Фотонный двигатель

1.

Введение в фотонный двигатель
Фотонный двигатель — это гипотетический ракетный двигатель,
реактивная тяга которого создаётся за счёт истечения квантов
электромагнитного излучения, то есть фотонов. В рамках релятивистской
механики этот тип двигателя рассматривается как один из потенциально
возможных способов достижения сверхвысоких скоростей, вплоть до
заметной доли скорости света, что открывает принципиальную
возможность межзвёздных перелётов в течение жизни одного поколения
людей. Несмотря на то, что сама идея была сформулирована ещё в
первой половине XX века, её практическая реализация остаётся делом
отдалённого будущего.
Автор фото: RKTW extend на Unsplash

2.

Принцип действия и источник тяги
Принцип работы фотонного двигателя
основан на фундаментальном
положении квантовой физики и
специальной теории относительности:
фотон, несмотря на нулевую массу
покоя, обладает импульсом.
Величина этого импульса определяется
формулой: p = h/λ = E/c, где h —
постоянная Планка, λ — длина волны
излучения, E — энергия фотона, c —
скорость света.
Когда источник на борту космического
аппарата испускает поток фотонов, в
соответствии с законом сохранения
импульса, аппарат получает равный по
величине и противоположный по
направлению импульс.

3.

Релятивистские уравнения движения
Для фотонной ракеты, где скорость истечения рабочего тела равна
скорости света (c), классическая формула Циолковского
трансформируется в релятивистский вид: M₁ / M₂ = √( (1 + V/c) / (1 - V/c) )
где M₁ — стартовая масса корабля, M₂ — его конечная масса, V —
достигнутая скорость.
Отсюда можно вывести скорость фотонной ракеты: V / c = [1 - (M₂/M₁)²] /
[1 + (M₂/M₁)²].
Эти формулы наглядно демонстрируют, что для разгона до скоростей,
близких к c, требуется невероятное соотношение масс.
Автор фото: Sonia Nadales на Unsplash

4.

Аннигиляционный фотонный двигатель
Наиболее известная и широко обсуждаемая концепция, предполагающая использование в качестве топлива
антивещества.
При аннигиляции вещества и антивещества
практически вся масса покоя превращается в
энергию в соответствии с формулой E=mc², что
сулит беспрецедентную энергоотдачу.
Однако реальная физика этого процесса сложнее.
Для практического применения концепции
необходимо решить множество технических и
научных задач, включая создание условий для
безопасного хранения и управления
антивеществом.

5.

Ядерный фотонный двигатель
Альтернативная концепция, использующая в качестве первичного
источника энергии управляемый термоядерный синтез. Энергия синтеза
используется для нагрева рабочего тела до колоссальных температур,
превращая его в плазму, которая испускает мощное тормозное
излучение (фотоны в рентгеновском диапазоне).
Полученная
тяга позволяет
осуществить
движение космического
Этот поток фотонов
затем отражается
и фокусируется
системой зеркал
аппарата
в открытом
для
создания
тяги. космосе.
Автор фото: Gsightfotos на Unsplash

6.

Двигатель на магнитных монополях
Эта концепция основана на экзотической гипотезе о
существовании магнитных монополей — частиц,
несущих только один магнитный полюс. Согласно
некоторым теориям, монополь мог бы
катализировать распад протона на позитрон и π⁰мезон, который, в свою очередь, распадается на
два фотона. Позитронаннигилирует с электроном,
порождая ещё два фотона.
Этот процесс может привести к высвобождению
значительного количества энергии, что делает
магнитные монополи потенциально важным
объектом для изучения в контексте новых
источников энергии.

7.

Проблемы и технологические барьеры
Практическая реализация фотонного двигателя сопряжена с рядом
фундаментальных проблем, которые в настоящее время не имеют
решения: получение и хранение антивещества, создание «идеального
зеркала», энергетическая эффективность, масштаб и масса.
Кроме того, необходимо разработать надёжные системы управления
излучением для минимизации рассеивания энергии в процессе работы
двигателя. Также важно решить вопросы охлаждения и защиты
компонентов от высоких температур и радиации.
Автор фото: Faizan Bashir на Unsplash

8.

Современные исследования и альтернативные подходы
Несмотря на кажущуюся фантастичность, исследования в этой области
продолжаются, смещаясь в сторону более реалистичных, хотя и менее мощных
систем.
Лазерные фотонные движители (Beamed Laser Propulsion) и квантовые фотонные
двигатели — это два направления, которые могут стать перспективными в будущем.
Разработка таких систем требует значительных научных и технологических
достижений, но они могут открыть новые горизонты для космических путешествий.

9.

Фотонный двигатель в научной фантастике
Концепция фотонного двигателя и звездолётов на его основе оказала
значительное влияние на научную фантастику.
Олаф Стэплдон в романе «Последние и первые люди» (1930) дал первое
в литературе детальное описание корабля на аннигиляционном
двигателе. В советской фантастике фотонные звездолёты фигурируют в
фильмах «Москва — Кассиопея» и «Отроки во Вселенной» (корабль
«ЗАРЯ»), в романах Ивана Ефремова («Туманность Андромеды»), братьев
Стругацких и других авторов.
Автор фото: lrsflx на Unsplash

10.

Заключение
Фотонный двигатель остаётся одним из самых captivating концептов в теоретической космонавтике, символизируя предельную
мечту человечества о звёздах.
Его потенциал для достижения релятивистских скоростей не вызывает сомнений с точки зрения фундаментальной физики.
Однако на пути его создания стоят технологические барьеры, преодоление которых требует революционных открытий в
области физики высоких энергий, материаловедения и энергетики.

11.

Спасибо за внимание!
Спасибо за внимание. В этой презентации мы рассмотрели различные типы фотонных двигателей, включая аннигиляционные,
ядерные и двигатели на магнитных монополях. Мы также обсудили проблемы и технологические барьеры, стоящие на пути их
создания, и современные исследования в этой области.