Как крошечный космический корабль может стать межзвездным при помощи физики — «наука»
Популярная наука
Основная мысль проекта Breakthrough Initiatives Starshot пребывает в запуске маленького космического аппарата (наноспутника), что сможет развить сверхвысокую скорость и добраться до ближайшей звезды (не до Солнца) за 20-летний период. Вот узнаваемые мне ответственные подробности (нельзя исключать, что часть из них это легко предположения).
— Наноспутник будет весьма мелкий, имея массу всего «пара граммов». Размер имеет значение — и я сообщу вам, из-за чего.
— В перемещение аппарат будет приводиться лазером наземного базирования на 100 гигаватт, и солнечным парусом площадью один квадратный метр (я поведаю, как он трудится).
— Наноспутник сможет передавать сообщения на Землю при помощи собственного лазера (не на 100 гигаватт).
Этого достаточно, дабы поболтать о некоторых идеях из области физики, имеющих отношение к проекту Starshot.
Как возможно разогнать космический аппарат при помощи света?
Да, свет оказывает силовое действие на объект. По данной самой причине у кометы имеется хвост, наблюдающий в противоположную сторону от Солнца. Так же трудится и солнечный парус.
Разрешите начать со света. Самое ответственное — осознать, что свет это электромагнитная волна. Это значит, что он складывается из пульсирующего электрического поля и пульсирующего магнитного поля.
Свет по большому счету неосуществим без пульсирующего электрического и магнитного поля.
Такие пульсирующие поля разрешают свету быть волной, которой не нужна среда для совершения колебаний. Так, свет может перемещаться через вакуум (типа космического пространства). И наконец, нам необходимо знать, что электрическое и магнитное поля в свете неизменно перпендикулярны друг другу, и перпендикулярны направлению перемещения света.
Сейчас что касается материи. Фактически все, что мы видим, складывается из хороших и отрицательных зарядов (к примеру, электроны и протоны). У заряженных частиц имеется сила, которая зависит от электрического и магнитного поля.
Мы именуем ее силой Лоренца.
В этом уравнении у нас имеется следующие переменные:
q — значение заряда
Е — векторное значение электрического поля
В — векторное значение магнитного поля
v — векторное значение скорости заряда.
В случае если у нас имеется свет от хорошего заряда в положении спокойствия, то сила будет влиять на него в направлении электрического поля (потому, что скорость равна нулю). Предположим, у нас имеется электромагнитная волна с электрическим полем в направлении y, и магнитное поле в направлении х со знаком минус, в следствии чего свет движется в направлении z со знаком плюс. Тогда данный хороший заряд начнет двигаться в направлении y со знаком плюс.
Вот картина.
Но сейчас у нас движущийся хороший заряд. Направление магнитной силы, влияющей на такую положительно заряженную частицу, возможно выяснить при помощи правила правой руки. Опущу подробности и сообщу только, что направление данной магнитной силы на данный момент то же, что и направление перемещения света.
Так, свет подталкивает данный хороший заряд.
Сейчас разглядим отрицательный заряд. Действующая на данный отрицательный заряд электрическая сила идет в направлении у с отрицательным знаком, а исходя из этого он начнет двигаться вниз. Но магнитная сила будет так же, как и прежде в направлении распространения света, потому, что эта магнитная сила зависит от значений q и v (а они противоположны соответствующим значениям хорошего заряда).
Так, свет подталкивает и отрицательный, и хороший заряд в одном и том же направлении.
© Рейтерс, Breakthrough Initiatives/Handout via ReutersЛазеры наземного базирования, предназначенные для придания инерции космическому аппарату
Но перемещение этих частиц ничтожно, благодаря чего результирующая сила кроме этого мала. Сила от света мала, а исходя из этого ей нужна компенсирующая подпитка в виде весьма броского света (это громадные значения электрического и магнитного полей). Вот для чего нужен лазер на 100 гигаватт.
Из-за чего космический аппарат должен быть таковой мелкий?
Размер имеет значение. В этом случае у более большого объекта будет больше зарядов, взаимодействующих со светом и создающим громадную силу. Разумно, поскольку так? Потому, что эта сила света зависит от площади поверхности, величину данной силы я могу записать следующим образом:
Предположим, мы желаем воспользоваться сферическим космическим аппаратом (до тех пор пока забудем про солнечный парус). Мы можем вычислить две серьёзные характеристики для этого аппарата — площадь и массу поверхности, наблюдающей в сторону лазера. В случае если высказать предположение, что плотность корабля ρ, а поверхность это простой круг, то мы возьмём следующее:
Мы не забываем: ускорение прямо пропорционально силе (которая прямо пропорциональна площади) и обратно пропорционально массе. Несложнее забрать отношение площади к массе, потому, что оно прямо пропорционально ускорению.
В случае если плотность и форма космического аппарата постоянны, то ускорение будет обратно пропорционально размеру. Удвоим размер аппарата, и ускорение будет составлять только половину. Так, чем меньше, тем лучше.
Ах, да, у нас же имеется солнечный парус. Это так, но в случае если мы удвоим радиус космического корабля, нам нужно будет увеличить площадь поверхности паруса в четыре раза. Больше корабль — больше парус.
Но парус возрастает значительно стремительнее.
Сейчас нужно ответить на следующий вопрос: возможно ли выстроить таковой мелкий корабль, дабы он все равно выполнил собственную задачу? Это будет непросто. Но этим-то и увлекателен проект: тут все тяжело и все в первый раз.
