Кіріспе

Дәстүрлі ядролық фотондық қозғалтқышта, борттағы ядролық реактор мұндай жоғары температура тудырады, реактордың қара дене сәулеленуі айтарлықтай итергіш күш береді. Бұл әдіспен аз мөлшерде итергіш күш алу үшін көп қуат қажет, сондықтан үдеу өте төмен болады. Фотондық радиаторлар көбінесе графит немесе вольфрамнан жасалады. Фотондық қозғалтқыштар технологиялық тұрғыдан мүмкін, бірақ қазіргі технологиялар бойынша борттағы ядролық қуат көзіне байланысты тиімсіз.

Энергияға қажеттілік және салыстыру

Толық коллимацияланған шығыс сәулесі үшін қажетті күш 300 МВт/Н (егер сәуле кеме бетінен шағылыса, онда оның жартысы); орынды күш беру үшін өте жоғары энергия тығыздығы бар қуат көздері қажет. Фотондық зымыранның меншікті импульсін анықтау қиын, себебі шығыс массасы жоқ және отын жұмсалмайды; егер фотондардың инерциялық импульсін алсақ, меншікті импульс c-ға тең, бұл өте таңғажайып. Дегенмен, фотондар көзінің массасын ескерсек, мысалы, ядролық бөлінуге ұшыраған атомдарды, меншікті импульс 300 км/с (c/1000) немесе одан да аз болады; реактор инфрақұрылымын ескергенде (оның кейбір бөліктері отын мөлшеріне байланысты өседі) бұл көрсеткіш одан да төмендейді. Сонымен қатар, энергияның радиация арқылы бағытталмаған жоғалуы (қозғалтқыш тіректері арқылы таратылатын, басқа бағытта сәулеленетін немесе нейтринолар арқылы жоғалатын энергия) тиімділікті одан әрі төмендетеді. Егер фотон зымыранының массасының 80% бөлінуге жарамды отын болса және ядролық бөліну массаның шамамен 0,10% -ын энергияға айналдыратынын ескерсек: фотон зымыранының массасы 300 000 кг болса, онда 240 000 кг атомдық отынға тиесілі. Сондықтан, барлық отынның бөлінуі нәтижесінде бар болғаны 240 кг масса жоғалады. Онда 300 000/299 760 кг = mi/mf = 1.0008. Ракета теңдеуін қолданып, vf = ln 1.0008 × c, мұнда c = 299 792 458 м/с. Осылайша, vf шамамен 239 930 м/с, яғни 240 км/с болуы мүмкін. Ядролық бөлінумен жұмыс істейтін фотон зымыранының максималды үдеуі шамамен 1/10 000 м/с² (0,1 мм/с²) немесе 10−5g болуы мүмкін. Жылдамдық өзгеруі фотон зымыранының бір жылдық итеруі кезінде 3000 м/с шамасында болады. Егер фотон зымыраны Жердің төменгі орбитасында саяхатын бастаса, онда Жердің тартылысынан шығу жылдамдығына (11,2 км/с) жетуі үшін бір жылдық итеру қажет болуы мүмкін, егер көлік орбитада 9100 м/с жылдамдықпен қозғалса. Жердің гравитациялық өрісінен шыққаннан кейін, зымыранның гелиоцентрлік жылдамдығы планетаралық кеңістікте 30 км/с болады. Осы гипотетикалық жағдайда 240 км/с соңғы жылдамдыққа жету үшін сексен жылдық тұрақты фотондық итеру қажет. Көбірек меншікті импульс алуға да болады; мысалы, күн желкендері сияқты кейбір басқа фотондық қозғалтқыштардың меншікті импульсі тиімді түрде шексіз, себебі тасымалданатын отын қажет емес. Балама ретінде, иондық қозғалтқыштар, меншікті импульсі айтарлықтай төмен болғанымен, қуатқа қатынасы жақсырақ итеруді қамтамасыз етеді; фотондар үшін бұл қатынас , ал баяу бөлшектер үшін (яғни, релятивистік емес; тіпті типтік иондық қозғалтқыштардың шығысы да есептеледі) бұл қатынас , бұл әлдеқайда үлкен (себебі ). (Бұл бір жағынан әділетсіз салыстыру, себебі фотондар жасалуы керек, ал басқа бөлшектер тек үдетіледі, бірақ бәрібір, тасымалданатын массаға және қолданылатын энергияға шаққандағы импульстер – практикалық шамалар – көрсетілгендей.) Сондықтан, егер энергия массадан гөрі басым болса немесе реакциялық массаны жазасыз қосуға болатын нашар қуат көзін пайдалану арқылы жеткілікті массаны үнемдеуге болатын болса, фотондық зымыран тиімсіз болып табылады. Лазерді фотондық зымыран қозғалтқышы ретінде пайдалануға болады, бұл шағылысу/коллимация мәселесін шешеді, бірақ лазерлер энергияны жарыққа айналдыруда қара дене сәулеленуінен кем тиімді, бірақ лазерлердің қара дене көзінен артықшылықтарын да атап өту керек, соның ішінде бір бағытты бақыланатын сәуле және сәулелену көзінің массасы мен беріктігі. Ракета теңдеуінің шектеулерін жеңуге болады, егер реакциялық масса ғарыш кемесімен тасымалдалмаса. Beamed Laser Propulsion (BLP) тұжырымдамасында фотондар фотондар көзінен ғарыш кемесіне когерентті жарық түрінде бағытталады. Роберт Л. Форвард фотондық қозғалтқыштар мен антиматериялық зымыран қозғалтқыштарын қоса алғанда, жұлдызаралық қозғалыс тұжырымдамаларын дамытты. Дегенмен, BLP фотондардың шағылысуының өте төмен итеру тиімділігіне байланысты шектеулі. Фотондар қозғалтқышының итеру тиімсіздігін еңсерудің ең жақсы жолдарының бірі – екі жоғары рефлексиялы айна арасында фотондарды қайта өңдеу арқылы фотондардың импульстік беруін күшейту.

Қуат көздері

Қазіргі немесе жақын арадағы бөліну реакторларының жобалары реактор массасының килограмына 2,2 кВт-қа дейін қуат өндіре алады. Ешқандай пайдалы жүгі болмаса, мұндай реактор фотондық зымыраны шамамен 10−5 м/с² (10−6g; g күшіне қараңыз) жылдамдықпен қозғалта алады. Бұл, мүмкін, Жер орбитасынан планетаралық ғарышқа сапар жасау мүмкіндігін береді. Ядролық синтез реакторларын да қолдануға болады, бәлкім олар одан да жоғары қуатты қамтамасыз етеді. 1950 жылдары Эуген Зэнгер ұсынған жоба гамма сәулелерін шығару үшін позитрон-электронның жойылсынған (анигиляция) күшін пайдаланды. Зэнгер позитрон-электронның жойылсынған күшінен пайда болған гамма сәулелерін қалай шағылыстыру және бағыттау мәселесін шеше алмады; алайда, реакцияларды (немесе басқа жойылсынған күштерді) қоршап, олардың энергиясын сіңіру арқылы ұқсас қара денемен жұмыс істейтін қозғалтқыш жүйесін құруға болады. Антиматериямен қуатталатын фотондық зымыраны (қорғанысты ескермегенде) максималды c-ге ие болатын импульсқа ие болады; осы себепті антиматерияның жойылсынған күшімен қуатталатын фотондық зымыраны жұлдызаралық ғарышқа сапар үшін қолданылуы мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, материяны энергияға айналдырудағы қара тесіктердің тиімділігін ескере отырып, Кугельблиц микро қара тесігін пайдаланатын ғарыш кемесі сияқты басқа да жобалар жұлдызаралық сапарлар үшін де қолданылуы мүмкін.