Фотонный двигатель

Фотонный двигатель — это гипотетический тип реактивного двигателя, в котором для создания тяги используется направленное излучение, в первую очередь электромагнитное излучение (фотоны). В отличие от химических или ионных двигателей, фотонный двигатель не требует рабочего тела в виде вещества, которое выбрасывается из сопла. Тяга в нём создаётся за счёт импульса, уносимого фотонами. Ввиду экстремально малой величины импульса фотона, для достижения сколько-нибудь значимой тяги требуется колоссальная мощность излучения, что делает фотонные двигатели на современном уровне развития технологий (2020-е годы) практически нереализуемыми, за исключением некоторых экспериментальных и вспомогательных применений, таких как лазерные двигатели для малых спутников.

Принцип действия

В основе работы фотонного двигателя лежит закон сохранения импульса. Фотоны, обладая импульсом, при излучении в одном направлении сообщают аппарату импульс в противоположном направлении. Импульс одного фотона с длиной волны λ определяется формулой:

\[ p = \frac{h}{\lambda} \]

где \( h \) — постоянная Планка. Для фотона видимого света (λ ≈ 500 нм) импульс составляет около 1,3·10⁻²⁷ кг·м/с. Для сравнения, импульс молекулы водорода, вылетающей из сопла химического ракетного двигателя со скоростью 4,5 км/с, примерно в 10²⁰ раз больше.

Тяга фотонного двигателя (F) связана с мощностью излучения (P) соотношением:

\[ F = \frac{P}{c} \]

где \( c \) — скорость света в вакууме (≈ 3·10⁸ м/с). Таким образом, для получения тяги в 1 Н (примерно 100 гс) требуется мощность излучения 300 МВт. Для сравнения, мощность энергоблока атомной электростанции (например, АЭС «Ленинградская») составляет около 1 ГВт. Следовательно, для создания тяги, сравнимой с тягой малого маневрового двигателя космического аппарата (единицы-десятки ньютонов), потребуется мощность, сопоставимая с мощностью крупной электростанции, что на борту космического аппарата технически недостижимо.

История концепции

Идея использования света для движения в космосе восходит к работам Константина Циолковского, который в начале XX века рассматривал возможность применения «световых лучей» для межзвёздных перелётов. В 1920-х годах немецкий инженер Герман Оберт также упоминал фотонные ракеты. Однако математически строго концепция была разработана в 1950-х годах, в частности, в работах американского физика Роберта Басса (Robert Bass) и советского учёного Григория Токарева. В 1958 году вышла статья «Фотонные ракеты» в журнале «Природа», где обсуждались теоретические основы.

В 1960-е годы, с развитием лазерной техники, интерес к фотонным двигателям возрос. В СССР и США проводились теоретические исследования, в том числе в рамках проектов по созданию межзвёздных зондов (например, проект «Дедал»). Однако практические эксперименты ограничивались демонстрацией эффекта светового давления в лабораторных условиях — например, с помощью крутильных весов, где луч лазера отклонял легкую пластинку.

Классификация

Фотонные двигатели можно классифицировать по источнику излучения и способу его генерации.

По источнику энергии

• Химические фотонные двигатели: Используют энергию химической реакции (например, сгорание водорода в кислороде) для нагрева рабочего тела до температур, при которых оно начинает интенсивно излучать свет. Однако КПД такого преобразования крайне низок, а температура ограничена термостойкостью материалов.
• Ядерные фотонные двигатели: Используют энергию ядерного деления или синтеза. В наиболее проработанной концепции (ядерно-фотонный двигатель) энергия ядерного реактора преобразуется в лазерное или рентгеновское излучение. Теоретически, такой двигатель может обеспечить очень высокий удельный импульс (до 10⁷ с), но требует огромных масс реактора и радиационной защиты.
• Аннигиляционные фотонные двигатели: Гипотетический тип, использующий аннигиляцию материи и антиматерии. В этом случае вся масса топлива превращается в энергию, что даёт максимально возможный удельный импульс (c/g ≈ 3·10⁷ с). Однако получение и хранение антиматерии в необходимых количествах на современном уровне технологий невозможно.

По способу формирования излучения

• Тепловые (чернотельные) фотонные двигатели: Излучение создаётся нагретым до высокой температуры телом (например, вольфрамовой нитью или отражателем). Характеризуются широким спектром излучения, низкой направленностью и, как следствие, малым КПД.
• Лазерные фотонные двигатели: Излучение генерируется лазером. Обеспечивают высокую направленность пучка и, соответственно, более высокий КПД. Большинство современных проектов фотонных двигателей основаны на лазерах.
• Рентгеновские и гамма-фотонные двигатели: Используют коротковолновое излучение, которое обладает ещё большим импульсом на фотон. Однако создание компактных и эффективных источников такого излучения — сложнейшая техническая задача.

Применение и перспективы

Межзвёздные перелёты

Фотонные двигатели рассматриваются как перспективная технология для межзвёздных перелётов. Благодаря огромному удельному импульсу, они могут разогнать космический аппарат до скоростей, составляющих заметную долю скорости света (0,1c – 0,5c). Это позволило бы достичь ближайших звёзд (например, системы Альфа Центавра) за время, сопоставимое с человеческой жизнью. Однако для этого потребуется источник энергии колоссальной мощности — порядка 10¹⁵ – 10¹⁶ Вт, что эквивалентно суммарной мощности всех электростанций Земли, умноженной на тысячи. В рамках проекта «Прорыв — Старшот» (Breakthrough Starshot) рассматривается облегчённый вариант: лёгкий зонд (граммы) разгоняется мощным наземным лазерным массивом до 0,2c, что технически более реалистично, чем бортовой фотонный двигатель.

Маневрирование на орбите

В 2020-х годах появились экспериментальные проекты малых фотонных двигателей для спутников. Например, компания Photonic Associates (США) разрабатывает лазерные двигатели для микроспутников, которые используют энергию солнечных батарей для создания тяги в несколько микроньютонов. Такие двигатели могут использоваться для точной коррекции орбиты, поддержания ориентации и увода спутников с орбиты после завершения срока службы. Их преимущество — отсутствие расхода рабочего тела (кроме источника энергии), что увеличивает срок активного существования аппарата.

Управление ориентацией

Фотонные двигатели могут применяться для создания малых управляющих моментов на космических аппаратах. Например, установка лазерных излучателей на разных гранях спутника позволяет создавать крутящие моменты для ориентации в пространстве. Такие системы уже используются в некоторых экспериментальных спутниках, например, в проекте LightSail (Планетарное общество, США), где солнечный парус создаёт тягу за счёт давления солнечного света, а не бортового лазера.

Критика и ограничения

Основные ограничения фотонных двигателей связаны с фундаментальными законами физики и современным уровнем технологий:

1. Энергетическая эффективность: Для достижения тяги в 1 Н требуется мощность 300 МВт. Для сравнения, тяга химического двигателя «РД-180» (Россия) составляет 3,8 МН при мощности реактивной струи около 50 ГВт. Таким образом, фотонный двигатель проигрывает химическому по тяге на несколько порядков при сопоставимой мощности.
2. Масса и габариты: Источник энергии (ядерный реактор или аннигилятор) и система преобразования энергии в излучение (лазеры, зеркала) будут иметь огромную массу. Для межзвёздного зонда массой 1000 тонн потребуется реактор массой, сопоставимой с массой самого зонда.
3. Теплоотвод: Преобразование энергии в излучение сопровождается выделением тепла. Отвод тепла в космосе — сложная инженерная задача, особенно при мощностях в сотни мегаватт.
4. Хранение антиматерии: Для аннигиляционных двигателей требуется хранение антивещества в магнитных ловушках. На 2024 год получено лишь ничтожное количество антипротонов (нано- и пикограммы), и их хранение представляет собой серьёзную техническую проблему.

Интересные факты

• В 2010 году в рамках эксперимента по измерению светового давления в лаборатории Калифорнийского технологического института (США) удалось зафиксировать силу, создаваемую лазерным лучом мощностью 1 кВт, на уровне 3,3·10⁻⁶ Н. Это эквивалентно весу муравья.
• В научно-фантастической литературе фотонные двигатели часто изображаются как «световые двигатели», позволяющие развивать субсветовые скорости. Примеры: космические корабли в романах Артура Кларка («Свидание с Рамой») и в сериале «Звёздный путь».
• В 2016 году в рамках проекта «Прорыв — Старшот» было объявлено о намерении создать лазерный массив мощностью 100 ГВт для разгона микро-зондов до 0,2c. Реализация проекта оценивается в десятки миллиардов долларов и может занять 20–30 лет.

Источники

1. Bass, R. W. (1958). «Photon rockets». Journal of the British Interplanetary Society, 17, 1958.
2. Токарев, Г. А. (1958). «Фотонные ракеты». Природа, № 5, 1958.
3. Forward, R. L. (1984). «Roundtrip interstellar travel using laser-pushed lightsails». Journal of Spacecraft and Rockets, 21(2), 187–195.
4. Landis, G. A. (2000). «Laser-powered interstellar probe». Journal of the British Interplanetary Society, 53, 2000.
5. Popov, V. V. (2017). «Photon rocket: a review». Acta Astronautica, 131, 2017.
6. Breakthrough Starshot. (2016). «A 100-gigawatt laser array for interstellar propulsion». Breakthrough Initiatives.
7. Photonic Associates. (2022). «Laser microthrusters for small satellites». Technical Report.
8. Циолковский, К. Э. (1903). «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Научное обозрение, № 5, 1903.