Если включить фонарик в космосе, он превратится в настоящую фотонную ракету

24 июня

Если включить обычный фонарик в открытом космосе, он превратится в самую настоящую, хоть и крошечную, фотонную ракету. Здесь безотказно работает закон сохранения импульса: свет улетает в одну сторону, а сам прибор начинает медленно дрейфовать в противоположную. Однако разогнать такую конструкцию до межзвездных скоростей не получится.

Фото: сгенерировано нейросетью

Несмотря на то, что у фотонов нет массы, они обладают импульсом. Принцип работы такого реактивного движения прост: импульс светового луча равен его энергии, деленной на скорость света. Как только фонарик испускает поток света через линзу, законы физики заставляют его дрейфовать назад.

Чтобы наглядно увидеть, насколько мала эта тяга, достаточно провести простой расчет для стандартного современного светодиодного фонарика на литий-ионном аккумуляторе формата 18650:

Хорошая батарея содержит около 10 ватт-часов энергии, что эквивалентно 36 000 джоулей.
Фонарик вместе с элементом питания весит примерно 150 граммов.
Если устройство идеально сфокусирует и направит каждый фотон строго назад, суммарный импульс луча составит всего 0,00012 килограмм-метров в секунду.
После полной разрядки аккумулятора 150-граммовый прибор будет лететь со скоростью 0,8 миллиметра в секунду. При таком темпе ему понадобится больше 20 минут, чтобы преодолеть дистанцию всего в один метр.

Почему нельзя просто взять батарейку побольше?

Первая мысль, которая приходит в голову для увеличения скорости — сделать лампочку ярче или поставить гигантский аккумулятор. Но физику не обмануть, и вот почему эти решения не работают:

Фото: Unsplash

Более мощный светодиод будет выбрасывать больше фотонов в секунду и создаст более высокую мгновенную тягу. Однако он просто сожжет фиксированный запас энергии быстрее. Конечная скорость прибора зависит не от яркости, а от суммарной энергии, превращенной в свет.

Попытка добавить больше химического топлива неизбежно увеличивает общую массу конструкции. Чем тяжелее фонарик, тем больше энергии требуется, чтобы сдвинуть его с места. В итоге прибавка к импульсу полностью нивелируется возросшим весом. Максимальная скорость фотонной ракеты жестко ограничена показателем плотности энергии ее топлива. У лучших литий-ионных аккумуляторов этот параметр составляет около 250 ватт-часов на килограмм.

Фото: Unsplash

Если взять один килограмм чистых батареек и полностью, со стопроцентной эффективностью, переработать их энергию в направленный свет (начисто проигнорировав вес самого корпуса, проводов и светодиода), мы упремся в потолок — 3 миллиметра в секунду. И этот предел абсолютен: неважно, размером ли фонарик с авторучку или с океанский танкер. Пока источником питания служит химия, этот барьер непреодолим.

Чтобы заставить фотонную тягу работать на межзвездных скоростях, человечеству придется отказаться от химических реакций в пользу процессов с принципиально иной плотностью энергии.