Фотонний двигун

Фото́нний двигу́н (квантовий) — гіпотетичний реактивний двигун, де джерелом енергії служить тіло, яке випромінює світло. Фотон має імпульс, і, відповідно, при витіканні з двигуна, світло створює реактивну тягу. Теоретично фотонний двигун може розвинути максимальну тягу з розрахунку на витрачену масу космічного апарату, дозволяючи досягати швидкостей, близьких до швидкості світла, проте практична розробка таких двигунів, судячи з усього, справа досить віддаленого майбутнього.

Анігіляційний фотонний двигун

Ентузіасти вважають, що взаємодія речовини і антиречовини дозволяє перевести практично всю вступаючу в реакції масу в випромінювання.^[1]

Тим не менш, треба зазначити, що поширене в літературі формулювання «при анігіляції виділяються гамма-кванти» в принципі фізично хибне. Гамма-кванти прямо виділяються тільки при електрон-позитронній анігіляції. У випадку анігіляції пари протон-антипротон в стані спокою (не релятивістської) відбувається складно-ланцюгова реакція: утворення (часто) адронного мезоатома з часом життя близько 10 ⁻²⁷ секунди, потім розпад цього атома (власне анігіляція) з утворенням піонного комплексу, що складається з 2-12 (в середньому 5-7) нейтральних (⅓) та заряджених (⅔) пі-мезонів (піонів), потім за час порядку 10 ⁻¹⁷ секунди нейтральні піони розпадаються з виділенням гамма-квантів з піком енергії в спектрі близько 70 МеВ, в той час, як заряджені піони, що мають значно більший час життя, до ~ 1,5 × 10 ⁻⁴ секунди, видаляються на швидкості світла з області реакції (у вакуумі і розрідженому середовищі — до 20-40 м, в щільному речовині, наприклад, графіті — близько 0,1-0,2 м) і потім розпадаються з утворенням мюонів, які у свою чергу розпадаються (в основному 99,998%, каналі розпаду) на нейтрино і електрони.

Таким чином, при анігіляції антиречовини — тобто речовини з антипротонів і позитронів, приблизно 1/3 енергії виділиться у вигляді жорсткого гамма-випромінювання з енергією квантів 511 кеВ (від позитронно-електронної анігіляції) і 70 МеВ від розпаду нейтральних піонів, ~ 1/3 енергії — у виді заряджених часток з досить великим пробігом, а ~ 1/3 — у вигляді нейтрино, тобто буде безповоротно втрачена.^[2]

Технічні проблеми

У сьогоднішньому стані ідея фотонного реактивного двигуна неймовірно далека від технічного втілення.

Вона містить ряд проблем, які зараз навіть теоретично не можуть бути вирішені:

Це:

1. Проблема отримання великої кількості антиречовини.
2. Проблема його зберігання.
3. Проблема повного використання при «спалюванні» — щоб анігіляція відбувалася повністю, і в основному з виділенням саме фотонів.
4. Проблема створення «дзеркала», здатного дуже добре відбивати гамма-випромінювання та інші продукти анігіляції.

Фотонний двигун на магнітних монополів

Якщо справедливі деякі варіанти теорій великого об'єднання, такі, як модель' т Хоофта — Полякова, то можна побудувати фотонний двигун, що не використовує антиречовину, так як магнітний монополь гіпотетично може каталізувати розпад протона ^[3][4] на позитрон і π ⁰ -мезон:

${\displaystyle P\ rarre^{+}+\ pi^{0}}$

π ⁰ швидко розпадається на 2 фотона, а позитрон анігілює з електроном, у результаті атом водню перетворюється на 4 фотона, і невирішеною залишається тільки проблема дзеркала.

У той же час у більшості сучасних теорій Великого об'єднання магнітні монополі відсутні, що ставить під сумнів цю привабливу ідею.

Згадки в науковій фантастиці

• У фільмі «Москва — Кассіопея» головні герої відправляються в космос на космічному кораблі, що використовує як паливо антиречовину.
• У серіалі «Star Trek (Зоряний шлях)» бортова енергосистема зорельотів використовує антиматерію тобто антиречовину як енергоносія, але двигуни зорельота не фотонні.
• У романі Івана Єфремова «Туманність Андромеди» зореліт и землян використовують фантастична речовина анамезон «із зруйнованими мезонними зв'язками ядер атомів, що має близькою до світловий швидкістю витікання»^[5].
• Станіслав Лем «Непереможний» і «Фіаско» — космічний корабель на фотонної тязі.
• В оповіданні Вл. Михайлова «Струмок на Япете» (1971) — космічний корабель на фотонної тязі «Синій птах»
• У творах братів Стругацьких (див. Хіус).
• У творі Бернара Вербера — «Зіркове метелик»

Фотонний двигун в реальності

Згідно з однією з гіпотез, аномальне прискорення космічних апаратів «Піонер-10» і «Піонер-11» викликано анізотропією теплового випромінювання апаратів. Якщо це так, то таким чином зафіксовано ефект, аналогічний фотонному двигуну. Аналогічно при визначенні параметрів гравітаційного поля Землі з траєкторій руху геофізичних супутників LAGEOS в розрахунки входить тиск сонячного світла (Сонячне вітрило) і анізотропія теплового випромінювання супутників.

Див. також

• Сонячне вітрило

Примітки

1. В. Бурдаков, Ю. Данилов — Ракеты будущего. — М.: Атомиздат(інші мови), 1980.
2. В. Бурдаков, Ю. Данилов — Ракеты будущего. — М.: Атомиздат(інші мови), 1980. с. 137—145.
3. Curtis G. Callan, Jr. (1982). Dyon-fermion dynamics. Phys. Rev. D. 26 (8): 2058—2068. doi:10.1103/PhysRevD.26.2058.
4. B. V. Sreekantan. Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles (PDF): 251—271. Архів оригіналу (PDF) за 24 вересня 2015. Процитовано 1 травня 2011. {{cite journal}}: Проігноровано невідомий параметр |Bibcode= (можливо, |bibcode=?) (довідка); Проігноровано невідомий параметр |Doi= (можливо, |doi=?) (довідка); Проігноровано невідомий параметр |Journal= (можливо, |journal=?) (довідка); Проігноровано невідомий параметр |Volume= (можливо, |volume=?) (довідка); Проігноровано невідомий параметр |Year= (можливо, |year=?) (довідка)
5. # note І. А. Єфремов« Туманність Андромеди ». Архів оригіналу за 23 березня 2012. Процитовано 1 травня 2011.