса, Марса и не только, вам в значительной степени нужно стать ядерным, если вы собираетесь перемещать какую-либо массу", - сказал Гудвин.
Реактор будет генерировать энергию в процессе индуцированного ядерного деления, при котором энергия вырабатывается за счет расщепления атомов (например, атомов урана-235). Когда один атом распадается, он выделяет большое количество тепла и гамма-излучения. Один фунт (0,45 кг) высокообогащенного урана, такого как тот, который используется для питания атомной подводной лодки или атомного авианосца, равен примерно 1 миллиону галлонов (3.8 млн литров) бензина. Один фунт урана имеет размер всего лишь бейсбольный мяч, поэтому он может питать космический корабль в течение длительного периода времени, не занимая в нем много места. Этот тип космического корабля с ядерным двигателем и электромагнитным двигателем сможет преодолевать невероятно большие расстояния.
Тепловая энергия ядерного реактора может быть преобразована в электричество для питания космического корабля
«Вы не можете добраться до ближайшей звезды, но вы можете посмотреть на миссии к гелиопаузе», - сказал Гудвин. «Если бы он работал очень хорошо, он мог бы развивать скорость в доли процента от скорости света. Даже при этом потребовались бы сотни лет, чтобы достичь ближайшей звезды, что все еще нецелесообразно».
гелиопауза- это точка, в которой солнечный ветер от Солнца встречается с межзвездным солнечным ветром, создаваемым другими звездами. Находится примерно в 200астрономических единицах (а.е.) от Солнца (точное местонахождение гелиопаузы неизвестно). Одна а.е. равна среднему расстоянию от Солнца до Земли, или около 93 миллионов миль (150 миллионов км). Для сравнения, Плутон находится на расстоянии 39,53 а.е. от Солнца.
Чтобы перемещать людей, нужно было бы построить гораздо более крупное устройство, но электромагнитное поле диаметром 1 фут и высотой 3 фута могло бы толкать небольшие беспилотные космические корабли, такие как межзвездный зонд, на очень большие расстояния. По словам Гудвина, система очень эффективна и пропускает много энергии через сверхпроводник. Вопрос в том, смогут ли ученые преобразовать эту мощность в движение, не разрушая магнит. Быстрая вибрация, вероятно, довела бы магнит до предела своей силы.
Скептики такой системы говорят, что Гудвин только и сделает, что заставит магнит очень быстро вибрировать, но это никуда не денется. Гудвин признает, что пока нет доказательств того, что его силовая установка будет работать. «Это в высшей степени спекулятивно, и в мои самые дико оптимистичные дни я думаю, что есть один шанс из 10, что это может сработать», - сказал Гудвин. Конечно, 100 лет назад люди верили, что у нас еще меньше шансов когда-либо попасть в космос.