Межзвездная среда отражает крайне низкочастотные радиоволны. Можем ли мы использовать этот факт для создания более эффективной фотонной ракеты?

Согласно уравнениям МГД электромагнитные волны не могут распространяться в плазме, если их частота ниже плазменной. (Для получения дополнительной информации см. этот вопрос о радиоволнах астрономической длины волны и этот вопрос о плазменной частоте .) Таким образом, волны ниже плазменной частоты отражаются. Вот почему радиосигналы отражаются от ионосферы Земли.

Предположим, у нас есть космический корабль в межзвездной среде, и мы начинаем передавать направленный пучок сверхнизких радиоволн с частотой, скажем, 1 кГц, что ниже местной плазменной частоты. Поскольку луч несет импульс, это создает небольшую силу на нашем космическом корабле. Затем, когда плазма отражает луч обратно в нашу антенну, мы можем снова отражать радиоволны, немного продвигаясь вперед. В принципе, мы могли бы продолжать повторно использовать фотоны, чтобы обеспечить еще большую тягу.

Позволит ли этот эффект создать фотонную ракету, превосходящую ограничения, установленные (релятивистским) уравнением ракеты?

Другой взгляд на эту идею: наивные фотонные ракеты используют энергию фотона очень «неэффективно». Предположим, мы строим ядерную фотонную ракету, использующую ядерный реактор для питания лазерного луча. Допустим, каждый фотон в лазерном луче несет по 1 эВ. В земной системе отсчета, если ракета движется со скоростью, намного меньшей скорости света, эффект Доплера невелик, и эти фотоны по-прежнему несут около 1 эВ. Но если бы мы могли перерабатывать фотоны, эффект Доплера передал бы некоторую энергию космическому кораблю каждый раз, когда фотоны отражаются. Таким образом, ракета могла извлекать гораздо большую долю энергии лазерного луча.

В целях обсуждения я попытаюсь немного конкретизировать то, как такое устройство может выглядеть на практике.

Плотность плазмы межзвездной среды вблизи Солнечной системы оценивается примерно в 0,1 см3.$^{-3}$, что дает плазменную частоту

( Вояджер-1 измерил плазменную частоту 2,6 кГц, так что это примерное значение.) Предполагая на мгновение, что межзвездная среда представляет собой полностью ионизированную плазму, находящуюся в тепловом равновесии при температуре 7000 К ( приблизительная температура Местного межзвездного облака ), мы можем использовать дисперсионное соотношение Бома-Гросса для расчета характерного масштаба затухающей волны частотой 1 кГц:

(Применяя к этому здравый смысл, трудно поверить, что в области такой глубины достаточно электронов, чтобы действительно отразить мощную радиоволну. Я полагаю, что радиационное давление очистило бы значительную полость в плазме позади космического корабля. .Однако стены полости должны по-прежнему отражать.)

Допустим, масса нашего космического корабля$10^{6}$кг и имеет на борту термоядерный реактор мощностью 1 тераватт, который превращает дейтерий и тритий в гелий-4, извлекая в среднем из каждой реакции 1 МэВ. Если отбросить продукты реакции и использовать реактор для питания лазерного луча, космический корабль получит импульс$E/c = 0.0033 \frac{\text{eV} \cdot \text{s}}{\text{m}}$за реакцию с потерей 5 а.е.м. массы. Для ракетного уравнения это дает эффективную скорость истечения$1.3 \times 10^5$м/с =$0.004c$и тягой 3300 Н. Но если вместо этого мы используем реактор для питания передатчика сверхнизкой частоты и, в среднем, мы можем заставить каждый фотон один раз отскочить от межзвездной среды и отразиться от антенны космического корабля, то мы просто утроим как тяги, так и удельного импульса. Это немного приближает нас к межзвездному двигателю. Итак, мой вопрос: будет ли это работать с точки зрения физики?

Для целей этого вопроса меня не интересуют практические вопросы. Предположим, что у нас есть технические возможности построить абсурдно легкую сверхпроводящую тарельчатую антенну диаметром в тысячи километров, термоядерный реактор, который может генерировать невероятное количество энергии, и радиаторы, которые могут отводить произвольное количество отработанного тепла.