ОСНОВЫ ФОТОННОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Михаил Пищулин

Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещает осуществление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 50 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.

Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме того, без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических "странников" типа комет, астероидов.
О высокой эффективности УТС свидетельствует положительный баланс в извлечении энергии. При ядерных реакциях деления можно получить 0,1 % от всей энергии вещества, при ядерном синтезе - примерно 0,6 %. Но теорией не запрещено получение 100 % энергии, что становится возможным при аннигиляции вещества. Безусловно, получить 100 % энергии вещества на современном уровне технологий - не столь близкая перспектива, но о получении энергии в 2...3 % в земных условиях следует задуматься уже в ближайшем будущем.

С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 10¹²…10¹³ Гс. Такие поля достигаются на стадиях эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.

Создание магнитного поля с индукцией 10¹³ Гс

Начиная с 70-х годов прошлого века группа ученых в составе А. Борисова, А. Боровского, В. Коробкина, А. Прохорова и других изучала явление самоканалирования мощных ультракоротких лазерных импульсов в веществе. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г. Аскарьян в 1962 г. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса, составляет величину Р ~ 3·10¹¹ Вт. Как установлено, обнаруженный нелинейный режим, приводящий к сильной самоконцентрации оптической энергии в малой области, перемещающейся в веществе, открывает интересные перспективы. Одним из возможных приложений является генерация сверхсильных магнитных полей. В ходе экспериментов с конденсированными средами был обнаружен эффект возникновения лазерной ЭДС в металлах. Лазерная ЭДС проявлялась, когда один из торцов металлического кольца (аналог биттеровского) освещали ультракоротким импульсом лазера с мощностью 1…10 МДж. Выбитые лучом лазера с торца электроны переходили на противоположный торец, отчего возникал импульс тока в 50 кА. Возникающее магнитное поле было порядка 10⁷ Гс. Диаметр металлического кольца был на уровне нескольких миллиметров (для уменьшения реактивного сопротивления), а длительность лазерного импульса - примерно t =10^-6 с. При большей длительности импульса кольцо расплавится или его разорвет магнитное поле. Но при импульсе в одну микросекунду в нем не возникали даже механические напряжения.

При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме: индукция составляет ~ 60 МГс.

Для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить плотность электронов в среде (для металлов ~ 10²³ см^-3) или увеличить диаметр лазерного луча, сохранив интенсивность излучения. В связи с тем, что повышение интенсивности излучения связано с отдаленной перспективой развития лазерных технологий, целесообразно попытаться увеличить плотность электронов. Для этого необходимо разместить соленоиды, подобные биттеровскому, один за другим. При такой компоновке, если лазерный луч или два луча от разных лазеров будут иметь возможность последовательно и кратковременно освещать эмиссионные торцы соленоидов, то при освещении торца первого соленоида в нем возникнет мощный импульс магнитного поля, который по закону электромагнитной индукции произведет разделение зарядов в соседнем соленоиде. Разделение зарядов означает, что электронная компонента (валентные электроны) под действием пандеромоторной силы выталкиваются из объема металла соленоида на эмиссионный торец. Следовательно, на нем произойдет возрастание электронной плотности. Если в этот момент лазерный луч осветит эмиссионный торец соленоида, то значение лазерной ЭДС возрастет. Как следствие, возрастет и возникающее магнитное поле.
Численные расчеты пандеромоторной силы, действующей на свободные электроны во втором соленоиде вследствие влияния магнитного поля В = 10⁷ Гс первого соленоида свидетельствуют о возрастании плотности электронной компоненты на эмиссионной поверхности второго соленоида на семь порядков, т.е. показатель плотности близок к значению 10³⁰ см^-3. Возросшая плотность будет наблюдаться в слое меньшем, чем глубина скин-эффекта для лазерного излучения. Повышение плотности электронной компоненты позволит подойти к значениям магнитного поля с индукцией порядка ~ 10¹²…10¹³ Гс.

Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения.

Согласно теории, заряженные частицы при движении в магнитном поле могут изменять направление своего движения. Так, они могут вращаться по ларморовской окружности с определенной скоростью (поперечной скоростью), либо, в более сложном случае, центры ларморовских окружностей могут двигаться вдоль силовых линий.

В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах напряженность поля меняется очень мало.

Вакуумное рождение частиц

На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантово-полевые представления о физическом вакууме (ФВ), который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум "мигает" появляющимися полями, "кипит" рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффекте, качественно предсказанном еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон-позитронная пара. Если внешнее электрическое поле способно произвести работу, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Екр ~ 3·10¹⁶ В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.

Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 10²¹ Вт/см² с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Е_кр.

В соответствии с кинетическим уравнением (КУ), описывающим нестационарное вакуумное рождение частиц, которое было теоретически обосновано в 1997 г. физиками-теоретиками из разных стран, процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интегродифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.

Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутреннее поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, а это значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Е_кр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано А.А. Соколовым, Н.П. Клепиковым и И.М. Терновым в 1953 г., Ю. Швингером в 1954 г. которые получили следующий результат для потребной магнитной индукции так называемого Швингеровского поля ~ 4,41·10¹³ Гс.

Известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути, не меняя ее скорости. Сила Лоренца не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, в связи с чем появляется возможность использования порогового эффекта по частоте для виртуальных частиц, рождаемых в вакууме, поскольку при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар m·с² перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности.

Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку В_кр = 10¹³ Гс. Следовательно, в таком поле энергия кратковременно появившихся из вакуума частиц m·c² перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. В режиме "замагничивания" движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет невозможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим "замагничивания" позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь, наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождения из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар, которые также подвергнутся "замагничиванию". Такой множественный и последовательный процесс рождения и "замагничивания" будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.

Как предсказывает кинетическая теория, при определенной плотности рожденных из вакуума частиц их внутреннее электрон-позитронное поле превысит Е_кр. Следовательно, из вакуума возникнет мощная плазменная осцилляция. На находящуюся в магнитном поле плазму действует выталкивающая (пандеромоторная) сила. Расчет выталкивающей силы, действующую на каждую частицу рожденной электрон-позитронной плазмы в магнитном поле, по порядку равном Швингеровскому, составляет примерно 3·10⁴ кг. На основе третьего закона Ньютона одинаковая по модулю, но противоположно направленная сила будет создавать реактивную тягу. Роль прохода для выброса плазмы из магнитного поля осуществляют разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из разреза в соленоидах произойдет аннигиляция частиц с образованием гамма-квантов.

Устройство фотонного двигателя

Основой двигательной установки является вращающееся колесо, установленное в горизонтальной плоскости и имеющее жесткое крепление с валом электродвигателя. По периметру колеса установлены наборы биттеровских соленоидов. Каждый набор состоит из тысячи биттеровских соленоидов, объединенных в сегменты (маркерный соленоид и несколько усиливающих). Соленоиды в наборах ориентированы с возможностью освещения их торцов лазерными лучами от установленных по периметру двигателя лазерных пушек. Работа лазерных пушек синхронизирована с маркерными кольцами. С целью увеличения подъемной силы на двигателе можно разместить несколько дополнительных наборов соленоидов по такому же принципу.

Устройство работает следующим образом. Аккумуляторы подают питание на электродвигатель. Происходит разгон колеса до заданной частоты вращения с последующей ее стабилизацией. Через преобразователи накачиваются лазерные пушки, которые работают в импульсном режиме. Синхронно с пространственным положением колеса обеспечивается подача первых импульсов на маркерные соленоиды, которые инициируют начальное магнитное поле, а затем - на следующие за ними. Возникает мощное магнитное поле по рассмотренному ранее механизму. Магнитное поле "замагничивает" виртуальные вакуумные частицы, которые в виде плазменного образования под действием пандеромоторной силы выбрасываются из магнитного поля соленоидов. Для прохода частиц плазмы служат разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из магнитного поля соленоидов происходит аннигиляция частиц, т.е. выделяются гамма-кванты. При работе установки накачка лазеров осуществляется от образующихся гамма-квантов. За счет вращения наборов соленоидов и импульсной работы лазеров обеспечивается смена сегментов, попадающих под лазерные лучи, т. е. обеспечивается режим охлаждения.

Такой способ получения энергии имеет огромные преимущества:

Регулирование тяги возможно различными путями: