Дотянуться до звезд: какой двигатель доставит нас на другие планеты

С момента высадки человека на Луну прошло уже 53 года, а принципы работы ракет почти не изменились. Для полета к другим планетам и звездам этого явно недостаточно. Рассказываем, какие двигатели в будущем позволят нам отправиться в дальний космос.

Homo Science

Что такое дальний космос? 

Дальним или глубоким космосом называют межпланетное, межзвездное и межгалактическое пространство. К понятию «дальний космос» относится все, что находится за пределами геостационарной околоземной орбиты, выше 35,786 км над поверхностью Земли.

Кто и когда собирается исследовать дальний космос?

Роскосмос на ближайшие годы запланировал отправить аппарат «Луна-25». Это станет первой российской миссией к Луне начиная с 1976 года.

Также запланированы полеты к Юпитеру и Венере, например миссия «Венера-Д». Для их реализации Роскосмос совместно с Центром им. Келдыша и Росатомом ведет разработку буксира «Зевс» с ядерной энергетической установкой. Его собираются использовать для доставки аппаратов к Луне, в том числе доставки пилотируемого корабля «Орел».

НАСА также собирается отправить к Луне миссию «Артемида», которая будет состоять из трех этапов. На первом планируется беспилотный полет вокруг Луны. На втором — пилотируемый облет Луны. На третьем — пилотируемый полет на корабле Starship и высадка на Луне. Если эта миссия пройдет успешно, то далее НАСА собирается осуществить подобную миссию к Марсу.

Кроме того, одобрены миссии Veritas к Венере для картирования ее поверхности, DAVINCI+ для исследования атмосферы Венеры, TRIDENT к спутнику Нептуна Тритону для исследования его поверхности и IVO к спутнику Юпитеру Ио.

В чем проблема современных космических двигателей?

Современные космические ракеты-носители используют твердое или жидкое топливо, чтобы достичь достаточной тяги для выхода на околоземную орбиту. 

Такие ракеты невозможно использовать на дальних перелетах, потому что до 90 процентов их массы занимает топливо. По большей части оно тратится во время выхода ракеты на орбиту Земли. Это означает, что ракете попросту не хватит горючего, чтобы доставить космонавтов до точки назначения. Для полета к Луне, например, больше половины топлива ракеты уйдет на преодоление гравитации Земли и на то, чтобы подняться в космос. Получается, на химическом топливе в межзвездный полет никак не отправиться.

Есть ли альтернатива? 

Альтернативы химическим двигателям для преодоления земной гравитации пока нет. Ученые сходятся во мнении, что химические жидкостные двигатели придется использовать для выведения космических аппаратов в космос. А вот для дальнейшего передвижения инженеры разрабатывают новые, более эффективные двигатели — например, плазменные или ионные, которые уже используются на многих спутниках для корректировки орбиты (например, спутники Egyptsat-A или OneWeb).

Что такое плазменный двигатель и чем он хорош?

Плазменный двигатель в качестве топлива использует плазму. Плазма — это электрически нейтральный газ (гелий, неон или ксенон), в котором все положительные и отрицательные заряды от нейтральных атомов, электронов, отрицательно и положительно заряженных ионов сходятся до нуля.

Вместо того чтобы выбрасывать большое количество массы топлива за короткий промежуток времени для создания тяги, такой двигатель в течение гораздо более длительного периода времени (дни, недели или дольше) выбрасывает отдельные атомы со скоростями, в 5–30 раз превышающими скорости традиционных двигателей. Используя такой тип тяги, космический корабль может развить гораздо большие скорости, чем при использовании традиционных химических двигателей.

На сегодняшний день существует несколько разновидностей двигателей, использующих плазму для ускорения. Наиболее развит и давно применяется ионный плазменный двигатель, в котором для ускорения ионов плазмы используется электромагнитное поле. Современные опытные образцы таких аппаратов достигают мощности 100 кВт, но для полетов в дальний космос этого пока недостаточно. Например, для полета на Марс потребуется ионный двигатель мощностью примерно 200 МВт (это в 2,5 раза больше мощности самого большого пассажирского самолета AirBus A380, которая равна примерно 81 МВт).

А эти двигатели уже используются в космосе? 

Да, первые тесты плазменного двигателя, разработанного МИФИ и компанией «Спутникс», подтвердили его работоспособность. Он установлен на борту наноспутника CubeSX-HSE-2 ВШЭ. В Калининграде есть предприятие «ОКБ Факел», где плазменные двигатели разрабатываются с 1970-х годов. Также плазменные двигатели использовались на нескольких космических аппаратах, таких как японский зонд Hayabusa и европейская лунная миссия SMART-1.

Что может сработать кроме плазменных двигателей? 

Солнечный парус — еще одна концепция передвижения по дальнему космосу. По сути это большой отражатель фотонов. Источником энергии для солнечного паруса является Солнце. Как и в случае с обычными парусами и ветром, солнечный свет отражается от большого зеркального паруса, изготовленного из легкого, высокоотражающего материала, создавая таким образом давление на поверхности паруса. А парус, в свою очередь, тянет за собой корабль.

Что не так с концепцией солнечного паруса? 

Недостатком такой технологии является то, что для создания заметного импульса требуется воздействие большого количества фотонов, поэтому необходима большая площадь паруса при минимальной массе движимого объекта.

Солнечному парусу требуется стабильный поток частиц, например от Солнца или любой другой звезды. Получается, чем дальше парус от источника света, тем ниже его тяга. А максимальная скорость паруса и без того гораздо ниже максимальной скорости космического аппарата с плазменным или термоядерным двигателем.

Парус под вопросом... какие еще идеи?

Перспективной считается идея использовать двигатель на основе термоядерного синтеза. Он может обеспечить быструю межпланетную транспортировку. Реакция синтеза происходит, когда два атома водорода сталкиваются, образуя более крупный атом, и выделяют энергию. Огромное количество энергии, создаваемой в результате этих реакций, выбрасывается из двигателя для обеспечения тяги. 

На термоядерном двигателе корабль достигнет Марса всего за три месяца, в то время как при использовании обычных ракет потребуется не менее семи. Теоретически корабль, оснащенный ядерной бомбой, может развивать скорость до 10 процентов от скорости света, что позволит совершить путешествие к ближайшей нам звезде Альфа Центавра примерно за 40 лет.

Комментарии 0
Авторизуйтесь , чтобы оставить комментарий

Стань частью сообщества Homo Science!

Зарегистрируйся чтобы получить 350 приветственных
баллов и открыть полный доступ к курсам,
тренажерам и конкурсам.