Les moteurs de fusée modernes font un bon travail de mise en orbite de la technologie, mais ils ne conviennent absolument pas aux longs voyages dans l'espace. Par conséquent, depuis plus d'une douzaine d'années, les scientifiques travaillent à la création de moteurs spatiaux alternatifs qui pourraient accélérer les navires à des vitesses record. Jetons un coup d'œil à sept idées clés de ce domaine.
EmDrive
Pour bouger, vous devez vous éloigner de quelque chose - cette règle est considérée comme l'un des piliers inébranlables de la physique et de l'astronautique. Par quoi commencer exactement - de la terre, de l'eau, de l'air ou d'un jet de gaz, comme dans le cas des moteurs-fusées - n'est pas si important.
Une expérience de pensée bien connue: imaginez qu'un astronaute est allé dans l'espace, mais que le câble le reliant au vaisseau spatial s'est brusquement cassé et la personne commence à s'envoler lentement. Tout ce qu'il a, c'est une boîte à outils. Quelles sont ses actions? Bonne réponse: il doit jeter les outils loin du navire. Selon la loi de conservation de l'élan, la personne sera éjectée de l'instrument avec exactement la même force que l'instrument de la personne, de sorte qu'elle se déplacera progressivement vers le navire. C'est la poussée du jet - la seule façon possible de se déplacer dans un espace vide. Certes, EmDrive, comme le montrent les expériences, a quelques chances de réfuter cette affirmation inébranlable.
Le créateur de ce moteur est l'ingénieur britannique Roger Shaer, qui a fondé sa propre société Satellite Propulsion Research en 2001. Le design de l'EmDrive est assez extravagant et est un seau en métal en forme, scellé aux deux extrémités. À l'intérieur de ce seau se trouve un magnétron qui émet des ondes électromagnétiques - le même que dans un micro-ondes conventionnel. Et cela s'avère suffisant pour créer une poussée très petite, mais assez perceptible.
L'auteur lui-même explique le fonctionnement de son moteur à travers la différence de pression du rayonnement électromagnétique à différentes extrémités du "godet" - à l'extrémité étroite, elle est inférieure à celle large. Cela crée une poussée dirigée vers l'extrémité étroite. La possibilité d'un tel fonctionnement du moteur a été remise en question plus d'une fois, mais dans toutes les expériences, l'installation Shaer montre la présence d'une poussée dans la direction prévue.
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Les expérimentateurs qui ont testé le seau de Shaer comprennent des organisations telles que la NASA, l'Université technique de Dresde et l'Académie chinoise des sciences. L'invention a été testée dans diverses conditions, y compris sous vide, où elle a montré la présence d'une poussée de 20 micronewtons.
C'est très peu par rapport aux moteurs à réaction chimiques. Mais, étant donné que le moteur Shaer peut fonctionner aussi longtemps que vous le souhaitez, puisqu'il n'a pas besoin d'alimentation en carburant (les batteries solaires peuvent fournir le magnétron pour fonctionner), il est potentiellement capable d'accélérer le vaisseau spatial à des vitesses énormes, mesurées en pourcentage de la vitesse de la lumière.
Pour prouver pleinement les performances du moteur, il est nécessaire d'effectuer beaucoup plus de mesures et de se débarrasser des effets secondaires qui peuvent être générés, par exemple, par des champs magnétiques externes. Cependant, d'autres explications possibles de la poussée anormale du moteur Shaer sont déjà avancées, ce qui, en général, viole les lois habituelles de la physique.
Par exemple, des versions sont proposées selon lesquelles le moteur peut créer une poussée en raison de son interaction avec un vide physique, qui au niveau quantique a une énergie non nulle et est rempli de particules élémentaires virtuelles qui émergent et disparaissent constamment. Qui aura raison à la fin - les auteurs de cette théorie, Shaer lui-même ou d'autres sceptiques, nous le découvrirons dans un proche avenir.
Voile solaire
Comme mentionné ci-dessus, le rayonnement électromagnétique exerce une pression. Cela signifie qu'en théorie, il peut être converti en mouvement - par exemple, à l'aide d'une voile. Tout comme les navires des siècles passés ont pris le vent dans leurs voiles, le vaisseau spatial du futur attraperait le soleil ou toute autre lumière des étoiles dans leurs voiles.
Le problème, cependant, est que la pression lumineuse est extrêmement faible et diminue avec l'augmentation de la distance de la source. Par conséquent, pour être efficace, une telle voile doit être très légère et très grande. Et cela augmente le risque de destruction de la structure entière lorsqu'elle rencontre un astéroïde ou un autre objet.
Des tentatives de construction et de lancement de voiliers solaires dans l'espace ont déjà eu lieu - en 1993, la Russie a testé une voile solaire sur le vaisseau spatial Progress, et en 2010, le Japon a effectué des tests réussis sur son chemin vers Vénus. Mais pas un seul navire n'a jamais utilisé la voile comme principale source d'accélération. Un autre projet, une voile électrique, semble un peu plus prometteur à cet égard.
Voile électrique
Le soleil émet non seulement des photons, mais aussi des particules de matière chargées électriquement: électrons, protons et ions. Tous forment le soi-disant vent solaire, qui emporte de la surface du soleil environ un million de tonnes de matière par seconde.
Le vent solaire se propage sur des milliards de kilomètres et est responsable de certains phénomènes naturels sur notre planète: les tempêtes géomagnétiques et les aurores boréales. La terre est protégée du vent solaire par son propre champ magnétique.
Le vent solaire, comme le vent aérien, est tout à fait adapté au voyage, il suffit de le faire souffler dans les voiles. Le projet de la voile électrique, créé en 2006 par le scientifique finlandais Pekka Janhunen, a extérieurement peu de points communs avec le solaire. Ce moteur se compose de plusieurs câbles longs et fins, semblables aux rayons d'une roue sans jante.
Grâce au canon à électrons émettant dans le sens contraire du déplacement, ces câbles acquièrent un potentiel chargé positif. Comme la masse d'un électron est environ 1800 fois inférieure à la masse d'un proton, la poussée créée par les électrons ne jouera pas un rôle fondamental. Les électrons du vent solaire ne sont pas importants pour une telle voile. Mais les particules chargées positivement - protons et rayonnement alpha - seront repoussées des cordes, créant ainsi une poussée de jet.
Bien que cette poussée soit environ 200 fois inférieure à celle d'une voile solaire, l'Agence spatiale européenne est intéressée par le projet. Le fait est qu'une voile électrique est beaucoup plus facile à concevoir, fabriquer, déployer et opérer dans l'espace. De plus, en utilisant la gravité, la voile vous permet également de vous rendre à la source du vent stellaire, et pas seulement de s'en éloigner. Et comme la surface d'une telle voile est bien inférieure à celle d'une voile solaire, elle est beaucoup moins vulnérable aux astéroïdes et aux débris spatiaux. Peut-être verrons-nous les premiers navires expérimentaux à voile électrique dans les prochaines années.
Moteur ionique
Le flux de particules chargées de matière, c'est-à-dire d'ions, n'est pas émis uniquement par les étoiles. Un gaz ionisé peut également être créé artificiellement. Normalement, les particules de gaz sont électriquement neutres, mais lorsque leurs atomes ou molécules perdent des électrons, ils se transforment en ions. Dans sa masse totale, un tel gaz n'a toujours pas de charge électrique, mais ses particules individuelles se chargent, ce qui signifie qu'elles peuvent se déplacer dans un champ magnétique.
Dans un moteur ionique, un gaz inerte (généralement du xénon) est ionisé par un flux d'électrons à haute énergie. Ils éliminent les électrons des atomes et acquièrent une charge positive. En outre, les ions résultants sont accélérés dans un champ électrostatique à des vitesses de l'ordre de 200 km / s, ce qui est 50 fois plus élevé que le débit de sortie de gaz des réacteurs chimiques. Néanmoins, les propulseurs ioniques modernes ont une très petite poussée - environ 50-100 millinewtons. Un tel moteur ne pourrait même pas quitter la table. Mais il a un sérieux plus.
Une impulsion spécifique importante peut réduire considérablement la consommation de carburant du moteur. L'énergie obtenue à partir de batteries solaires est utilisée pour ioniser le gaz, de sorte que le moteur ionique est capable de fonctionner très longtemps - jusqu'à trois ans sans interruption. Pendant une telle période, il aura le temps d'accélérer le vaisseau spatial à des vitesses dont les moteurs chimiques n'auraient jamais rêvé.
Les moteurs ioniques ont à plusieurs reprises labouré l'immensité du système solaire dans le cadre de diverses missions, mais généralement comme auxiliaires et non comme principales. Aujourd'hui, comme alternative possible aux propulseurs ioniques, on parle de plus en plus de propulseurs à plasma.
Moteur plasma
Si le degré d'ionisation des atomes devient élevé (environ 99%), un tel état agrégé de la matière est appelé plasma. L'état du plasma ne peut être atteint qu'à des températures élevées, par conséquent, le gaz ionisé est chauffé jusqu'à plusieurs millions de degrés dans les moteurs à plasma. Le chauffage est réalisé à l'aide d'une source d'énergie externe - des panneaux solaires ou, plus réaliste, un petit réacteur nucléaire.
Le plasma chaud est ensuite éjecté à travers la buse de la fusée, créant une poussée des dizaines de fois supérieure à celle d'un propulseur ionique. Un exemple de moteur à plasma est le projet VASIMR, qui se développe depuis les années 70 du siècle dernier. Contrairement aux propulseurs ioniques, les propulseurs à plasma n'ont pas encore été testés dans l'espace, mais de grands espoirs reposent sur eux. C'est le moteur à plasma VASIMR qui est l'un des principaux candidats aux vols habités vers Mars.
Moteur de fusion
Les gens ont essayé d'apprivoiser l'énergie de la fusion thermonucléaire depuis le milieu du XXe siècle, mais jusqu'à présent, ils n'ont pas été en mesure de le faire. Néanmoins, la fusion thermonucléaire contrôlée est toujours très intéressante, car elle est une source d'énergie énorme obtenue à partir de combustibles très bon marché - isotopes d'hélium et d'hydrogène.
À l'heure actuelle, il existe plusieurs projets de conception d'un moteur à réaction sur l'énergie de la fusion thermonucléaire. Le plus prometteur d'entre eux est considéré comme un modèle basé sur un réacteur à confinement magnétique par plasma. Un réacteur thermonucléaire dans un tel moteur sera une chambre cylindrique non pressurisée de 100 à 300 mètres de long et de 1 à 3 mètres de diamètre. La chambre doit être alimentée en combustible sous forme de plasma à haute température qui, à une pression suffisante, entre dans une réaction de fusion nucléaire. Les bobines du système magnétique situées autour de la chambre doivent empêcher ce plasma d'entrer en contact avec l'équipement.
La zone de réaction thermonucléaire est située le long de l'axe d'un tel cylindre. À l'aide de champs magnétiques, du plasma extrêmement chaud s'écoule à travers la buse du réacteur, créant une poussée énorme, plusieurs fois supérieure à celle des moteurs chimiques.
Moteur antimatière
Toute la matière autour de nous est constituée de fermions - des particules élémentaires à spin demi-entier. Ce sont, par exemple, les quarks qui composent les protons et les neutrons dans les noyaux atomiques, ainsi que les électrons. De plus, chaque fermion a sa propre antiparticule. Pour un électron, c'est un positron, pour un quark - un antiquark.
Les antiparticules ont la même masse et le même spin que leurs «camarades» habituels, différant par le signe de tous les autres paramètres quantiques. En théorie, les antiparticules sont capables de constituer de l'antimatière, mais jusqu'à présent, nulle part dans l'Univers n'a été enregistrée. Pour la science fondamentale, la grande question est de savoir pourquoi elle n’existe pas.
Mais dans des conditions de laboratoire, vous pouvez obtenir de l'antimatière. Par exemple, une expérience a été menée récemment pour comparer les propriétés des protons et des antiprotons stockés dans un piège magnétique.
Lorsque l'antimatière et la matière ordinaire se rencontrent, un processus d'annihilation mutuelle se produit, accompagné d'une explosion d'énergie colossale. Donc, si nous prenons un kilogramme de matière et d'antimatière, alors la quantité d'énergie libérée lors de leur rencontre sera comparable à l'explosion de la "bombe tsar" - la bombe à hydrogène la plus puissante de l'histoire de l'humanité.
De plus, une partie importante de l'énergie sera libérée sous forme de photons de rayonnement électromagnétique. En conséquence, il existe un désir d'utiliser cette énergie pour voyager dans l'espace en créant un moteur à photons, similaire à une voile solaire, seulement dans ce cas la lumière sera générée par une source interne.
Mais pour utiliser efficacement le rayonnement dans un turboréacteur, il est nécessaire de résoudre le problème de la création d'un «miroir» qui serait capable de réfléchir ces photons. Après tout, le navire doit en quelque sorte pousser pour créer une poussée.
Aucun matériau moderne ne peut tout simplement résister au rayonnement né en cas d'une telle explosion et s'évapore instantanément. Dans leurs romans de science-fiction, les frères Strugatsky ont résolu ce problème en créant un "réflecteur absolu". Dans la vraie vie, rien de tel n'a encore été fait. Cette tâche, tout comme les problèmes de création d'une grande quantité d'antimatière et de son stockage à long terme, relève de la physique du futur.