Os motores de foguetes modernos fazem um bom trabalho ao colocar a tecnologia em órbita, mas são completamente inadequados para longas viagens espaciais. Portanto, por mais de uma dúzia de anos, os cientistas têm trabalhado na criação de motores espaciais alternativos que poderiam acelerar as naves a velocidades recordes. Vamos dar uma olhada em sete ideias-chave dessa área.
EmDrive
Para se mover, você precisa empurrar algo - esta regra é considerada um dos pilares inabaláveis da física e da astronáutica. O que exatamente começar - da terra, da água, do ar ou de um jato de gás, como no caso dos motores de foguete - não é tão importante.
Um experimento de pensamento bem conhecido: imagine que um astronauta foi ao espaço sideral, mas o cabo que o conectava à espaçonave quebrou repentinamente e a pessoa começou a voar lentamente para longe. Tudo o que ele tem é uma caixa de ferramentas. Quais são suas ações? Resposta correta: ele precisa jogar as ferramentas para longe do navio. De acordo com a lei de conservação do momento, a pessoa será atirada para longe do instrumento exatamente com a mesma força que o instrumento da pessoa, de modo que gradualmente se moverá em direção ao navio. Este é o impulso a jato - a única maneira possível de se mover no espaço vazio. É verdade que o EmDrive, como mostram os experimentos, tem algumas chances de refutar essa afirmação inabalável.
O criador deste motor é o engenheiro britânico Roger Shaer, que fundou sua própria empresa Satellite Propulsion Research em 2001. O design do EmDrive é bastante extravagante e tem o formato de um balde de metal, vedado nas duas extremidades. Dentro desse balde está um magnetron que emite ondas eletromagnéticas - as mesmas de um microondas convencional. E acaba sendo o suficiente para criar um impulso muito pequeno, mas bastante perceptível.
O próprio autor explica o funcionamento de seu motor através da diferença de pressão da radiação eletromagnética nas diferentes extremidades do "balde" - na extremidade estreita é menor do que na larga. Isso cria um impulso direcionado para a extremidade estreita. A possibilidade de tal operação do motor foi desafiada mais de uma vez, mas em todos os experimentos, a instalação Shaer mostra a presença de impulso na direção pretendida.
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Os experimentadores que testaram o balde de Shaer incluem organizações como a NASA, a Universidade Técnica de Dresden e a Academia Chinesa de Ciências. A invenção foi testada em uma variedade de condições, inclusive no vácuo, onde mostrou a presença de um impulso de 20 micronewtons.
Isso é muito pouco em relação aos motores a jato químico. Mas, dado que o motor Shaer pode funcionar o tempo que você quiser, já que não precisa de combustível (baterias solares podem fornecer o magnetron para funcionar), ele é potencialmente capaz de acelerar a espaçonave a velocidades tremendas, medidas como uma porcentagem da velocidade da luz.
Para comprovar plenamente o desempenho do motor, é necessário realizar muito mais medições e eliminar os efeitos colaterais que podem ser gerados, por exemplo, por campos magnéticos externos. No entanto, possíveis explicações alternativas para o impulso anormal do motor Shaer já estão sendo apresentadas, o que, em geral, viola as leis usuais da física.
Por exemplo, estão sendo apresentadas versões de que o motor pode criar impulso devido à sua interação com um vácuo físico, que no nível quântico tem energia diferente de zero e é preenchido com partículas elementares virtuais que emergem e desaparecem constantemente. Quem estará certo no final - os autores desta teoria, o próprio Shaer ou outros céticos, descobriremos em um futuro próximo.
Vela solar
Conforme mencionado acima, a radiação eletromagnética exerce pressão. Isso significa que, em teoria, ele pode ser convertido em movimento - por exemplo, com a ajuda de uma vela. Assim como os navios dos séculos passados pegaram o vento em suas velas, a espaçonave do futuro pegaria o sol ou qualquer outra luz estelar em suas velas.
O problema, entretanto, é que a pressão da luz é extremamente pequena e diminui com o aumento da distância da fonte. Portanto, para ser eficaz, essa vela deve ser muito leve e muito grande. E isso aumenta o risco de destruição de toda a estrutura ao encontrar um asteróide ou outro objeto.
Já houve tentativas de construir e lançar veleiros solares ao espaço - em 1993, a Rússia testou uma vela solar na espaçonave Progress e, em 2010, o Japão realizou testes bem-sucedidos em seu caminho para Vênus. Mas nenhum navio jamais usou a vela como sua principal fonte de aceleração. Outro projeto, uma vela elétrica, parece um pouco mais promissor a esse respeito.
Vela eletrica
O sol emite não apenas fótons, mas também partículas de matéria carregadas eletricamente: elétrons, prótons e íons. Todos eles formam o chamado vento solar, que carrega da superfície do Sol cerca de um milhão de toneladas de matéria a cada segundo.
O vento solar se espalha por bilhões de quilômetros e é responsável por alguns fenômenos naturais em nosso planeta: tempestades geomagnéticas e as luzes do norte. A Terra é protegida do vento solar por seu próprio campo magnético.
O vento solar, assim como o vento aéreo, é bastante adequado para viagens, basta fazê-lo soprar nas velas. O projeto da vela elétrica, criado em 2006 pelo cientista finlandês Pekka Janhunen, externamente tem pouco em comum com o solar. Este motor consiste em vários cabos longos e finos, semelhantes aos raios de uma roda sem aro.
Graças ao canhão de elétrons que emite contra a direção de viagem, esses cabos adquirem um potencial carregado positivo. Como a massa de um elétron é cerca de 1800 vezes menor que a massa de um próton, o impulso criado pelos elétrons não terá um papel fundamental. Os elétrons do vento solar não são importantes para tal vela. Mas as partículas com carga positiva - prótons e radiação alfa - serão repelidas das cordas, criando assim o impulso do jato.
Embora esse empuxo seja cerca de 200 vezes menor do que o de uma vela solar, a Agência Espacial Europeia está interessada no projeto. O fato é que uma vela elétrica é muito mais fácil de projetar, fabricar, implantar e operar no espaço. Além disso, usando a gravidade, a vela também permite que você viaje até a fonte do vento estelar, e não apenas para longe dele. E como a área de superfície de tal vela é muito menor do que a de uma vela solar, ela é muito menos vulnerável a asteróides e detritos espaciais. Talvez veremos os primeiros navios experimentais em uma vela elétrica nos próximos anos.
Motor iônico
O fluxo de partículas carregadas de matéria, ou seja, íons, é emitido não apenas por estrelas. O gás ionizado também pode ser criado artificialmente. Normalmente, as partículas de gás são eletricamente neutras, mas quando seus átomos ou moléculas perdem elétrons, eles se transformam em íons. Em sua massa total, esse gás ainda não tem carga elétrica, mas suas partículas individuais ficam carregadas, o que significa que podem se mover em um campo magnético.
Em um motor iônico, um gás inerte (geralmente xenônio) é ionizado por um fluxo de elétrons de alta energia. Eles retiram elétrons dos átomos e adquirem uma carga positiva. Além disso, os íons resultantes são acelerados em um campo eletrostático a velocidades da ordem de 200 km / s, que é 50 vezes maior do que a taxa de saída de gás de motores a jato químicos. No entanto, os propulsores iônicos modernos têm um impulso muito pequeno - cerca de 50-100 millinewtons. Esse motor nem seria capaz de sair da mesa. Mas ele tem uma vantagem séria.
Um grande impulso específico pode reduzir significativamente o consumo de combustível no motor. A energia obtida das baterias solares é usada para ionizar o gás, de modo que o motor iônico é capaz de funcionar por muito tempo - até três anos sem interrupção. Por esse período, ele terá tempo de acelerar a espaçonave a velocidades que os motores químicos nunca sonharam.
Os motores iônicos têm varado repetidamente a vastidão do sistema solar como parte de várias missões, mas geralmente como auxiliares, e não principais. Hoje, como uma possível alternativa aos propulsores de íons, eles estão cada vez mais falando sobre propulsores de plasma.
Motor de plasma
Se o grau de ionização dos átomos se torna alto (cerca de 99%), esse estado agregado da matéria é chamado de plasma. O estado de plasma pode ser alcançado apenas em altas temperaturas, portanto, o gás ionizado é aquecido até vários milhões de graus em motores de plasma. O aquecimento é realizado por meio de uma fonte externa de energia - painéis solares ou, mais realisticamente, um pequeno reator nuclear.
O plasma quente é então ejetado através do bocal do foguete, criando um impulso dezenas de vezes maior do que o de um propulsor de íons. Um exemplo de motor de plasma é o projeto VASIMR, que vem se desenvolvendo desde a década de 70 do século passado. Ao contrário dos propulsores de íons, os propulsores de plasma ainda não foram testados no espaço, mas grandes esperanças estão depositadas neles. É o motor de plasma VASIMR um dos principais candidatos para voos tripulados a Marte.
Motor de fusão
As pessoas vêm tentando domar a energia da fusão termonuclear desde meados do século XX, mas até agora não foram capazes de fazer isso. No entanto, a fusão termonuclear controlada ainda é muito atrativa, pois é uma fonte de enorme energia obtida de um combustível muito barato - isótopos de hélio e hidrogênio.
No momento, existem vários projetos para o desenho de um motor a jato sobre a energia de fusão termonuclear. O mais promissor deles é considerado um modelo baseado em um reator com confinamento de plasma magnético. Um reator termonuclear em tal motor será uma câmara cilíndrica não pressurizada de 100-300 metros de comprimento e 1-3 metros de diâmetro. A câmara deve ser abastecida com combustível na forma de plasma de alta temperatura, que, sob pressão suficiente, entra em uma reação de fusão nuclear. As bobinas do sistema magnético localizadas ao redor da câmara devem impedir que o plasma entre em contato com o equipamento.
A zona de reação termonuclear está localizada ao longo do eixo desse cilindro. Com a ajuda de campos magnéticos, plasma extremamente quente flui pelo bocal do reator, criando um impulso tremendo, muitas vezes maior do que o de motores químicos.
Motor de antimatéria
Toda a matéria ao nosso redor consiste em férmions - partículas elementares com spin meio inteiro. São, por exemplo, quarks que formam prótons e nêutrons em núcleos atômicos, bem como elétrons. Além disso, cada fermion possui sua própria antipartícula. Para um elétron, este é um pósitron, para um quark - um antiquark.
As antipartículas têm a mesma massa e o mesmo spin que seus "camaradas" usuais, diferindo no sinal de todos os outros parâmetros quânticos. Em teoria, as antipartículas são capazes de formar antimatéria, mas até agora em nenhum lugar do Universo a antimatéria foi registrada. Para a ciência básica, a grande questão é por que ela não existe.
Mas em condições de laboratório, você pode obter um pouco de antimatéria. Por exemplo, um experimento foi conduzido recentemente comparando as propriedades de prótons e antiprótons que eram armazenados em uma armadilha magnética.
Quando a antimatéria e a matéria comum se encontram, ocorre um processo de aniquilação mútua, acompanhado por uma explosão de energia colossal. Então, se você pegar um quilograma de matéria e antimatéria, a quantidade de energia liberada quando eles se encontrarem será comparável à explosão da Bomba do Czar - a bomba de hidrogênio mais poderosa da história da humanidade.
Além disso, parte significativa da energia será liberada na forma de fótons de radiação eletromagnética. Assim, existe o desejo de usar essa energia para viagens espaciais, criando um motor de fótons, semelhante a uma vela solar, só que neste caso a luz será gerada por uma fonte interna.
Mas, para usar efetivamente a radiação em um motor a jato, é necessário resolver o problema de criar um "espelho" que pudesse refletir esses fótons. Afinal, o navio deve de alguma forma empurrar para criar impulso.
Nenhum material moderno simplesmente não pode suportar a radiação gerada no caso de tal explosão e irá evaporar instantaneamente. Em seus romances de ficção científica, os irmãos Strugatsky resolveram esse problema criando um "refletor absoluto". Na vida real, nada parecido com isso ainda foi feito. Essa tarefa, como as questões de criação de uma grande quantidade de antimatéria e seu armazenamento de longo prazo, é um assunto para a física do futuro.
