Номер 3, страница 204, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 5. Законы сохранения в механике. Параграф 49. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 3, страница 204.

Условие.

• Фотонный двигатель: реальность или фантастика?

Решение.

Фотонный двигатель — это гипотетический тип ракетного двигателя, который создаёт тягу за счёт испускания потока фотонов (света). Идея такого двигателя балансирует на грани между установленными физическими законами и колоссальными технологическими трудностями, что делает ответ на вопрос «реальность или фантастика?» неоднозначным.

Реальность (физические основы)

С точки зрения фундаментальной физики, фотонный двигатель абсолютно реален. Его принцип работы основан на законе сохранения импульса. Каждый испущенный фотон, не имея массы покоя, обладает импульсом. Согласно третьему закону Ньютона, отдача от испускания множества фотонов создаёт реактивную силу (тягу), толкающую космический аппарат в противоположном направлении.

Импульс одного фотона $\text{p}$ связан с его энергией $\text{E}$ и скоростью света $\text{c}$ соотношением:

$p = \frac{E}{c}$

Соответственно, тяга $\text{F}$, создаваемая двигателем с мощностью излучения $\text{P}$, в идеальном случае (когда вся энергия переходит в направленный пучок фотонов) равна:

$F = \frac{P}{c}$

Главное теоретическое преимущество фотонного двигателя — максимально возможный удельный импульс. Так как скорость истечения «рабочего тела» (фотонов) равна скорости света, такой двигатель является самым эффективным из всех теоретически возможных реактивных двигателей с точки зрения расхода массы. Практическим, хотя и пассивным, аналогом являются солнечные паруса, которые уже были успешно испытаны в космосе (например, японский аппарат IKAROS). Они используют давление фотонов от Солнца, что доказывает работоспособность самого принципа.

Фантастика (технологические барьеры)

На практике создание эффективного фотонного двигателя сталкивается с почти непреодолимыми на сегодняшний день проблемами.

1. Ничтожная тяга. Из-за огромного значения скорости света $\text{c}$ (примерно $3 \cdot 10^8$ м/с) для создания даже небольшой тяги требуется колоссальная мощность. Например, лазерный луч мощностью 1 гигаватт ($10^9$ Вт) — что сопоставимо с мощностью крупной АЭС — создаст тягу всего лишь в $F = \frac{10^9 \text{ Вт}}{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}} \approx 3.3$ ньютона. Этой силы едва хватит, чтобы поднять с земли яблоко.

2. Проблема источника энергии. Чтобы разогнать корабль до значимых скоростей за приемлемое время, потребуются мощности в сотни гигаватт или даже тераватт. Единственным известным физическим процессом, способным выделить такое количество энергии при малом весе «топлива», является аннигиляция материи и антиматерии, где масса полностью переходит в энергию по формуле $E=mc^2$. Однако технологии производства и, что еще сложнее, долговременного хранения антиматерии в необходимых количествах относятся к области далекой научной фантастики.

3. Низкий КПД и теплоотвод. Преобразование энергии из любого источника в идеально направленный луч света не может быть 100%-эффективным. Огромные потери энергии будут выделяться в виде тепла, которое в вакууме можно отвести только с помощью излучения. Для рассеивания тераватт тепловой мощности потребуются радиаторы площадью в сотни квадратных километров, что делает всю конструкцию нереализуемой.

Таким образом, хотя физический принцип фотонного двигателя безупречен и реален, его практическая реализация в виде мощной силовой установки для межзвездных перелетов остается за пределами современных и даже обозримых технологий.

Ответ: Фотонный двигатель является реальностью с точки зрения физической теории, но остается в области научной фантастики с точки зрения инженерной реализации из-за необходимости в источниках энергии невообразимой мощности и решения проблемы крайне низкой тяги.