현대 로켓 엔진은 기술을 궤도에 진입시키는 데는 탁월하지만 장기간의 우주 여행에는 전혀 적합하지 않습니다. 그래서 10년 넘게 과학자들은 우주선을 가속하여 기록적인 속도를 낼 수 있는 대체 우주 엔진을 만들기 위해 노력해 왔습니다. 이 분야의 7가지 핵심 아이디어를 살펴보겠습니다.
1. EmDrive
이동하려면 무언가에서 밀어내야 합니다. 이 규칙은 물리학 및 우주 비행의 흔들리지 않는 기둥으로 간주됩니다. 지구, 물, 공기 또는 로켓 엔진과 같은 가스 제트 등 정확히 시작되는 곳은 그다지 중요하지 않습니다.
유명한 사고 실험: 우주비행사가 우주 공간에 들어갔을 때 그를 우주선에 연결하는 케이블이 갑자기 끊어지고 그 사람이 천천히 날아가기 시작한다고 상상해 보세요. 그에게는 도구 상자만 있을 뿐입니다. 그의 행동은 무엇입니까? 정답: 그는 배에서 도구를 버려야 합니다. 운동량 보존의 법칙에 따르면 사람이 도구에서 던지는 힘은 도구가 사람에게서 던지는 힘과 정확히 동일하므로 사람은 점차 우주선을 향해 움직일 것입니다. 실험에서 알 수 있듯이, 이 흔들리지 않는 주장을 반박할 가능성이 어느 정도 있습니다.
이 엔진의 창시자는 2001년 자신의 위성 추진 연구 회사를 설립한 영국 엔지니어 Roger Schaal입니다. EmDrive의 디자인은 금속통 형태로 양쪽 끝이 밀봉되어 있어 상당히 고급스럽습니다. 배럴 내부에는 기존 전자레인지와 마찬가지로 전자기파를 방출하는 마그네트론이 있습니다. 그리고 매우 작지만 눈에 띄는 추력을 생성하는 데 충분하다는 것이 밝혀졌습니다.
저자는 "버킷"의 서로 다른 끝에서 전자기 복사의 압력 차이를 통해 엔진 작동을 설명합니다. 넓은 끝보다 좁은 끝이 더 작습니다. 이것은 좁은 끝을 향한 추력을 생성합니다. 이러한 엔진의 작동 가능성에 대해 여러 번 의문이 제기되었지만 모든 실험에서 Schaer 장치는 의도한 방향으로의 추력이 있음을 보여주었습니다.
실험:
Sal 배럴을 테스트하는 실험자에는 NASA, 드레스덴 기술 대학교 및 중국 과학 아카데미와 같은 조직이 포함됩니다. 본 발명은 진공을 포함한 다양한 조건에서 테스트되었으며 20 마이크론의 추력을 나타냈습니다.
이는 화학 제트 엔진에 비해 매우 작습니다. 그러나 Schaar 엔진은 연료 공급이 필요하지 않고(태양 전지가 마그네트론 작동을 제공) 마음대로 작동할 수 있다는 점을 고려하면 우주선 속도의 백분율로 측정되는 엄청난 속도로 우주선을 가속할 수 있는 잠재력이 있습니다. 빛.
엔진의 성능을 완벽하게 발휘하기 위해서는 더 많은 측정을 실시하고 외부 자기장 등 발생할 수 있는 부작용을 제거해야 할 것입니다. 그러나 일반적으로 일반적인 물리 법칙을 위반하는 Schaer 엔진의 비정상적인 추력에 대해 다른 가능한 설명이 제안되었습니다.
예를 들어, 어떤 사람들은 양자 수준에서 0이 아닌 에너지를 갖고 끊임없이 나타나고 가상 기본 입자가 사라집니다. 궁극적으로 누가 옳은가 - 이론의 저자, Schaal 자신 또는 다른 회의론자들은 가까운 장래에 알게 될 것입니다.
2. 태양돛
위에서 언급했듯이 전자기 복사는 압력을 생성합니다. 이는 이론적으로 돛의 도움을 받아 운동으로 변환될 수 있음을 의미합니다. 지난 세기의 배가 바람을 잡기 위해 돛을 사용했던 것처럼, 미래의 우주선도 돛을 사용하여 태양이나 다른 별빛의 원천을 잡을 것입니다.
그런데 문제는 광압이 극히 작고 광원과의 거리가 멀어질수록 감소한다는 점이다. 따라서 그러한 돛이 유용하려면 매우 가볍고 매우 커야 합니다. 이는 소행성이나 다른 물체와 만날 때 전체 구조물이 파괴될 위험을 증가시킵니다.
태양광 항해 선박을 제작하여 우주로 발사하려는 시도가 있었습니다. 러시아는 1993년에 프로그레스 우주선에서 태양 돛을 테스트했고, 일본은 2010년에 금성으로 가는 도중에 태양 돛을 성공적으로 테스트했습니다.
그러나 아직까지 돛을 주요 가속원으로 사용하는 선박은 없습니다. 이와 관련하여 또 다른 프로젝트인 전기돛이 더 유망해 보입니다.
3. 전기 돛
태양은 광자뿐만 아니라 전자, 양성자, 이온과 같은 하전 물질 입자도 방출합니다. 이 모든 입자는 매초 태양 표면에서 약 100만 톤의 물질을 제거하는 태양풍을 형성합니다.
태양풍은 수십억 킬로미터를 이동하며 지구 자기 폭풍과 북극광과 같은 지구상의 자연 현상 중 일부를 담당합니다. 지구는 태양풍으로부터 발생하는 자체 자기장으로 보호됩니다.
태양풍은 공기풍과 마찬가지로 여행에 매우 적합하므로 돛에 불게 놔두기만 하면 됩니다. 2006년 핀란드 과학자 페카 얀후넨(Pekka Janhunen)이 창안한 전기돛 프로젝트는 태양광 전기돛과 공통점이 없다. 엔진은 테두리가 없는 바퀴의 살과 유사한 여러 개의 길고 얇은 케이블로 구성됩니다.
전자총이 역행 방향으로 발사되기 때문에 이러한 케이블은 양극 전위를 얻습니다. 전자의 질량은 양성자 질량의 약 1,800배이므로 전자에 의해 생성되는 추력은 근본적인 역할을 하지 않습니다. 태양풍의 전자는 그러한 항해에 중요하지 않습니다. 그러나 양성자와 알파 방사선과 같은 양전하 입자는 밧줄에 의해 반발되어 제트 추력을 생성합니다.
이 추진력은 태양돛의 추진력보다 약 200배 작지만 유럽 우주국은 이 프로젝트에 큰 관심을 갖고 있습니다. 실제로 전기돛은 우주에서 설계, 제조, 배치 및 작동하기가 훨씬 쉽습니다. 또한, 전기 돛은 중력을 이용하여 항성풍의 근원지에서 멀어지는 것이 아니라 항성풍의 근원지까지 이동할 수 있습니다. 그리고 돛은 태양돛보다 표면적이 훨씬 작기 때문에 소행성과 우주 잔해에 덜 취약합니다. 아마도 앞으로 몇 년 안에 우리는 전기 돛을 갖춘 최초의 실험용 보트를 보게 될 것입니다.
4. 이온 엔진
하전 물질 입자, 즉 이온의 흐름은 별에서만 방출되는 것이 아닙니다. 이온화된 가스는 인공적으로 생성될 수도 있습니다. 일반적으로 가스 입자는 전기적으로 중성이지만 원자나 분자가 전자를 잃으면 이온이 됩니다. 가스는 전체 질량에 비해 충전되지 않은 상태로 유지되지만 개별 입자는 충전 입자가 됩니다. 즉, 자기장 내에서 이동할 수 있습니다.
이온 엔진에서 불활성 가스(보통 크세논)는 고에너지 전자 흐름에 의해 이온화됩니다. 그들은 원자에서 전자를 떨어뜨려 양전하를 얻습니다. 또한 생성된 이온은 정전기장에서 초당 200km의 속도로 가속되는데, 이는 화학 제트 엔진의 가스 유출 속도보다 50배 빠른 속도입니다. 그러나 현대 이온 추진기의 추력은 매우 작습니다(약 50~100나노톤). 이러한 엔진은 테이블 밖으로 이동할 수도 없습니다. 그러나 그에게는 한 가지 심각한 이점이 있습니다.
비중이 크면 엔진의 연료 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 태양전지에서 얻은 에너지는 가스를 이온화하는 데 사용되므로 이온 엔진은 최대 3년까지 중단 없이 오랫동안 작동할 수 있습니다. 그 동안 그는 화학 엔진이 꿈꿀 수 있는 속도로 우주선을 가속할 시간을 갖게 될 것입니다.
이온 엔진은 다양한 임무의 일환으로 반복적으로 태양계의 광대한 공간을 이동하지만 일반적으로 주력보다는 보조 역할을 합니다. 오늘날 그들은 이온 추진기의 가능한 대안으로 플라즈마 추진기에 대해 점점 더 많이 이야기하고 있습니다.
5. 플라즈마 엔진
원자의 이온화 정도가 매우 높아지면(약 99) 이러한 물질 응집 상태를 플라즈마라고 합니다. 플라즈마 상태는 고온에서만 달성되므로 이온화된 가스는 플라즈마 엔진에서 수백만도까지 가열됩니다. 난방은 외부 에너지원(태양광 패널 또는 보다 현실적으로는 소형 원자로)을 사용하여 수행됩니다.
그런 다음 뜨거운 플라즈마가 로켓의 노즐을 통해 방출되어 이온 추진기보다 수십 배 더 큰 추력을 생성합니다. 플라즈마 엔진의 예로는 1970년대부터 개발이 진행된 VASIMR 프로젝트가 있습니다.
이온 추진기와 달리 플라즈마 추진기는 아직 우주에서 테스트되지 않았지만 큰 희망이 있습니다. 화성 유인 비행의 유력 후보 중 하나가 바로 VASIMR 플라즈마 엔진이다.
6. 핵융합 엔진
20세기 중반부터 사람들은 열핵융합의 힘을 길들이기 위해 노력해 왔지만 지금까지 길들이지 못했습니다. 그러나 제어된 열핵융합은 헬륨과 수소 동위원소와 같은 매우 저렴한 연료로부터 막대한 에너지를 얻을 수 있기 때문에 여전히 매우 매력적입니다.
현재 여러 프로젝트에서 열핵융합을 에너지로 사용하는 제트 엔진을 설계하고 있습니다. 이들 중 가장 유망한 것은 자기 플라즈마 밀폐형 반응기를 기반으로 한 모델로 간주됩니다. 이 엔진의 열핵 원자로는 길이 100~300m, 직경 1~3m의 무압력 실린더 형태입니다. 객실은 충분한 압력 하에서 핵융합 반응에 들어갈 수 있는 고온 플라즈마 형태의 연료를 제공해야 합니다. 테스트 챔버 주변에 위치한 자기 시스템 코일은 이 플라즈마가 장비와 접촉하는 것을 방지해야 합니다.
열핵 반응 구역은 이 원통의 축에 위치해 있습니다. 자기장의 도움으로 극도로 뜨거운 플라즈마가 반응기 노즐을 통해 흘러 화학 엔진보다 몇 배나 더 큰 엄청난 추력을 생성합니다.
7. 반물질 엔진
우리 주변의 모든 물질은 반정수 스핀을 갖는 기본 입자인 페르미온으로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 핵의 양성자와 중성자와 전자를 구성하는 쿼크가 있습니다. 게다가, 각 페르미온은 자신만의 반입자를 가지고 있습니다. 전자의 경우 이는 양전자이고 쿼크의 경우 반쿼크입니다.
반입자는 일반 "동지"와 동일한 질량과 스핀을 갖지만 다른 모든 양자 매개변수의 부호는 다릅니다. 반입자는 이론적으로 반물질을 구성할 수 있지만, 지금까지 반물질은 우주 어디에도 등록되지 않았습니다. 기초과학의 경우, 가장 큰 질문은 왜 그것이 존재하지 않는가 하는 것입니다.
하지만 실험실 조건에서는 약간의 반물질을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 최근 누군가가 자기 트랩에 저장된 양성자와 반양성자의 특성을 비교하는 실험을 수행했습니다.
반물질과 일반물질이 만나면 엄청난 에너지 폭발과 함께 상호 소멸의 과정이 일어나게 된다. 따라서 물질과 반물질 1kg을 합치면 이들이 만났을 때 방출되는 에너지는 인류 역사상 가장 강력한 수소폭탄인 '차르 폭탄'이 폭발한 것과 맞먹는다.
더욱이 에너지의 상당 부분은 전자기 방사선의 광자 형태로 방출됩니다. 태양 돛과 유사한 광자 엔진을 만들어 이 에너지를 우주 여행에 사용할 수 있기를 바랍니다. 이 경우에만 빛이 내부 소스에서 생성됩니다.
하지만 제트 엔진에서 나오는 방사선을 효과적으로 사용하려면 이러한 광자를 반사할 수 있는 '거울'을 만드는 문제를 해결해야 합니다. 결국, 우주선은 추력을 생성하기 위해 특정 방식으로 밀어내야 합니다.
현대의 어떤 물질도 그러한 폭발 중에 생성되는 방사선을 견딜 수 없어 즉시 증발합니다. 공상 과학 소설에서 Strugatsky 형제는 "절대 반사경"을 만들어 이 문제를 해결했습니다. 실생활에서는 아직 아무도 이런 일을 해본 적이 없습니다. 이 작업은 대량의 반물질을 생성하고 이를 장기간 저장하는 문제만큼이나 미래 물리학의 문제입니다.