Фотонная ракета, журнал “Техника – молодёжи”, 1957г., № 7
Идею фотонного звездолета, которая доминировала в научно-фантастических романах полувековой давности, сегодня уже мало кто рассматривает серьезно. Однако, судя по академической статье http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1205/1205.2281.pdf Ронана Кина и Ви-Минг-Чанга, интерес к анигиляционному двигателю полностью не угас. Статья внушает большие надежды, если не задумываться о колоссальных трудностях производства антивещества. Пока также не ясно, как его хранить, не допуская контакта с веществом. Единственная видимая возможность – это электромагнитная ловушка. Но для того, чтобы антивещество взаимодействовало с полем, оно должно быть полностью ионизировано. А это возможно лишь при температуре порядка 100 000 градусов. Длительное время хранить антивещество в состоянии плазмы можно было бы внутри устройства типа Токамак или Стелларатор, но при большом запасе топлива потребуется гигантская установка с тяжелыми обмотками электромагнитов. И как из такой ловушки непрерывно отводить антивещество малыми порциями в зону аннигиляции, не нарушая конфигурацию магнитного поля ?
Но допустим, что мы получили и как-то умеем хранить антивещество. Соединив его с веществом, получим энергию в виде гамма-излучения. В случае аннигиляции электронов с позитронами ничего другого не выделяется. Что делать с гамма- лучами, если их нельзя отразить никаким образом ? Именно поэтому фотонный двигатель, как таковой, т.е., использующий отдачу пучка отраженных гамма-фотонов, в принципе невозможен.
И все-таки допустим, что каким-то волшебным способом мы отразили поток излучения от аннигиляции. Импульс гамма-квантов и любых фотонов в 300 000 000 раз меньше энергии (в скорость света раз). Поэтому тяга от фотонов ничтожно мала на фоне расхода энергии. Более неразумную идею трудно придумать, чем пытаться разогнаться с помощью прожектора, пусть даже очень мощного. Для иллюстрации: пусть масса космического аппарата всего 100 тонн. Чтобы разогнаться до 30 000 км/сек придется затратить не менее 10 тонн антивещества. Полученная энергия превысит эквивалент 200 Гигатонн тротила! При этом кинетическая энергия корабля достигнет 1 Гигатонны. Имеем КПД = 0.5% . Сам по себе низкий КПД не страшен, когда решается грандиозная задача вызов — полет к звездам. Но как защитить аппарат от чудовищного потока энергии в 200 Гигатонн ? Даже если разгон до крейсерской скорости растянется на 10 лет – на протяжении этого времени каждую секунду в камере сгорания-сопле будет взрываться около 700 тонн тротила ! Но главное – это принципиальная невозможность отражать и направлять поток гамма-излучения от аннигиляции. Идея фотонного звездолета изначально мертва, но если мы назовем такой двигатель аннигиляционным, то ее можно попытаться реанимировать. Для этого предлагается использовать тот факт, что при аннигиляции протонов и антипротонов образуются пионы (пи-мезоны). Заряженные частицы различных знаков, которые можно отразить магнитным соплом. Каков же принцип его работы?
Двигаясь в магнитном поле с напряженностью \(\mathbf H\) (эрстед) частица с зарядом \(q\) и массой \(m\) описывает спираль с угловой скоростью вращения \(\omega=qH/mc\) и проекциями \({\mathbf v}_{\tau}\) и \({\mathbf v}_n\) вектора скорости \(\mathbf v\) на направление вектора \(\mathbf H\) и на плоскость ортогональную \(\mathbf H\) соответственно, так что \({\mathbf v}={\mathbf v}_{\tau}+{\mathbf v}_{n}\). При этом \({\mathbf v}_{\tau}=({\mathbf v},{\mathbf H}){\mathbf H}/H^2\) и \({\mathbf v}_{n}=[{\mathbf v},{\mathbf H}]/H\), а радиус спирали \(r=v_{n}mc/qH\). На частицу действует сила Лоренца \({\mathbf F}=q[{\mathbf v},{\mathbf H}]/c\), которая ортогональна плоскости, натянутой на векторы \({\mathbf v}\) и \({\mathbf H}\). Поэтому скорость частицы \(v\) не меняется (по модулю), т.е., величина \(v^2=v_{\tau}^2+v_n^2\) в процессе движения не изменяется. Из элементарного, геометрического рассмотрения движения на бесконечном малом промежутке времени \(dt\) можно понять, что, поскольку сила Лоренца \({\mathbf F}\) перпендикулярна каждому из векторов \({\mathbf v}\) и \(\mathbf H\), угол между этими векторами в процессе движения частицы может только увеличиваться. Следовательно, если частица движется в направлении, образующем острый угол с направлением поля \(\mathbf H\) и величина \(H\) при этом возрастает (т.е., частица движется в сторону нарастания магнитного поля), то величина \(v_n\) увеличивается, а величина \(v_{\tau}\) уменьшается пока не станет равной нулю. В этот момент частица на мгновение прекратит движение вдоль силовых линий поля и будет лишь вращаться в ортогональной плоскости. В дальнейшем угол между векторами \({\mathbf v}\) и \(\mathbf H\), продолжая возрастать станет тупым, и частица двинется вдоль поля в обратном направлении (по раскручивающейся спирали с возрастающей скоростью \(v_{\tau}\)). Таким образом, заряженные частицы как бы отражаются от области магнитного поля, в которой его напряженностью максимальна.
В указанной выше статье Кина и Ви-Минг-Чанга описаны результаты компьютерного моделирования процесса. Оптимальное сопло представляет собой соленоид с переменным числом витков – цилиндр высотой 3.8 м и радиусом 1.5 м, где точка аннигиляции вещества с антивеществом удалена на 1 м от выхода. Максимальная индукция магнитного поля 12.5 Тесла линейно спадает до нуля на выходе. В итоге авторы приходят к выводу, что такое магнитное сопло может обеспечить среднюю продольную скорость отраженной струи из пионов почти в 0.7с = 210 000 км/сек !
Имея период полураспада всего \(2.6\cdot 10^{-8}\) секунды, заряженный пион пролетит за это время не больше 8 метров, что меньше длины окружности одного витка соленоида. Впрочем распадаются они на нейтрино и мюоны, живущие уже микросекунды. Однако идея использовать пи-мезоны от аннигиляции протонов с антипротонами вызывает серьезные сомнения. Ведь эти пионы возникают в равных пропорциях со своими античастицами, поэтому они немедленно начнут аннигилировать. В итоге снова получим потоки гамма-квантов и нейтрино, от которых нет ни малейшей пользы. Успеет ли существенная часть частиц до своей аннигиляции отразиться от магнитного зеркала и передать кораблю импульс ? Авторы статьи этот вопрос не рассматривали.
Предполагается также использовать антивещество в ракетных двигателях, как источник тепловой энергии. Энергия аннигиляции испаряет тонкий слой вещества на поверхности сопла, и от его абляции (взрывного испарения) возникает тяга. Но на этом сильно не разгонишься, потому что скорость аблирующей струи не превысит порядка 100 км/сек. Антивещество здесь не играет принципиальной роли. Термояд тоже годится, хотя он менее эффективен. Этот концепт был бы хорош для полетов в Солнечной системе, но никак не к звездам !
Таким образом, вопрос об осуществимости аннигиляционной ракеты остается открытым. В любом случае не стоит обольщаться в отношении перспектив этого принципа в том, что касается достижения суб-релятивистских скоростей. Согласно оценкам других ученых, приведенным в статье Кина и Ви-Минг-Чанга, 40 летняя миссия аннигиляционного звездолета, происходящая на крейсерской скорости 0.42 скорости света с торможением по месту прибытия, потребует 40 миллионов тонн антивещества ! С учетом фундаментальных трудностей его производства и хранения такие, пусть даже сильно улучшаемые оценки действуют отрезвляюще.
Дмитрий Зотьев
