Может ли фотонный двигатель работать?

TL;DR — нецелесообразно из-за высокого энергопотребления.

Давайте рассмотрим мощность фотонного двигателя с использованием двух длин волн: одной длинной (радио/УВЧ на частоте 3 ГГц, длина волны 0,1 метра) и одной короткой (рентгеновское излучение на частоте 300 Гц, длина волны 1 нм). Энергия фотона ($E$) определяется$E = \frac{hc}{\lambda}$а импульс ($p$) является$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}$.$h$постоянная Планка$6.626\times10^{-34} \text{J}\cdot\text{s}$, и$c$это скорость света$3.00\times10^8\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Для фотона 1,0 нм$E = 2.0\times10^{-16}\text{J}$и$p = 6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$.

Давайте сравним теоретический рентгенофотонный двигатель с двигателем на эффекте Холла (который летает в космос с 70-х годов).

Типовой двигатель на эффекте Холла требует входной мощности 2 кВт и создает тягу 100 миллиньютонов. Если предположить, что спутник массой 1000 кг, ускорение будет$a = \frac{F}{m} = \frac{.1\text{N}}{1000\text{kg}}=0.0001\frac{\text{m}}{\text{s}^2}$. Следовательно, за 1 день (86400 с) тяги он может вывести спутник массой 1000 кг из состояния покоя до скорости$v_f = v_i + a\cdot t = 0 + 0.0001\frac{\text{m}}{\text{s}^2}\cdot 86400s = 8.64 \frac{\text{m}}{\text{s}}$. Не слишком большое ускорение, но потребовалось всего 2 кВт мощности.

Теперь давайте попробуем заставить наш фотонный двигатель соответствовать этой скорости. Изменение импульса, необходимое для спутника массой 1000 кг, составляет 8,64.$\frac{\text{m}}{\text{s}}$8640$\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$. Если каждый вылет фотона из двигателя сообщает$6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$, тогда$n = \frac{8640 \frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}}{6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}} = 1.30\times10^{28}$необходимы фотоны, требующие энергии$1.30\times10^{28} \cdot 2.0\times10^{-16}\text{J} = 2.59\times10^{12}\text{J}$. Разделенное на день, получается 30 МВт только для энергии, которая должна быть передана фотонам, при условии, что двигатель работает идеально.

Итак, вы видите проблему. Фотонный двигатель потребует (при идеальной эффективности) примерно на 4 порядка больше энергии, чем современный ионный двигатель для создания такой же тяги. Я бы предположил, что будущие ионные двигатели будут еще более эффективными. Также обратите внимание, что соотношение между импульсом и энергией фотона постоянно (скорость света), поэтому теоретическая максимальная эффективность двигателя не меняется с длиной волны.

Таким образом, фотонный двигатель не подходит для реальной физики; это объясняет, почему предложения по тяге, связанные с фотонами, включают солнечные паруса, где солнце дает фотонам энергию.

Если вы хотите использовать физику «может быть», то вы можете сказать, что существует способ генерировать фотоны, который не требует генерации энергии в виде электричества. Какое-то экзотическое взаимодействие темной материи/темной энергии/антиматерии и т. д. Или, можно сказать, просто волшебство. В этом случае фотонный двигатель сработает, но следите за тем, на что вы направляете этот двигатель. Если фотоны упаковывают 30 МВт при 100 мН, то они будут стоить 39 ТВт, если они соответствуют 130 кН двух двигателей F-15. Это скорее луч смерти, чем транспортная система.

Фотонный двигатель, как вы описали, будет работать. В конце концов, фотоны обладают силой толкания, а если толкать, то возникает отдача.

С этим двигателем есть две проблемы: как и ионный двигатель, фотонный двигатель также будет высокоимпульсным двигателем, и вам сначала понадобится альтернативный способ достижения орбиты.

Вторая проблема заключается в том, что отдача света очень-очень мала. Я не физик, так что поправьте меня, если я ошибаюсь, чтобы рассчитать толчок света, нам нужно преобразовать энергию, содержащуюся в этом свете, в эквивалент массы, умноженный на его скорость. Поскольку фотоны вообще не имеют массы, их толкающая сила исходит из их энергии. Допустим, энергия фотонов равна$E$. Чтобы получить массу, ее нужно разделить на$c^2$от$e = m c^2$. Если мы умножим это на его скорость$c$, результирующая формула будет$\frac{E}{c}$что выглядит не очень. Допустим, у вас есть 3 МВт ( =$3 \times 10^6 kg.m^2/s^3$) лазер. Деленное на$3 \times 10^8 m/s$даст нам$0.01kg . m / s^2$толкать. Это ускорит 1-тонный космический корабль на$3.2 km/h$ежедневно. Но заметьте, дизель-генератор мощностью 1 МВт без топлива весит 5 тонн. Я не считаю, что это достаточно эффективно. Вероятно, ионный двигатель был бы намного лучше и намного проще.