Квантовый двигатель. Виды и устройство. Работа и применение
Квантовый двигатель — это устройство, которое может выполнять работу абсолютно без потерь энергии, избегая при этом сил трения и теплообмена с окружающей средой. Иными словами, такой движок обладает максимальной эффективностью. Современные двигатели не обладают такими свойствами, ведь существующие законы физики ограничивают их применение. Часть энергии в обязательном порядке теряется.
Поэтому ученые уже десятки лет бьются над созданием «вечных» двигателей, которые бы могли позволить отправить космические корабли на другие планеты, разогнав их до рекордных скоростей. На данный момент уже создаются прототипы таких двигателей и проводятся их испытания. Эти агрегаты работают на совершенно новых принципах, что в будущем может привести к созданию сверхскоростных комических кораблей, летающих машин и многих других изобретений.
Сегодня квантовый двигатель пытаются создать многие страны. Создаются патенты, проводятся испытания, но реальных результатов на данный момент практически нет. Лишь некоторые страны уже добились определенных успехов.
Это в первую очередь Россия, США, Китай и Германия.
В результате один из атомов начинает двигаться по оптической решетке. Через некоторое время он выходит на постоянную скорость. В свою очередь второй атом играет роль стартера. Именно благодаря нему первый атом получает ускорение. Такую конструкцию стали называть квантовым атомным двигателем. Однако такому двигателю до испытаний и реального применения еще далеко.
Изобретение EmDrive проверяется в различных условиях, включая вакуум. Устройство, как заверяют изобретатели, действительно работает. Оно может работать бесконечно долго и не требует запаса топлива. При этом для работы такого двигателя в космосе вполне будет достаточно солнечных батарей. Однако на данный момент такой движок выделяется небольшой полезной нагрузкой. В перспективе же EmDrive сможет разгонять ракеты и космические корабли до невероятных скоростей, которые будут приближаться к сотым и десятым долей скоростей света.
Согласно расчетам изобретателя космический корабль с подобным двигателем сможет разгоняться до тысячи километров в секунду. Получается, что полет до Марса составит всего 41 час. Владимир Леонов в своем движке использовал теорию суперобъединения, созданную им же. Эта теория базируется на факте существования кванта пространства времени, то есть квантона. Изобретатель считает, что квантон является недостающим элементом таблицы Менделеева. Именно благодаря квантону формируются все остальные элементы.
Устройство
Квантовый двигатель имеет устройство в зависимости от его вида:
В движках Владимира Леонова для горизонтального перемещения применяются неоднородные магнитные и электрические поля.
Конструкция включает следующие элементы:
Рабочее тело изготовлено из ферромагнитного диэлектрика. В качестве электрического двигателя используется гиромотор с обмоткой и ротором.
Принцип действия
Квантовый двигатель имеет следующий принцип действия. Аккумулятор питает электрический генератор и преобразователь напряжения.
В результате создаются три вида напряжения для:
В результате системы магнитов и электродов создают магнитные и электрические поля. Эти поля выделяются ортогональным расположением, что позволяет получить вектора напряженности необходимого направления. Эти неоднородные поля действуют на рабочее тело, образуя поляризацию. Само же рабочее тело вращается вокруг оси. В итоге в рабочем теле наблюдается распределение квантов. Образуется сила тяги, которая передается активатором. Сами активаторы находятся под углом к оси плоскости дисков
Так как ось активатора определяет направление силы тяги, то наблюдается разделение сил на нормальные и тангенциальные. Система взаимодействует с вакуумным полем, что приводит к созданию энергии из поля вакуума. Полученная энергия тратится на вращение электрического генератора, который создает тягу, а также обеспечивает питание гидросистемы двигателя.
Двигатель EmDrive, над которым трудятся США и Китай, работает по совершенно иному принципу. Его работа базируется на разности давления электромагнитного излучения, которые находятся на концах двигателя. В узком месте давление немного меньше, чем в широком. В результате образуется тяга, которая направлена к узкому концу. Скептики неоднократно утверждали, что это невозможно. Однако наличие тяги подтверждалось в проводимых экспериментах.
Применение
Квантовый двигатель может применяться в самых разных областях. Однако, в первую очередь, эти устройства необходимы для космоса. Кроме космических кораблей этот двигатель может быть использован для автомобилей, летающих машин, подводных лодок, кораблей, железнодорожного транспорта и самолетов. При этом автомобилям и самолетам нужно будет минимум топлива. Достаточно будет один раз заправить машину, чтобы годами ездить на ней, не зная проблем. К тому же такие машины практически не будут ломаться.
Подводные аппараты при достаточной мощности двигателей смогут подниматься над водой и даже улетать в космос. В реальности они будут схожи с современными неопознанными летающими объектами, о которых так часто говорят в уфологии. Начнется полноценное освоение солнечной системы и ближайших планет нашей вселенной.
Также двигатель отлично может быть использован для выработки электричества, автономного электрического снабжения квартир и домов. Извлечение энергии из двигателя на квантовом принципе позволит отказаться от традиционного химического топлива, нефти и газа, ведь энергия станет практически бесплатной.
В будущем квантовый двигатель сможет найти и другие применения. Совершенствование технологий приведет к появлению новых двигателей. Это будут миниатюрные устройства, которые смогут преобразовывать магнитную или электрическую энергию в механическую. В результате могут появиться нанороботы, которые смогут лечить людей. К примеру, такие миниатюрные роботы смогут бороться с раком, безопасно удаляя пораженные ткани, уничтожать вирусы и микробы.
В России на данный момент прорабатывается большое число прорывных проектов, связанных с квантовым движком. Им интересуются российские космические концерны. Силовая установка, работающая на квантовом принципе, может стать основой для создания российского космоплана. Возможно, квантовый двигатель будет использоваться для создания сверхтяжелой космической ракеты, которая должна появиться в России до 2030 года.
Антигравитатор на колесах Россия испытала нарушающий законы физики «квантовый двигатель»
Замер габаритов «шасси на колесах» с КвД-1-2009 во время «контрольных испытаний». Фото: quanton.ru
В России разработан неракетный нереактивный квантовый двигатель, который в ходе испытаний 3 марта 2018 года развил удельную силу тяги в 115 ньютонов на киловатт — в 165 раз выше, чем у известных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Подобное утверждается в статье, опубликованной в последнем номере «Воздушно-космической сферы» — журнала из списка Высшей аттестационной комиссии (ВАК). «Лента.ру» рассказывает о нарушающем законы физики устройстве и об авторах этой разработки.
Органы и колеса
В статье говорится о проведении испытаний двух изделий. Первое — «шасси на колесах с импульсным квантовым двигателем внутри типа КвД-1-2009 образца 2009 года с горизонтальной силой тяги с вращающимися рабочими органами». Второе — «антигравитатор» с КвД внутри с вертикальной тягой. Протокол контрольных испытаний выложен на сайте группы компаний «Квантон», занимающейся разработкой «квантового двигателя».
Конструктивно первое изделие напоминает двигатель EmDrive, впервые продемонстрированный в 2002 году британским инженером Роджером Шойером. Зарубежное устройство состоит из магнетрона и резонатора, а внешне напоминает положенное на бок ведро. Изделие работает от источника электрической энергии и не требует использования жидкого топлива. Конструкция позволяет, по словам создателя, преобразовывать излучение в тягу.
Поскольку из резонатора двигателя при его работе не фиксируются выбросы фотонов или других частиц, которые могли бы объяснить появление тяги, заявляемые возможности EmDrive нарушают закон сохранения импульса. По этой причине ученые справедливо отмечают, что авторы экспериментов с таким двигателем пренебрегают множеством факторов, в частности, силами Лоренца, порожденными действием магнитного поля Земли на находящиеся под током кабели электрического усилителя, питающего EmDrive, и проводят некорректные расчеты силы тяги.
Концепция двигателя EmDrive
Изображение: журнал «Воздушно-космическая сфера»
Российские авторы утверждают, что не только нашли объяснение работе квантового двигателя, но и сумели на порядки, по сравнению с зарубежными (американскими и китайскими) аналогами, увеличить якобы развиваемую им силу тяги. «В основу работы нереактивного квантового двигателя (КвД) положена квантованная структура космического вакуума из квантонов, от которой можно отталкиваться с помощью КвД, создавая новые нереактивные силы тяги в соответствии с фундаментальной теорией суперобъединения», — говорится во втором абзаце публикации.
В статье утверждается, что «будущее принадлежит квантовым двигателям и другим космическим технологиям», а также то, что «в настоящее время Россия является лидером в разработке теории и конструкций квантовых двигателей». В протоколе контрольных испытаний заявляется, что переход от ЖРД к КвД позволит «более чем в сто раз, а не в десять раз, как объявил Илон Маск», снизить пусковые затраты.
Представленные в статье и протоколе численные результаты испытаний не сопровождаются расчетом погрешности измерений. Придать правдоподобность своим заявлениям авторы пытаются, упоминая известных ученых и знакомые всем научные организации.
Раскадровка с комментариями ролика контрольных испытаний КвД-1-2009 от 3 марта 2018 года
В частности, в публикации утверждается, что «Российская академия наук на своем сайте сделала заявление, что квантовый двигатель не противоречит законам физики». Соответствующая ссылка в статье ведет на перепечатанную в сентябре 2017 года на сайте академии новость URA.RU, в которой приводится цитата российского математика Георгия Малинецкого, утверждающего, что EmDrive «не расходует рабочее тело, он имеет дело с полем, поэтому для него не нужно ракетное топливо везти на орбиту». Таким образом специалист прокомментировал сообщение телеканал CCTV-2 о создании китайскими учеными рабочего образца двигателя EmDrive.
Главные лица
Интерес представляет состав авторского коллектива, подготовившего публикацию, и участников «контрольных испытаний». Список авторов журнальной статьи состоит из семи человек. Три из них представляют «Квантон», в том числе кандидат технических наук, научный руководитель и главный конструктор группы компаний Владимир Леонов. Еще два автора связаны с ракетно-космической корпорацией «Энергия» — речь идет о кандидате технических наук, советнике Олеге Бакланове и инженере-испытателе, заслуженном испытателе космической техники Александре Кубасове.
В число авторов также входят бывший директор «Воронежского механического завода», сопредседатель Совета директоров при Председателе Совмина СССР, член Высшего экономического совета при Верховном Совете РСФСР, автор книг «Где честь живет и нечисть» и «Когда спит честь, бал правит нечисть» Георгий Костин и член экспертного совета Комитета по обороне Государственной Думы, генерал-лейтенант Михаил Саутин.
Число присутствующих на контрольных испытаниях лиц, подписавших соответствующий протокол, больше на три человека. В нем, в частности, значится еще один Владимир Леонов — журналист еженедельника «Аргументы недели». С его публикациями, например, небезынтересной статьей «Победить тяготение» от марта 2018 года, можно познакомиться на страницах издания.
Революционные технологии
В предисловии к номеру главный редактор «Воздушно-космической сферы» Кирилл Плетнер отметил, что «идея антигравитации, безусловно, спорная. Поэтому, публикуя статью о двигателе, устроенном на новых физических принципах, мы не претендуем на истину в последней инстанции, а лишь приглашаем читателя к дискуссии». Там же главред пишет, что «сегодня есть стойкое ощущение, что мы находимся на границе научного прорыва. Ведь то, что мы сделали в освоении космоса, было реализацией проектов, которые создавались еще при Сергее Павловиче Королеве. Сейчас нужны новые идеи, новое мышление, новые революционные технологии».
Однако такая предусмотрительная оговорка никак не может снимать с издания ответственности за содержимое публикации. В феврале «Воздушно–космическая сфера» вошел в перечень рецензируемых научных изданий ВАК и рекомендован для публикаций соискателей ученой степени — аспирантов и докторантов. Об этом сообщил тот же Плетнер, а еще ранее — газета «Военно-промышленный курьер». На сайте журнала отмечается, что все статьи, представленные в нем, соответствуют номенклатуре специальностей научных работников по направлению 05.07.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника», а само издание адресовано специалистам, занимающимся научными и промышленными аспектами строительства воздушно-космической обороны Российской Федерации.
По размещенному на сайте ВАК перечню, с 12 февраля в журнале «Воздушно-космическая сфера», согласно распоряжению Минобрнауки, могут публиковаться основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук по специальности «Инновационные технологии в аэрокосмической деятельности (технические науки)».
Нельзя не отметить, что идеологом создания газеты и журнала выступил король космического государства Асгардия Игорь Ашурбейли, ранее возглавлявший конструкторское бюро «Алмаз-Антей», разработавшее ракетные комплексы С-300 и С-400.
В августе 2018 года «Военно-промышленный курьер» с 15-летием поздравил министр обороны Сергей Шойгу, также указав на значимость журнала: «За эти годы газета сумела зарекомендовать себя как авторитетный источник аналитической информации. Неоспоримые достоинства «Военно-промышленного курьера» — объективность, полнота и достоверность предоставляемых сведений — сделали его одним из самых популярных тематических изданий в нашей стране».
После публикации в феврале официальным журналом Минобороны «Армейский вестник» статьи о «парапсихологическом спецназе» подобная оценка «Военно-промышленного курьера» не должна вызывать удивления.
Научиться квантовать
Деятельность Леонова периодически привлекает внимание экспертов и журналистов. Последний раз это произошло в марте, когда «Военно-промышленный курьер» опубликовал материалы круглого стола, посвященного квантовому двигателю. В статье газеты говорилось, что по инициативе заместителя гендиректора «Роскосмоса» Ивана Харченко разработано техническое задание (ТЗ), предполагающее создание демонстрационного образца квантового двигателя.
«Личность Леонова для нас известная, он неоднократно к нам обращался с идеей внедрить инновационный антигравитационный двигатель, созданный на основе той теории, которую он, как декларирует, разработал. Некая теория суперобъединения. Нами действительно сформировано техническое задание, но не на разработку антигравитационного двигателя, как пишут СМИ, а на экспериментальную проверку достоверности тех явлений, о которых заявляет автор», — прокомментировал РИА Новости материал газеты советник гендиректора «Роскосмоса» Дмитрия Рогозина по науке Александр Блошенко.
По его словам, в госкорпорации «знают позицию РАН по этому вопросу и разделяют ее сдержанность по поводу того, что Леонов разработал некую теорию суперобъединения, которая в корне меняет все существующие на сегодняшний день теории. Некий аналог теории струн. В то же время мы понимаем, что тот, кто первый научится квантовать гравитационное поле, без всяких сомнений заслуживает Нобелевскую премию». Блошенко напомнил, что даже к устоявшейся планетарной модели атома первоначально у ученых было скептическое отношение, поэтому нельзя сразу априори отвергать новые теории. ТАСС советник заявил, что «нам интересно измерить тягу и энергопотребление антигравитационного двигателя Леонова».
Пятая сила
По мнению Леонова, по космическому пространству «разлита» колоссальная энергия «в виде глобального электромагнитного поля с очень мелкой дискретностью (квантованностью), о котором ранее ничего не было известно». «Это глобальное поле открыто мной в 1996 году как пятая фундаментальная сила (суперсила) в виде сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ). Его носителем является квант пространства-времени (квантон), размеры которого на десять порядков меньше атомного ядра, но он концентрирует энергию, намного превышающую ядерную», — говорит изобретатель КвД-1-2009.
Леонов уверяет, что «квантовый двигатель отталкивается от глобального поля СЭВ за счет деформации в нужном направлении (искривления по Эйнштейну) квантованного пространства-времени, создавая искусственную силу тяготения (тяги)». Создатель КвД-1-2009 уверен, что современная наука неправильно интерпретирует природу темной материи, которая якобы и является реальным проявлением пятой силы.
Обновленный президиум
Взгляды Леонова противоречат современной физике и вызывают резко негативную реакцию в экспертном сообществе. Согласно современным представлениям, подтвержденным многочисленными экспериментами, в природе существуют только четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое), а нарушение закона сохранения импульса принципиально невозможно.
Достаточно точно отношение к деятельности Леонова, а также реакции Блошенко на квантовый двигатель и лженаучную «теорию суперобъединения», которую советник госкорпорации решился сравнить с теорией струн, высказал в беседе с «Радио Свобода» кандидат технических наук Вадим Лукашевич: «Идея этого двигателя противоречит всем законам физики, законам Вселенной. Люди, которые изобретают вечные двигатели, телепортацию или машины времени, были всегда. Это все равно что доказывать, что Земля плоская и стоит на трех слонах».
По его мнению, госкорпорации в лице Блошенко следовало бы вообще игнорировать инициативы Леонова. Как заметил Лукашевич, «если бы они (вечные двигатели, телепортация и машина времени — прим. «Ленты.ру») были возможны, не работала бы вся остальная физика», а, реагируя на Леонова и подобных ему лиц, «мы пытаемся с точки зрения здравого смысла оценить действия идиотов».
Некоторые из последних, между прочим, не только продолжают свою работу, но и получили повышение. Согласно поступившей в распоряжение ТАСС копии приказа Рогозина от 3 апреля, «Роскосмос» обновил состав своего Научно-технического совета, включив в него Блошенко, который займется курированием секции «создания робототехнических систем космического назначения».
Тепловые двигатели преобразуют тепло в другие виды энергии. Новый квантовый тепловой двигатель может генерировать больше энергии, чем классические аналоги.
Двигатели внутреннего сгорания работают благодаря известному второму закону термодинамики. Этот закон справедлив и для сверхмалых двигателей в квантовой сфере, но с небольшими отклонениями. Исследованиями установлено, что квантовая запутанность может помочь отдельным атомам управлять тепловыми машинами.
Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Крошечные кусочки материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две или более частиц могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними.
Хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает делать то, что невозможно было делать классически.
Незыблемый второй закон термодинамики и его «изгиб»
Это успешный классический подход. Как того требует термодинамика, энергия всегда сохраняется (первый закон), и когда она распространяется от горячего к холодному, она может выполнять работу, ограниченную генерацией беспорядка или энтропии (второй закон). Эти законы определяют все, начиная от расстояния перемещения на литре топлива, которое двигатель автомобиля может реализовать до батареи аккумулятора смартфона. Они помогают физикам лучше понять черные дыры и понять, почему время движется вперед, а не назад.
Тем не менее, общий подход, учитывающий поле, а не колоски, заставил физиков задуматься, действует ли термодинамика на всех уровнях. Будет ли это работать, если двигатель состоит из трех молекул, а не из типичного триллиона триллионов? Возможно, термодинамический код не так уж жесток в области очень малых размеров, управляемых причудливыми правилами квантовой механики.
За последние несколько десятилетий физики постепенно исследовали поток тепла на квантовом уровне, и были заинтригованы обнаруженными нарушениями второго закона термодинамики. Пока что второй закон остается в силе, но новые точные экспериментальные методы позволяют физикам более полно исследовать квантовые основы термодинамики и получить интересные результаты. Проверяя пределы, установленные теоретиками, исследователи строят крошечные двигатели, некоторые из которых приводятся в действие одним атомом, и измеряют слабую мощность устройств. Эксперименты, проведенные на протяжении многих лет, показали, что если второй закон термодинамики действительно нарушается в небольших масштабах, то это нарушение не очень велико.
Квантовые двигатели
Будущее практического применения этой работы будет зависеть от понимания того, как основные термодинамические принципы действуют в сверхмалых масштабах.
В проведенных исследованиях квантовый двигатель превзошел свой традиционный эквивалент, без каких-либо особых настроек в его среде. Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель в тех же условиях.
В новом исследовании квантовый двигатель работает не путем зажигания бензина, а с помощью лазера, чтобы заставить электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза перепрыгнуть между уровнями энергии. И вместо того, чтобы двигать поршни, квантовая машина выводит свою мощность в электромагнитных волнах.
Вот где появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, то есть они пойманы в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Как будто поршень двигателя автомобиля одновременно находился в верхнем и нижнем положениях.
Квантовое увеличение мощности проявляется только в том случае, если двигатель работает чрезвычайно осторожно, как автомобильный двигатель, в котором поршни двигаются незначительно во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не заменяет всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом спокойном состоянии, а пока большинство из них работают на других режимах.
Информационное преимущество преобразования тепла в работу
Многие физики пытаются использовать суперпозицию, квантовую запутанность и другие квантовые хитрости для выполнения информационных задач, которые невозможны по правилам классической физики. Исследователи предполагают сверхзащищенные сети связи и квантовые компьютеры, которые используют запутанные фотоны или ионы для легкого решения сложных проблем.
Но информация означает гораздо больше, чем просто обмен и обработка единиц и нулей. В результате физики, размышляющие над квантовыми вычислениями и коммуникацией, обратили свое внимание на термодинамику. Они начали решать вопрос, могут ли такие свойства, как запутанность, также дать преимущество в преобразовании тепла в работу.
Двигатель размером с атом
В ближайшее время ученые смогут в лабораториях экспериментировать с двигателями, использующими квантовые эффекты. Немецкие исследователи уже сделали шаг к этой цели, построив тепловой двигатель, состоящий из одного атома. Йоханнес Роснагель, квантовый физик из Университета Майнца, и его коллеги построили конусообразную оболочку вокруг иона кальция. После использования лазера и электрического поля для нагрева иона примерно на один градус выше абсолютного нуля, исследователи измерили работу, выполняемую ионом, когда он оказывал небольшое усилие к вершине конуса.
Типичный двигатель (слева) использует тепловую энергию для привода турбины или выполнения какой-либо другой задачи. Уменьшите размер двигателя до минимального, и он может заставить один атом (справа, зеленая точка) вибрировать и выполнять небольшую работу.
Несмотря на измеримую выходную мощность одноионного двигателя, Роснагель предупреждает, что наноразмерные двигатели для практического использования находятся в лучшем случае на расстоянии десятилетий. Вместо этого полезность квантовой термодинамики, вероятно, будет происходить при развитии других технологий.
Квантовая термодинамика и управление теплом
Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. Квантовая термодинамика может помочь физикам научиться трюкам, чтобы уменьшить количество потерянного тепла или, возможно, даже собрать его с помощью небольших устройств внутри компьютера.
Управление теплом еще более важно для физиков, стремящихся создать практические квантовые компьютеры. Такое устройство должно работать при экстремально низких температурах, чтобы использовать квантовые эффекты и потенциально превосходить традиционные компьютеры.
Некоторые представители физики утверждают, что подобные эксперименты могут в конечном итоге нарушить основополагающий второй закон термодинамики.