Американское космическое агентство NASA провело недавно очередные испытания двигателя Cannae Drive, который генерирует тягу на основе энергии микроволн, без использования традиционных видов топлива. Аналогичное устройство, только под названием EmDrive тестирует Китайская академия наук. Поскольку с определенного времени информация о таких экспериментах не разглашается, есть основания полагать, что и американская, и китайская версии двигателя оказались чрезвычайно перспективными и на них возлагают большие надежды. Ведь если безтопливный двигатель удастся воплотить в реальность, он станет основой ультралегких сверхбыстрых космических кораблей, которые за считанные недели доставят человека на Марс и другие далекие планеты, а также позволят проводить глобальные космические исследования. То есть речь, по сути, идет о господстве в космосе.

У большинства существующих на сегодня летательных аппаратов есть существенный недостаток: масса используемого их двигателем топлива соотносима с весом самого летательного аппарата. Это значительно увеличивает эксплуатационные расходы и ограничивает сферу применения техники. А ведь для межзвездных полетов и миссий по колонизации космоса требуются такие объемы горючего, которые не способен перевозить ни один современный космический корабль.

Безтопливный двигатель поможет преодолеть все проблемы и ограничения. Микроволновое излучение у таких устройств генерируется исключительно за счет электрической энергии, что позволяет питать их от солнечных батарей, термоэлектрических радиоизотопных генераторов или от миниатюрных ядерных реакторов на борту корабля. Сколько именно нужно энергии для работы двигателя ученые пока точно не рассчитали, но они уверяют, что совсем немного. Немаловажно, что микроволновый двигатель почти вечный: поскольку для его работы не требуется никакого топлива, он будет функционировать до тех пор, пока элементы конструкции физически не выйдут из строя.

Автором идеи микроволнового двигателя стал британский ученый Роджер Шойер. Еще в 2003 году он создал первый прототип такого устройства, получивший название EmDrive. Компания Шойера, Satellite Propulsion Research Ltd., провела успешные испытания экспериментальной версии, но мировое научное сообщество отнеслось к этому изобретению скептически, поскольку оно нарушало фундаментальный закон сохранения импульса. На то время Шойер так и не нашел организаций или инвесторов, заинтересованных в поддержке технологии.

В 2012 году группа ученых из Китайской академии наук под руководством профессора Ян Цзюань представила собственную, усовершенствованную версию EmDrive. В ходе испытаний двигателя выяснилось, что он вырабатывает тягу в 720 миллиньютон, тогда как у Шойера этот показатель составлял всего 16 миллиньютон.

Как удалось добиться таких результатов, китайцы не говорят, но цифры впечатляют, ведь все, на что способны современные ионные двигатели это тяга в 50 - 250 миллиньютон. Двигатель в 720 миллиньютон в состоянии питать небольшой спутник, к тому же масса EmDrive в 10 раз меньше ионных аналогов, а срок службы гораздо больше. Но и на сей раз традиционная наука заявила, что "такого двигателя быть не может", а то, что он работает - чистая случайность. Китайцы не настаивали: они ушли в лабораторные испытания и теперь уже этого не афишируя, продолжают доработку своего EmDrive. 

Обратить серьезное внимание на безтопливный двигатель заставило мир участие в разработке такой уважаемой организации, как NASA. Ее представителей, после долгих уговоров, в августе прошлого года убедил-таки протестировать его изобретение американский ученый Гвидо Фетта, создавший очередной безтопливный Cannae Drive. Проводившая испытания команда NASA из Космического центра Джонсона выяснила, что устройство дает примерно 30-50 микроньютонов стабильной тяги. Для надежности сотрудники космической лаборатории провели эксперименты не только с основным прототипом Cannae Drive, но и с "нулевым двигателем" - той же системой, но настроенной с незначительными изменениями, предотвращающими появление тяги, и никаких проблем не возникло.

Хотя тяга Cannae Drive гораздо меньше, чем обеспечивает китайский EmDrive, тесты наглядно демонстрируют, что технология действительно работает и ее стоит развивать. Правда, после первых испытаний американские специалисты делать однозначные выводы не торопились. Они лишь констатировали, что устройство создает силу, которую нельзя отнести ни к одному классическому электромагнитному явлению.

Конструкция всех существующих на сегодня микроволновых двигателей во многом сходна. Они состоят из магнетрона (мощной электронной лампы, генерирующей микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем) и, в случае EmDrive, отражательной камеры специальной формы, создающей резонанс электромагнитной волны.

Работает устройство благодаря тому, что микроволновое излучение давит на отражатель в форме усеченного конуса: давление на большей стороне образуется выше, чем на меньшей. Согласно закону сохранения импульса, давление в закрытой системе должно привести лишь к нагрузке на материал камеры. Но, по словам Ян Цзюань, в данном случае из-за околосветовой скорости движения волны, отражатель и волна образуют открытую систему и создают тягу без использования реактивного выброса. Сила волны дополнительно увеличивается благодаря создаваемому резонансу.

Cannae Drive Гвидо Фетты работает почти так же, но для создания тяги использует не форму отражателя камеры, а отражатели с разным коэффициентом отражения. По мнению изучившего новую технологию автора первого EmDrive Роджера Шойера, в этом и состоит причина того, что тяга Cannae Drive настолько мала. Он предполагает, что она вытекает из пониженного коэффициента отражения на одном конце платы.

Кстати,  Шойер не сидит сложа руки: к 2016 году инженер обещает построить первый безтопливный двигатель на сверхпроводниках, что позволит в перспективе увеличить тягу EmDrive в тысячи раз. За счет этого космический корабль сможет оторваться от поверхности планеты и выйти на околоземную орбиту.

На самом деле, в разработке у NASA не только Cannae Drive, но и варп-двигатель,  основанный на технологии растягивания пространства, который сконструировал известный физик Гарольд Уайт, возглавляющий в NASA лабораторию по созданию двигателей нового поколения. Он уверен, что его изобретение позволит перемещаться в космосе быстрее скорости света, что позволит людям путешествовать во времени. Идея разработки в том, что космическое пространство оборачивается вокруг корабля, сам же он остается на месте.

Пространство впереди прижимается к кораблю, а то, что позади, наоборот, с такой же силой отодвигается. Таким образом, скорость корабля не ограничена: он не двигается сам, а движется сжимаемое-разжимаемое пространство. Руководство NASA находит эту идею весьма перспективной, выделяя ежегодно на разработку варп-двигателя $50 тыс. из своего годового бюджета.

А на днях NASA выделило грант техасской компании Ad Astra Rocket на продолжение работ над магнитоплазменным двигателем VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). В течение следующих трех лет компания будет получать финансирование на общую сумму в $10 млн на создание нового варианта двигателя VASIMR VX-200-SS, который будет более технологичен и более совершенен, чем предыдущий его вариант. В случае, если разработка и испытания нового двигателя завершатся успехом, люди получат возможность достичь Марса, потратив на это всего 39 суток.

Франклин Чанг-Диас, основатель и руководитель компании Ad Astra, бывший астронавт, принимавший участие в семи полетах на Шаттлах рассказывает, что VASIMR работает, разогревая плазму, электрически заряженный газ, до сверхвысоких температур при помощи радиоизлучения. Сильные магнитные поля фокусируют, ускоряют плазму и направляют ее в сторону выходного сопла двигателя. Вырываясь на огромной скорости в окружающее пространство, плазма создает достаточно сильную реактивную тягу, которая способна разогнать космический аппарат с таким двигателем до чрезвычайно высокой скорости.

Похоже, и американцы, и китайцы всерьез готовятся к освоению космических далей. Если специалисты масштабируют безтопливный двигатель под размеры космических кораблей и других летательных аппаратов, это радикально изменит всю космическую индустрию. Можно будет не только максимально сократить межпланетные и межзвездные перелеты, но и существенно расширить перечень научно-исследовательских миссий. Ведь исчерпание запасов топлива зачастую является основной причиной сворачивания очередной программы, и решение этой проблемы является существенным шагом вперед. Разумеется, страна, которая первой внедрит безтопливный двигатель, получит неоспоримое космическое превосходство. Поэтому США и Китай, активно работая над развитием технологии, так боятся утечки информации, и данные о новых исследованиях не выходят за пределы научных лабораторий.