Горшком вперед

Рассуждая с позиций бобовой модели, наш проект атом-но-водяного корабля — это не что иное, как движение горшком вперед. Как мы думали вначале? Стебель растения легче горшка с землей. Раз он легче, значит, он может приобрести большую скорость. Пусть стебель (космический корабль), быстро движется к Луне, а горшок (облако продуктов сгорания) медленно отходит в обратную сторону. Но нам не нужно идти к Луне чересчур быстро. Все, что требуется, это сообщить кораблю вторую космическую скорость. Поэтому, если удастся заставить рабочее вещество покидать корабль со скоростью большей, чем вторая космическая, мы охотно перевернем нашу модель задом наперед.

Пусть теперь горшок — это корабль, движущийся к Луне, а стебель — рабочее вещество, движущееся в противоположном направлении. Заметьте, что подобная модель оказывается и более правдоподобной, ведь вещества, необходимые для роста, стебель получает из горшка. Раньше мы сознательно умолчали об этом обстоятельстве, считая его несущественным.

Первая же попытка отделить источник энергии от рабочего вещества принесла нам значительный успех. Попробуем рассуждать дальше. Впопыхах мы выбрали первое попавшееся рабочее вещество и первый пришедший нам в голову источник энергии. Убедившись, что мы на правильном пути, продолжим поиски. Что касается источника энергии, остановимся пока на атомном реакторе. Посмотрим, какие требования предъявляются к рабочему веществу. Требование единственное — способность покидать сопло двигателя с наибольшей скоростью. Чем больше скорость, тем меньшим будет потребный запас рабочего вещества.

Что происходит, когда в качестве рабочего вещества используется вода? Нагревая воду в котле, мы сообщаем молекулам дополнительную кинетическую энергию, то есть увеличиваем скорость их движения. Чем выше температура, тем больше скорость. В этом смысле все как будто идет как надо. Вспомним, однако, что скорость движения любой материальной частицы, в том числе молекулы воды, имеет не только величину, но и направление. Молекулы воды или нагретого водяного пара движутся хаотически, то есть в самых различных направлениях. Пока пар находится в котле или движется по трубе к соплу, молекулы, ударяясь о стенки котла или трубопровода, передают им часть своей энергии. Стенки испытывают давление и нагреваются. Плохо не только то, что часть энергии реактора расходуется впустую. Чтобы противостоять высокой температуре и давлению, стенки котла и трубопровода должны быть сверхпрочными, а следовательно, тяжелыми.

Нельзя ли сделать так, чтобы скорости отдельных молекул сразу принимали нужное нам направление — в сторону, противоположную движению космического корабля? Оказывается, можно. Вспомним, что молекулы любого вещества состоят из атомов, а каждый атом представляет собой ядро, имеющее положительный электрический заряд, и движущиеся вокруг ядра отрицательно заряженные электроны. Если каким-то образом разделить молекулы на отдельные атомы, а атомы лишить хотя бы части их электронных оболочек, получатся положительно заряженные частицы, называемые ионами.

Электрический заряд обладает способностью взаимодействовать с электрическим полем. Находясь в поле, он испытывает силу, направление которой совпадает с направлением поля. Под действием этой силы заряд начинает двигаться с ускорением, и, если поле достаточно мощное, а заряд находится в нем достаточно долго, он может приобрести сколь угодно большую скорость (конечно, не больше скорости света). Самое главное в том, что заряженные частицы в электрическом поле движутся не хаотически, а строго в одном направлении —  направлении поля или, грубо говоря, от плюса к минусу.

Таким образом, возникают три самостоятельные задачи: разбить молекулы на атомы, лишить атомы части их электронных оболочек и то, что получится, поместить в достаточно мощное электрическое поле. Вообще-то говоря, первую задачу можно и не решать, если с самого начала воспользоваться каким-нибудь веществом, лучше всего газом, молекулы которого состоят из отдельных атомов. Простейшее вещество, обладающее таким свойством, — водород.

Вторая задача может быть решена с помощью того же электрического поля. Если в газе с самого начала имеется хотя бы несколько свободных электронов, то, двигаясь под действием поля с большими скоростями, эти электроны сталкиваются с атомами и выбивают другие электроны с их оболочек. Один первичный электрон может таким образом лишить оболочки или, как говорят, ионизировать несколько атомов. Освободившиеся в результате ионизации вторичные электроны немедленно включаются в работу. В результате атомы газа, находящегося в достаточно мощном электрическом поле, почти полностью ионизируются. Газ, состоящий из ионизированных атомов, называется плазмой. Для решения третьей задачи так же, как и для решения второй, достаточно создать мощное электрическое поле.

Незаметно мы подошли к проекту космического корабля номер два: корабль с ионным, или плазменным, двигателем. На борту корабля установлен атомный реактор и бак с жидким водородом. Атомный реактор вырабатывает электроэнергию точно так же, как это делается в наземных атомных электростанциях. Электроэнергия используется для создания мощных электрических полей. Водород поступает по трубе из бака, превращаясь по дороге из жидкости в газ и проходя затем через электрическое поле, ионизируется, а ионы, приобретая нужную скорость (все в одном направлении!), выбрасываются из сопла двигателя.

Подобный метод позволяет достичь огромных скоростей истечения рабочего вещества. Огромных по сравнению со скоростями газов — продуктов сгорания — или водяного пара, Наша идея движения горшком вперед продолжает приносить плоды.