Доехать до Марса за 110 дней. Как "невозможный двигатель" отвезет человечество к звездам

"Я лежу на спине, удивленный, насколько спокойным и сосредоточенным себя чувствую, пристегнутый к двум с лишним тоннам взрывчатых веществ". Так начинается недавно выпущенная книга американского астронавта Рона Грана "Из космоса границ не видно" — об одной из последних миссий шаттла "Дискавери" в конце нулевых.

С тех пор прошло без малого восемь лет, шаттлы сменились "Атласами", но суть полетов в космос осталась неизменной: чтобы "забросить" на орбиту пару сотен килограммов полезного груза, нужна примерно тонна горючего. И это всего лишь полет на орбиту Земли. Для более дальних перелетов масса топлива возрастает многократно.

Звездный путь

Если представить дистанцию от Земли до Солнца как 2 см, расстояние от Солнечной системы до ближайшей звезды Проксима Центавра составит 7 км. Именно такое сравнение приводит американский астрофизик Джефф Ли, объясняя необходимость поиска новых видов двигателей для космических перелетов.

Космический корабль с реактивным двигателем для полета к той самой Проксиме Центавра будет иметь совершенно запредельные массу и размеры из-за чудовищных запасов горючего. Конечно, их можно уменьшить до разумных пределов, используя для разгона в основном притяжение планет и самого Солнца — так, собственно, и передвигаются зонды, исследующие Солнечную систему. Но тогда путешествие к ближайшей звезде в пределах нашей галактики — Млечного Пути — растянется на несколько десятков тысяч лет. В этом случае масса и габариты корабля окажутся запредельными теперь уже из-за необходимости обеспечить существование экипажа на протяжении нескольких сотен поколений.

О том, что будет использовано для полетов к звездам, фантасты спорят не одно десятилетие. Антигравитация? Искривление пространства-времени? Тоннель сквозь подпространство? Все это пока так и остается мечтами.

Но порой фантастика неожиданно становится реальностью — как в случае с двигателем на базе электромагнитных волн EmDrive, который многие физики вообще не готовы рассматривать из-за отсутствия теоретической базы. Что, впрочем, не мешает ему вполне успешно функционировать.

Невозможный двигатель

Журналисты уже окрестили изобретение британского инженера Роджера Шойера победой над здравым смыслом и законами физики. Ученые, по крайней мере самые неортодоксальные, говорят, что мы слишком мало знаем о Вселенной и, возможно, учебники физики придется переписать. В любом случае "невозможный двигатель" на базе электромагнитных волн EmDrive на самом деле оказался возможен. Его работоспособность подтвердило в июле нынешнего года американское космическое агентство NASA, а осенью — профессор Мартин Таджмар из Дрезденского технического университета, имеющий в научных кругах репутацию "развенчателя мифов".

Англичанин Шойер много лет проработал на предприятиях военно-промышленного комплекса Великобритании, затем участвовал в проектах Европейского космического агентства, включая систему глобальной навигации Galileo. Идея двигателя на электромагнитных волнах возникла у Шойера еще в 1990-х. А в 2001 году он основал компанию Satellite Propulsion Research специально для его разработки.

Первые его публикации по этой теме вызывали серьезный скепсис. Ведь Шойер предлагал двигатель, работа которого нарушает один из основополагающих законов — закон сохранения импульса. Во всяком случае, в том виде, в котором его формулирует современная физика.

Инженер обосновывал возможность существования конструкции, которая создает тягу из-за отражения электромагнитного излучения от внутренних стенок специальной вакуумной камеры — без реактивного выброса. Его отсутствие, собственно, и вводит EmDrive в противоречие с современной физикой.

Но Роджер Шойер стоял на своем. Более 10 лет ушло на эксперименты, и в итоге ему удалось создать рабочий прототип и привлечь внимание NASA к своему проекту, который скептики называют "электромагнитным ведром" за определенное геометрическое сходство с этим предметом.

Тем не менее в 2014 году ученые агентства начали масштабную проверку работоспособности гипотезы Шойера и прототипов его двигателя. Вердикт оказался положительным: двигатель работает. Он действительно создает тягу, хотя и весьма незначительную — всего 0,4 ньютона на киловатт. Но тот факт, что Шойер оказался прав, никак не примиряет его изобретение с законами физики.

Американский физик Гарольд Уайт, возглавлявший тестовые эксперименты NASA, утверждает, что EmDrive — это в сущности почти вечный двигатель. Установка создает мощное электрическое поле, частицы которого отражаются от стенок камеры. Магнитные волны движутся с околосветовой скоростью, поэтому сами волны и отражающая их камера находятся как бы в разных системах отсчета. Физики-теоретики предсказывали возможность такого феномена и прежде, однако двигатель Шойера — первое реальное изобретение, которое достигло подобного эффекта.

Мартин Таджмар из Дрезденского технического университета высказался по поводу принципа работы двигателя более прямо: "Природа наблюдаемой тяги пока до конца неясна". При этом Таджмар подчеркивает, что EmDrive вовсе необязательно нарушает законы физики. По его мнению, тяга без обратного импульса (говоря научным языком, фронтальная сила не имеет равной ей противоположной) возможна благодаря пока еще неоткрытым физическим законам. Например, это могут быть неизвестные свойства электромагнитных волн в вакууме, наличие которого в отражательной камере является необходимым условием для работы двигателя Шойера.

При этом двигатель Шойера, по крайней мере в пределах Солнечной системы или вблизи других звезд, может работать от солнечных батарей, получая от них энергию для создания электрических импульсов, и способен создавать практически бесконечное ускорение без запасов топлива на борту.

В общем, по подсчетам Гарольда Уайта, с помощью такого двигателя космический корабль вполне сможет добраться до Марса всего за несколько месяцев — значительно быстрее традиционных космических кораблей, и не используя колоссальных запасов топлива.

За и против

Скептиков такие утверждения шокируют. Шон Кэррол из Калифорнийского технологического института считает, что, несмотря на позитивные эксперименты NASA, отсутствие теоретической базы под открытием Шойера остается ключевым фактом. "Двигатель нарушает законы сохранения энергии, а значит, не может работать", — категоричен ученый. Аналогичных взглядов придерживается и физик Эрик Дэйвис из Института перспективных исследований в Остине (штат Техас). Однако главной его претензией к EmDrive является не это, а тот факт, что тяга двигателя ничтожна.

Но сторонники EmDrive парируют это соображение примером исследовательского зонда New Horizons, который недавно достиг Плутона, отправившись в путь еще в 2006 году. По их подсчетам, даже микроскопическая тяга нескольких EmDrive, запитанных от солнечных батарей, позволила бы кораблю с массой, равной массе зонда New Horizons, долететь до цели всего за полтора года вместо девяти лет.

Кликнуть для увеличения

Еще один забавный факт заключается в том, что "ведро" позволяет по-новому взглянуть на проблему межзвездных перелетов. Оснащенный киловаттным прототипом двигателя Шойера корабль мог бы теоретически достичь скорости, которая позволит добраться до ближайшей звездной системы Альфа Центавра за 6,5 тыс. лет. Это на порядок меньше, чем нынешние показатели космических зондов, запускаемых при помощи двигателей на химическом топливе. Так, зонд Voyager-1, который уже покинул пределы Солнечной системы (на что ему потребовалось два с половиной десятилетия), смог бы долететь до ближайшей к нам звезды за 76 тыс. лет.

Но Уайт идет в своих прогнозах еще дальше. Его исследовательская группа рассчитала траектории и примерное время движения корабля, оснащенного 20 двигателями EmDrive с той же удельной тягой, что была зафиксирована при экспериментах: 0,4 Н на киловатт. Помимо солнечных батарей он оснащен реактором мощностью всего 2 мегаватта (в 500 раз меньше, чем у современных реакторов АЭС), а полезная нагрузка 90-тонного судна распределяется следующим образом: 20 тонн приходится на двигатели, 20 — на реактор и еще 50 тонн — на системы обеспечения и груз. По подсчетам Уайта, при такой конфигурации можно говорить о достижении максимальной скорости в 1/20–1/10 от световой. В таком случае до звезды Проксима Центавра корабль на электромагнитной тяге долетит примерно за 120 с небольшим лет. Но и это не предел: в группе Гарольда Уайта считают, что в перспективе удельная тяга EmDrive может быть увеличена на порядок — примерно так же, как это происходило в ходе совершенствования реактивных двигателей. В этом случае полет до Проксимы Центавра займет менее 30 лет.

• Читайте также: Будущее где-то рядом. Изобретения и открытия, которые навсегда изменят жизнь человечества

Впрочем, пока это только прожекты. Пол Марч, инженер NASA, опубликовавший сообщение об EmDrive, предлагает сосредоточиться на более простых задачах. Группа энтузиастов уже откликнулась на его призыв и провела расчеты, которые показывают, что замена реактивного двигателя (необходимого для корректировки орбиты) обычного спутника на EmDrive привела бы к снижению его взлетной массы с 3-х до 1,3 тонны. А это, в свою очередь, повлекло бы ощутимое снижение затрат на первоначальный вывод спутников на орбиту.