Фотонный двигатель (1)

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 (например, немецким учёным Э. Зенгером), её
практическая реализация остаётся делом отдалённого будущего.

2.

Физические основы фотонного двигателя
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.

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
хранения и контролируемого использования
антивещества.

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). Этот поток фотонов затем
отражается и фокусируется системой
зеркал для создания тяги.
Полученная тяга позволяет осуществлять
движение космического аппарата в
открытом космосе.

6.

Двигатель на магнитных монополях
Эта концепция основана на экзотической гипотезе о существовании магнитных монополей — частиц, несущих только один
магнитный полюс.
Согласно некоторым теориям (например, модели 'т Хоофта — Полякова), монополь мог бы катализировать распад протона на
позитрон и π⁰-мезон, который, в свою очередь, распадается на два фотона. Позитронаннигилирует с электроном, порождая
ещё два фотона. Этот процесс может иметь значительное влияние на понимание фундаментальных взаимодействий в физике
элементарных частиц.

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. Необходимы инновационные подходы к разработке новых материалов и технологий, способных преодолеть
существующие ограничения.
Также важно учитывать вопросы безопасности при работе с антивеществом и высокими энергиями.

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 —
примеры таких исследований.
Эти разработки открывают новые горизонты для
космических путешествий и межпланетных миссий.

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.

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, их физические основы и
проблемы, связанные с их реализацией. Мы также обсудили современные исследования и альтернативные подходы в этой
области, а также их отражение в научной фантастике.