Возможен ли лазерный двигатель?

Да, лазеры вполне могут дать движущую силу. На самом деле, довольно часто обсуждается идея направить большой лазер на солнечный парус, чтобы ускорить его быстрее, чем это было бы возможно с помощью одного только паруса. Суть в том, что лазеры не могут быть на космическом корабле, они должны быть подальше от космического корабля.

И да, учитывая эти законы, лазеры действительно воздействуют на объект, из которого они запущены, с небольшой силой. Просто импульс настолько мал, что его едва замечают высокочувствительные устройства и мощные лазеры. Самый мощный лазер в мире — это лазер, расположенный в НИФ . Он может произвести импульс в 500 триллионов ватт, хотя и только на мгновение. Если бы вы сосредоточили это в одной точке, то на поглощающую поверхность она оказала бы силу около 367 Н. Та же самая сила будет приложена к парусу, но удвоится, поскольку она будет отражена (идеально). Следует отметить, что, хотя на самом деле это довольно большой импульс, он может происходить только в течение очень небольшой доли секунды, что затрудняет его применение.

Итак, вы находитесь на космическом корабле и хотите двигаться с помощью лазера, установленного на самом космическом корабле. Что вы делаете? Есть два варианта, которые вы могли бы сделать. Прежде всего, если вы отразите свет от отражающей поверхности, то свет отразится обратно, по сути, это даст небольшой импульс, потому что чистый эффект заключается в том, что свет отталкивается от паруса и выходит за его пределы. космического корабля. Но есть лучший способ. Вместо этого направьте лазер, как ракетный двигатель, и используйте его для тяги. Тогда вы получите 100% тяги от упомянутого лазера, и вы будете медленно ускоряться в том направлении, в котором хотите двигаться.

Конечно, нужно спросить, откуда берется энергия для питания этого лазера. Единственным мыслимым источником в долгосрочной перспективе является солнечная энергия. И для этого вы могли бы также использовать солнечный парусный спорт, он даст вам такую ​​же отдачу от вашего пространства, но с меньшим весом.

Суть в том, что единственный способ, который имеет смысл использовать это, — это если в вас стреляет лазер из удаленного места. В противном случае это просто не имело бы никакого смысла.

Позже я позаимствую аналогию у барона Мюнхгаузена (см. рис. 1), чтобы проиллюстрировать три закона движения Ньютона , которые действуют в такой системе, которую вы предлагаете, и почему было бы невозможно создать движущая сила, если лазеры и солнечный парус являются частью одной и той же замкнутой системы (или единого тела), но давайте сначала пройдемся по этим законам движения:

1. Первый закон : если смотреть в инерциальной системе отсчета, объект либо покоится, либо движется с постоянной скоростью, если на него не действует сила.
2. Второй закон : ускорение тела прямо пропорционально и имеет то же направление, что и результирующая сила, действующая на тело, и обратно пропорционально его массе. Таким образом, F = ma, где F- результирующая сила, действующая на объект, m- масса объекта и a- ускорение объекта.
3. Третий закон : когда одно тело действует на другое тело с силой, второе тело одновременно действует с силой, равной по величине и противоположной по направлению силе первого тела.

^{Источник: Википедия - законы движения Ньютона.}

Итак, первые два закона кажутся многообещающими, но я обещал проиллюстрировать проблемы вашего предложения аналогией, так что вот она:

                     ^{Рис. 1 - Барон Мюнхгаузен вытаскивает себя из трясины за собственные волосы. Источник: Википедия}

Я не пытаюсь быть умным или каким-либо образом высмеивать ваше предложение. Я просто искренне люблю рассказы барона Мюнхгаузена с детства, и этот, где Мюнхгаузен якобы вытащил себя и лошадь, на которой он сидел, из болота за собственные волосы , является настолько хорошей аналогией, насколько я могу сейчас придумать. , и это научило меня той же самой динамике закрытой системы, которую я здесь описываю, когда я был ребенком и до этого даже не слышал о Ньютоне.

Так что да, в то время как лазеры будут оказывать радиационное давление на солнечные паруса (см . Ответ @PearsonArtPhoto для получения дополнительной информации), они также будут оказывать силу, равную по величине и противоположную по направлению на корпус транспортного средства, согласно третьему закону движения Ньютона. И поскольку лазеры являются частью одной и той же системы (а не двух отдельных тел, как указано в третьем законе движения Ньютона — они прикреплены к транспортному средству, а оно к солнечным парусам, возможно, каким-то длинным тросом), эта сила на солнечный парус будет уравновешен равной и противоположной силой, действующей на лазеры, испускающие фотоны. Это растянет тросы, которыми паруса соединены с космическим кораблем, но не более того.

Это небольшое обобщение, так как лазеры работают как концентраторы фотонов ( оптическое усиление ) и много раз перемещаются туда и обратно внутри усиливающей среды, но они перемещаются ровно на одну длину усиливающей среды дольше в направлении выходного ответвителя, поэтому наша первоначальная презумпция остается в силе.

Простое замечание на всякий случай (используя «идею» Мюнхгаузена, но давайте сделаем ее менее потенциально болезненной и неприятной) — обхватите руками талию и попробуйте подняться, вообще не двигая ногами. Вы обнаружите, что это совершенно невозможно, если только вы не приложите силу к другому телу, которое не является частью вашего и которое вы можете оттолкнуть.

Теперь, если бы лазер был размещен на другом теле, такая движущая сила была бы вполне возможна. Его также можно было бы использовать для постоянного изменения направления (вращения вокруг своей оси), даже если бы он был частью одного и того же тела, но он не работал бы как долгосрочное движение в любом желаемом направлении. Не путем нацеливания на лазеры, излучающие фотоны, на парусе, прикрепленном к тому же транспортному средству. Хоть бы работало без паруса. К сожалению, здесь не бывает бесплатных обедов, даже с фотонами.

Изменить, чтобы добавить : я вижу в комментариях, что мои ответы и ответы @PearsonArtPhoto вызвали некоторые опасения по поводу их точности из-за предполагаемой концепции «бесплатного обеда» толкания солнечных парусов с использованием генерируемого на борту лазерного луча. Далее следует немного предыстории фактически предлагаемого режима движения, найденного в научных статьях. Если кто-нибудь сможет найти предлагаемое решение, которое делает это в замкнутой системе и двигает космический корабль в любом направлении, фокусируя лазерный луч, который находится на борту космического корабля, на солнечных парусах, прикрепленных к тому же космическому кораблю, я буду очень заинтересован читать газету.

Во- первых, из Википедии о силовой установке с лучевым приводом - Прямой импульс :

Луч должен иметь большой диаметр, чтобы только небольшая часть луча не попадала в парус из-за дифракции, а лазерная или микроволновая антенна должна иметь хорошую стабильность наведения, чтобы судно могло наклонять свои паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром. пучка. Это становится более важным при переходе от межпланетного путешествия к межзвездному путешествию, а также при переходе от миссии пролета к миссии посадки и миссии по возвращению. Лазер или микроволновый передатчик, вероятно, представлял бы собой большую фазированную решетку небольших устройств, получающих энергию непосредственно от солнечного излучения. Размер массива устаревает любой линзой или зеркалом.

Верно. Не совсем прямо отвергая идею переноса источника лазерного луча на борт космического корабля, но предполагается, что источник луча должен быть стационарным, подразумевая тем больше радиусы (из-за углового разрешения), чем дальше космический корабль находится от энергии. источник луча. Давайте сделаем еще один шаг и процитируем настоящие научные статьи, а не только Википедию (что в большинстве случаев нормально, но нельзя с какой-либо степенью уверенности доверять ее выводам, если только не быть абсолютно уверенным, что это не меняет подразумеваемого смысла ее цитируемые источники);

Из передовых концепций Lightsail на солнечной и лазерной энергии, окончательный отчет, 31 мая 1999 г. - Институт передовых концепций НАСА (PDF) :

1.11 Движение с использованием лучевой энергии (страницы 4-6)

Альтернативное решение проблемы отношения масс, необходимого для высокоскоростного полета, заключается в использовании лучевой энергии. При движении с лучевой энергией источник энергии остается неподвижным, а зонд толкается на расстоянии. Поскольку двигательная установка не движется, вес источника энергии не критичен, и топливо не нужно возить с собой.

Примером движения лучевой энергии является парус, толкаемый фотонами. Поскольку у фотона есть импульс, фотонный луч может «толкать» отражающий парус. На практике сила, возникающая при отражении светового луча, составляет 6,7 ньютона на гигаватт отраженного света. Эта сила приходит без расхода топлива вообще. Таким образом, это чрезвычайно удобно для миссий с высокой дельта-V.

Так что у нас это. Такие системы описывают стационарный источник луча и движущийся космический корабль, противодействующий инерционной силе, которую отраженные фотоны воздействуют на солнечный парус.

Я также наблюдал за первыми лабораторными испытаниями возможности использования этого импульса фотонов, нацеленных на чрезвычайно легкий солнечный парус, но, к сожалению, точно не помню, где проводилось это исследование или кто был издателем (это было довольно назад, наверное, около 10 лет?). Тем не менее, тестовая система была собрана в вакуумной камере со стационарным мощным лазером и небольшим (размером примерно 1 квадратный дюйм) солнечным парусом, удерживаемым на месте чрезвычайно чувствительным рычагом, который не сообщал движения испытательному образцу. солнечного паруса в направлении светового луча. Измеренные силы были чрезвычайно малы, но концепция сработала, и предложенный метод подтвердился. Опять же - с помощью стационарного источника лазерного луча!

Надеюсь, это немного проясняет ситуацию.

Другие охватывали некоторые важные моменты, касающиеся использования удаленных источников луча в качестве движущей силы для солнечных парусов. Позвольте мне добавить еще кое-что:

Солнечный парус огромен, чтобы собрать много относительно слабой, рассеянной солнечной энергии и использовать ее (очень слабый) кинетический компонент, чтобы оттолкнуться от (огромной, но дешевой) зеркальной поверхности - Солнце светит во всех направлениях, и вам нужна огромная поверхность, чтобы поймать его энергию. для обеспечения разумной тяги вашего автомобиля (но поверхность может быть из любого дешевого светоотражающего материала).

Если вы используете источник света более высокой интенсивности, чем солнечный свет, сконцентрированный на небольшой площади, возможно, вам лучше использовать фотогальванический эффект луча. Сконцентрируйте лазерный луч на гораздо меньшей (но более дорогой в строительстве) площади солнечного элемента. Посветив лазером на десять квадратных метров солнечных батарей, вы вряд ли создадите прямой кинетический толчок величиной, сравнимой с квадратным километром солнечного паруса, вы дадите ему достаточно хорошее напряжение, которое затем можно будет использовать для ускорения ничтожных количеств материи. к релятивистским скоростям, обеспечивающим довольно эффективную тягу в виде ионного двигателя, который использует очень мало твердого топлива и производит тягу, пропорциональную количеству электричества, которое вы в него вкачиваете.

Итак, если вы решили посветить лазером на корабль, не используйте этот лазер, чтобы толкать этот корабль. Используйте его, чтобы привести в действие двигатель этого корабля.

Если бы вы использовали лазер, подключенный к вашему «плавучему маяку», чтобы оттолкнуться от паруса, то только та часть света, которая отражена от паруса, двигала бы ваш «плавучий плавучий маяк» вперед. Любой свет, поглощенный парусом или отраженный парусом обратно на корабль, будет потрачен впустую. Направление лазера в заднюю часть корабля даст наилучшую тягу с тем же лазером.

Наземный лазер, толкающий ваш парус, будет использовать весь падающий на него свет для движения вашего корабля, но если вы используете парус, отражающий этот лазерный свет, вы почти удвоите величину ускорения от того же лазера. Вы получите переданный импульс от света, падающего на парус, и дополнительную тягу света, отражающегося от паруса и возвращающегося обратно к своему источнику. В высокоскоростных водяных турбинах малого объема они используют лопасть в форме двух чаш и направляют струю воды в середину двух чаш. Этот импульс поглощается и вращает колесо, но вода продолжает двигаться по внутренней поверхности чаши и выходит почти в том же направлении, откуда она пришла, добавляя эту реакцию, чтобы толкать турбину еще быстрее. Зеркальный световой парус был бы почти в два раза эффективнее поглощающего паруса.