Könnte eine photonische Engine tatsächlich funktionieren?

TL;DR - Aufgrund des hohen Energiebedarfs nicht praktikabel

Untersuchen wir die Leistung eines photonischen Triebwerks mit zwei Wellenlängen, einer langen (Radio/UHF bei 3 GHz, 0,1 Meter Wellenlänge) und einer kurzen (Röntgenstrahlen bei 300 PHz, 1 nm Wellenlänge). Die Energie eines Photons ($E$) ist definiert durch$E = \frac{hc}{\lambda}$während der Schwung ($p$) ist$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}$.$h$ist Planks Konstante$6.626\times10^{-34} \text{J}\cdot\text{s}$, und$c$ist die Lichtgeschwindigkeit$3.00\times10^8\frac{\text{m}}{\text{s}}$.

Für ein 1,0-nm-Photon gilt:$E = 2.0\times10^{-16}\text{J}$und$p = 6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$.

Vergleichen wir einen theoretischen photonischen Röntgenmotor mit einem Hall-Effekt-Triebwerk (das seit den 70er Jahren im Weltraum geflogen ist).

Ein generisches Hall-Effekt-Triebwerk benötigt eine Eingangsleistung von 2 kW und erzeugt einen Schub von 100 Millinewton. Unter der Annahme eines 1000-kg-Satelliten wird die Beschleunigung sein$a = \frac{F}{m} = \frac{.1\text{N}}{1000\text{kg}}=0.0001\frac{\text{m}}{\text{s}^2}$. Daher kann es in einem Tag (86400 s) Schub einen 1000 kg schweren Satelliten aus dem Ruhezustand auf eine Geschwindigkeit von bringen$v_f = v_i + a\cdot t = 0 + 0.0001\frac{\text{m}}{\text{s}^2}\cdot 86400s = 8.64 \frac{\text{m}}{\text{s}}$. Nicht zu viel Beschleunigung, aber es brauchte nur 2 kW Leistung.

Versuchen wir nun, unseren photonischen Antrieb an diese Geschwindigkeit anzupassen. Die für einen 1000-kg-Satelliten erforderliche Impulsänderung auf 8,64$\frac{\text{m}}{\text{s}}$ist 8640$\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$. Wenn die Abfahrt jedes Photons von der Maschine vermittelt$6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$, dann$n = \frac{8640 \frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}}{6.6\times10^{-25}\frac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}} = 1.30\times10^{28}$Es werden Photonen benötigt, die eine Energie von benötigen$1.30\times10^{28} \cdot 2.0\times10^{-16}\text{J} = 2.59\times10^{12}\text{J}$. Geteilt durch einen Tag ergibt das 30 MW nur ​​für die Energie, die den Photonen zugeführt werden muss, vorausgesetzt, ein perfekt effizienter Motor.

Da siehst du also das Problem. Ein photonisches Triebwerk benötigt (bei perfektem Wirkungsgrad) etwa 4 Größenordnungen mehr Energie als ein Ionentriebwerk der aktuellen Technologie, um den gleichen Schub zu erzeugen. Ich gehe davon aus, dass zukünftige Ionentriebwerke noch effizienter sein werden. Beachten Sie auch, dass das Verhältnis zwischen Impuls und Energie in einem Photon konstant ist (die Lichtgeschwindigkeit), sodass sich die theoretische maximale Effizienz des Triebwerks nicht mit der Wellenlänge ändert.

Ein photonisches Triebwerk ist also mit echter Physik nicht praktikabel; dies erklärt, warum photonenbezogene Schubvorschläge Sonnensegel beinhalten, bei denen die Sonne den Photonen die Energie gibt.

Wenn Sie die „Vielleicht“-Physik verwenden wollen, dann könnten Sie sagen, dass es einen Weg gibt, Photonen zu erzeugen, der keine Energieerzeugung in Form von Elektrizität erfordert. Irgendeine exotische Interaktion von dunkler Materie/dunkler Energie/Antimaterie etc. Oder man könnte einfach sagen, es ist Magie. In diesem Fall würde das photonische Triebwerk funktionieren, aber achten Sie darauf, worauf Sie dieses Triebwerk richten. Wenn die Photonen 30 MW bei 100 mN packen, dann sind sie 39 TW wert, wenn sie den 130 kN der Doppeltriebwerke einer F-15 entsprechen. Das ist eher ein Todesstrahl als ein Transportsystem.

Eine photonische Engine, wie Sie sie beschrieben haben, würde funktionieren. Schließlich haben Photonen eine Schubkraft, und wenn es um Schub geht, würde es einen Rückstoß geben.

Es gibt zwei Probleme mit diesem Motor: Wie der Ionenantrieb wird auch der Photonenantrieb ein Hochimpulsantrieb sein, und Sie benötigen zuerst einen alternativen Weg, um die Umlaufbahn zu erreichen.

Das zweite Problem ist, dass der Lichtrückstoß sehr, sehr, sehr gering ist. Ich bin kein Physiker, also korrigiere mich, wenn ich falsch liege, um den Schub des Lichts zu berechnen, den wir brauchen, um die in diesem Licht enthaltene Energie in Masse umzuwandeln, die gleich seiner Geschwindigkeit ist. Da die Photonen überhaupt keine Masse haben, kommt ihre Schubkraft von ihrer Energie. Sagen wir also, die Energie von Photonen ist$E$. Um die Masse zu erhalten, müssen wir sie teilen durch$c^2$von$e = m c^2$. Wenn wir das mit seiner Geschwindigkeit multiplizieren$c$, wäre die resultierende Formel$\frac{E}{c}$was nicht sehr gut aussieht. Nehmen wir an, Sie haben 3 MW ( =$3 \times 10^6 kg.m^2/s^3$) Laser. Geteilt durch$3 \times 10^8 m/s$wird uns geben$0.01kg . m / s^2$drücken. Dadurch wird ein 1-Tonnen-Raumschiff beschleunigt$3.2 km/h$jeden Tag. Aber wohlgemerkt, ein 1-MW-Dieselgenerator wiegt ohne Kraftstoff 5 Tonnen. Ich glaube nicht, dass das effizient genug ist. Wahrscheinlich würde der Ionenantrieb viel besser funktionieren und ist viel einfacher.