Межзвёздный полёт. Космическое путешествие: Межзвёздный перелет Когда человечество полетит к звездам

В этом году космос вернулся в моду. Все песни только о холодной пустоте, далёких планетах и тысячах световых лет. Человечество снова задумывается о том, куда бы переехать из безнадежно захламлённой квартиры. Мы мечтаем о новом доме, где всё можно будет начать с чистого листа.

Главная беда подобных мечтаний - небезызвестная теория относительности, в которой ясно сказано, что никакое тело не может двигаться быстрее света в вакууме. Преодолеть скорость света в классическом понимании физики пока невозможно. Этот факт всегда ставил реализуемость межгалактических пилотируемых миссий под большое сомнение. Вероятно, решением проблемы станет «теория всего», которая гипотетически должна объединить все известные фундаментальные взаимодействия, в первую очередь квантовую механику и ту самую общую теорию относительности. Вот тут мы смогли бы по-новому взглянуть на всю проблематику межгалактических путешествий. А пока этого не случилось, стоит рассказать о теоретически возможных способах для человека покинуть родную галактику.

Супердвигатель

Первым и самым реалистичным способом можно считать создание мощного двигателя, способного разогнать корабль достаточно, чтобы доставить астронавтов до другой звёздной системы. Ближайшая к нам звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4,24 световых лет. И она уже не выглядит такой далёкой, если рассматривать гипотетические фотонные ракетные двигатели, называемые иначе аннигиляционными. Физики Вэймин Чжан и Ронан Кин рассчитали, что, используя даже те знания и технологии, которыми учёные располагают на данный момент, можно разогнать космический корабль до 70% от световой скорости, то есть приблизительно до 210 тысяч км/сек. К сожалению, создание антивещества, которое служило бы топливом для подобного двигателя, пока слишком трудное и затратное.

Вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами - электронами с положительным электрическим зарядом; в обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. - Прим. ред.

Космический мусор и астероиды частенько становятся серьёзным препятствием для астронавтов в кино, но они же действительно являются основной угрозой и в реальных расчётах межгалактических путешествий. Считается, что на скорости более 0,1 от световой корабль не успеет изменить курс и избежать столкновения с космическим телом. В этом случае астронавтов не спасет даже защитный экран, который для движения на таких скоростях должен иметь толщину десятки метров и массу сотни тысяч тонн для защиты хотя бы от межзвёздной пыли.

Самый реалистичных из существовавших проектов - корабль «Дедал», получивший своё название из древнегреческой мифологии. На протяжении четырёх лет, с 1973 по 1977 год, над проектом работали 11 британских инженеров, но он, к сожалению, так и не воплотился в жизнь, оставшись на бумаге. Из-за исполинских размеров построить такой корабль удалось бы только в открытом космосе. По размерам «Дедал» вполне сопоставим с Эмпайр-стейт-билдинг, а вес одного только топлива превышал 100 тысяч тонн. Звездолёт должен был достигнуть звезды Барнарда, удалённой от Земли на 5,91 световых лет, за полвека. Участие астронавтов в полёте не рассматривалось. Пассажирами корабля могли стать только 18 зондов с ионными двигателями, предназначенные для детального изучения звезды Барнарда и её окрестностей. В настоящее время американской некоммерческой группой ученых Tau Zero и Британским межпланетным обществом ведётся разработка нового проекта «Икар», который должен вобрать в себя некоторые элементы своего предшественника. Результаты исследований планируется опубликовать в конце текущего года.

Проход сквозь искривлённое пространство

Если опровергнуть теорию относительности нельзя и преодолеть скорость света невозможно, то нужно найти вариант обхода. В этом заключается второй способ - искривление пространства-времени варп-двигателем. Корабль как бы сжимает пространство, не приближая себя к конечной точке путешествия и приближая саму точку A к точке Б. Такой «объезд» позволил бы преодолевать тысячи световых лет, не затрачивая при этом большого количества земного времени. Конечно, пока никто не поместил кротовую нору в окрестностях Сатурна, это выглядело чем-то фантастическим, но в 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре, вдохновлённый сериалом «Звёздный путь», предложил идею создания устройства по искривлению пространства. Механизм сжимал бы его спереди и расширял за кормой корабля. Сам звездолёт находился бы в своеобразном пузыре и относительно него оставался бы практически неподвижным.

собирательный, фантастический научно-теоретический образ технологии или явления из вымышленной вселенной «Стартрека», позволяющей попасть из одной точки пространства в другую быстрее, чем это делает свет: это становится возможным благодаря генерации специального поля искривления - варп-поля, - которое окутывает судно и искажает пространственно-временной континуум космического пространства, перемещая его. - Прим. ред.

Варп-двигатель, помимо сериала «Звёздный путь», где он был отражён наиболее точно, также был задействован в «Звёздных вратах» и «Звёздных войнах». Там космические корабли преодолевали гигантские расстояния именно с помощью технологии искусственного искривления пространства.

В 2010 году агентства NASA и DARPA (Американское агентство передовых оборонных исследовательских проектов) приступили к разработке проекта 100 Year Starship, целью которого является не постройка конкретного корабля, а стимулирование нескольких поколений учёных на исследования в различных дисциплинах и создание прорывных технологий. В сентябре 2012 года на конференции в Хьюстоне инженер Гарольд Уайт уже презентовал первые результаты экспериментов своей исследовательской группы Eagleworks. За основу был взят проект пузыря Алькубьерре. Согласно расчётам Уайта, корабль, оборудованный варп-двигателем, способен достигнуть Альфы Центавры (расстояние до неё составляет 4,36 световых лет) за две недели, в то время как такой полёт на обычном современном корабле занял бы порядка 75 тысяч лет. Многие светлые умы современной науки достаточно скептически отнеслись к подобной технологии перемещения в пространстве. Хотя бы потому, что движение быстрее скорости света - это и движение сквозь время, поэтому варп-двигатель представляет собой не что иное, как вариант машины времени, что плохо соотносится с той самой теорией относительности. Однако Уайт, как и Мигель Алькубьерре, уверен в том, что подобный двигатель реален. Более того, по его словам, создание такого двигателя возможно в самое ближайшее время, уже в нашем поколении. Остаётся дождаться результатов исследований.

Гарольд Уайт

Корабль поколений

Третьим способом покорения Вселенной людьми можно считать создание корабля поколений. В основе подобных проектов не лежит мощный двигатель или проблема быстрой доставки астронавтов к другим звёздным системам. Корабль поколений - это человеческая колония. Автономная космическая станция, конечной целью экспедиции которой может являться как доставка людей на планету, пригодную для жизни, так и изучение просторов Вселенной на протяжении сотен и тысяч лет.

Стэнфордский тор - наиболее подробно описанный проект корабля поколений. В 1975 году он был предложен командой студентов Стэнфордского университета и представляет собой кольцевидную вращающуюся станцию диаметром около 1,8 километра, с осью в центре, предназначенную для проживания 10 тысяч человек. Вращение объекта создавало бы гравитацию во внутренней, жилой части кольца. В качестве источника питания планировалось использовать солнечный свет, который поступает внутрь с помощью системы зеркал. Большая площадь внутреннего пространства станции позволяет создать полноценную замкнутую экосистему.

Первой проблемой воплощения такого проекта является полная автономность корабля, то есть обеспечение питанием, кислородом, топливом, переработка отходов т. д. Но даже если не заострять внимание на этой детали, основная проблема всё же кроется в поле морали. Если первое поколение людей сможет смириться с тем, что больше никогда не увидит Землю и им суждено умереть в космосе ради их миссии, то последующие поколения на станции, являющиеся промежуточными, столкнутся с трудностями осознания конечной цели их жизни, которая будет складываться разве что в сборе данных, поддержании курса, а главное - в продолжении рода. Об этом не раз думали научные фантасты. Например, в романе Роберта Хайнлайна «Пасынки Вселенной» рассказывается как раз о том, что последующие поколения астронавтов в результате мятежа на корабле вообще забыли о финальной цели своего пути и скатились до уровня доиндустриального общества, на многие годы застряв на дрейфующей станции. Возможно, выходом из ситуации станут анабиоз или крионирование, но такие технологии пока недостаточно развиты.

Наша история уже узнала первые реальные попытки создания человеческой колонии. Программа Mars One, создаваемая голландской частной компанией под руководством изобретателя и предпринимателя Баса Лансдорпа, подразумевает высадку первых людей на поверхности Марса для последующей его колонизации уже в 2025 году. На данный момент после двух туров отбора, в качестве претендентов остались 705 человек, в числе которых 36 из России. Колонисты неизбежно столкнутся с той же моральной проблемой, что и на корабле поколений - они не смогут вернуться. Осуществить взлёт корабля с поверхности Красной планеты без космодрома, учитывая современные технологии, невозможно. И, вероятней всего, первым людям на Марсе придётся смириться с тем, что увидеть Землю они смогут разве что на экране монитора.

Не стоит забывать, что маленькие частицы нашей цивилизации уже покинули пределы Солнечной системы. Запущенные в 1977 году аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» уже изучают межзвёздное пространство и несут на борту послание для неземных цивилизаций. Человечество действительно стоит на пороге великих открытий. Если верить теории технологической сингулярности, то в недалёком будущем нас ждёт граница, за которой технологический и научный прогресс станет недоступным пониманию из-за своей сложности и быстроты развития. После наступления технологической сингулярности научные свершения станут такой же рутиной, как выход нового смартфона. Многие учёные связывают это с появлением искусственного интеллекта, а в качестве наиболее вероятного временного интервала называется период 2016–2040 года. Поп-культура вновь не ошиблась - сейчас самое время для снов о космическом будущем.

Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?

C помощью телескопа «Кеплер» астрономы уже обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.

Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно – из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей.

Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Рис. 1. Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды.

Полет к другим звездам – это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.

Дорогу беспилотникам

Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок – 17 тысяч лет.

Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом – постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.

Рис. 2. Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг.

Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10–15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности.

Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая – 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.

Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света.

Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.

Рис. 3. Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода.

Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.

Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541–2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?

Полет длиною в жизнь

Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 лет не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.

Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает,

что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года.

Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.

Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.

Рис. 4. Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…

К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы – Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это – огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9–1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.

Рис. 5. …а закончился экологической катастрофой.

В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея.

Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек.

Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими.

В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.

Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.

Замороженный сон

Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз – это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.

К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35–40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.

Рис. 6. Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов.

Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело.

При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур . В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.

Однако существует перспективный путь решения этой проблемы – клатратные гидраты . Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.

Полет на водороде

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.

Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит – отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости – в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.

К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.

Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.

Рис. 7. Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия.

Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».

Антиматерия в помощь

Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.

Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х10 11 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством.

Но это всего один килограмм антивещества.

Рис. 8. Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу.

В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.

Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.

Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.

Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.

Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5–7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.

Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.

Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.

Может показаться, что все вышеописанное – фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.

В тысячах фантастических романов описаны гигантские фотонные звездолеты размером с небольшой (или большой) город, уходящие в межзвездный полет с орбиты нашей планеты (реже — с поверхности Земли). Но по замыслу авторов проекта Breakthrough Starshot все будет происходить совсем не так: в один знаменательный день две тысячи какого-то года к одной из ближайших звезд, альфе Центавра, стартует не один и не два, а сразу сотни и тысячи маленьких звездолетиков размером с ноготь и массой в 1 г. И у каждого из них будет тончайший солнечный парус площадью в 16 м 2 , который и понесет звездолет со все возрастающей скоростью вперед — к звездам.

Такелаж. Для сохранения формы паруса предполагается армировать его графеном. Некоторые композитные материалы на основе графена могут сокращаться под действием приложенного электрического напряжения для активного управления. Для стабилизации парус можно раскрутить или придать ему форму обратного конуса для пассивной самостабилизации в поле лазерного излучения. Солнечный парус. Один из главных элементов проекта — солнечный парус площадью в 16 м² и массой всего 1 г. В качестве материала паруса рассматриваются многослойные диэлектрические зеркала, отражающие 99,999% падающего света (по предварительным расчетам этого должно хватить, чтобы парус не расплавился в поле излучения 100-ГВт лазера). Более перспективный подход, позволяющий сделать толщину паруса меньшей длины волны отражаемого света, — это использование в качестве основы паруса монослоя метаматериала с отрицательным показателем преломления (такой материал к тому же имеет наноперфорацию, что еще уменьшает его массу). Второй вариант — это использование материала не с высоким коэффициентом отражения, а с низким коэффициентом поглощения (10−9), такого как оптические материалы для световодов.

«Выстрел к звёздам»

Основой проекта Breakthrough Starshot стала статья профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина «План для межзвездных полетов» (A Roadmap to Interstellar Flight). Основная заявленная цель проекта состоит в том, чтобы сделать межзвездные полеты возможными уже при жизни следующего поколения людей, то есть не через столетия, а через десятилетия.

Полетный план

1. Ракета выводит на околоземную орбиту материнский корабль, содержащий десятки, сотни, тысячи или десятки тысяч зондов. 2. Зонды покидают материнский корабль, разворачивают паруса, ориентируются и занимают стартовую позицию. 3. На Земле начинает работать фазированный массив размерами 1 х 1 км из 20 млн небольших (с апертурой в 20−25 см) лазерных излучателей, фокусирующий лазерный луч на поверхности паруса. 4. Для компенсации атмосферных искажений используются опорные бакены — «искусственные звезды» в верхних слоях атмосферы, на материнском корабле, а также отраженный сигнал от паруса. 5. Зонд разгоняется лазерным лучом в течение нескольких минут до 20% от скорости света, ускорение при этом достигает 30 000 g. На протяжении всего полета, который продлится около 20 лет, лазер периодически отслеживает положение зонда. 6. По прибытии к цели, в систему Альфа Центавра, зонды пытаются обнаружить планеты и сделать их снимки во время пролета. 7. Используя парус как линзу Френеля и лазерный диод в качестве передатчика, зонд ориентируется и передает полученные данные в направлении Земли. 8. Через пять лет на Земле принимают эти данные.

Сразу после официального анонса программы Starshot на авторов проекта обрушилась волна критики со стороны ученых и технических специалистов в различных областях. Критически настроенные эксперты отмечали многочисленные некорректные оценки и просто «белые пятна» в плане программы. Некоторые замечания были приняты во внимание, и план полета был несколько скорректирован в первой итерации.

Итак, межзвездный зонд будет представлять собой космический парусник с электронным модулем StarChip массой 1 г, соединенным сверхпрочными стропами с солнечным парусом площадью 16 м 2 , толщиной 100 нм и массой 1 г. Конечно, света нашего Солнца недостаточно, чтобы разогнать даже столь легкую конструкцию до скоростей, при которых межзвездные путешествия не будут длиться тысячелетиями. Поэтому главная изюминка проекта StarShot — это разгон с помощью мощного лазерного излучения, которое фокусируется на парусе. По оценкам Любина, при мощности лазерного луча 50−100 ГВт ускорение составит около 30 000 g, и за несколько минут зонд достигнет скорости в 20% световой. Полет к альфе Центавра продлится около 20 лет.

Под звёздными парусами

Одна из ключевых деталей проекта — это солнечный парус. В исходном варианте площадь паруса изначально составляла всего 1 м 2 , и из-за этого он мог не выдержать нагрева при разгоне в поле лазерного излучения. Новый вариант использует парус площадью 16 м 2 , так что тепловой режим будет хотя и довольно жестким, но, по предварительным оценкам, не должен расплавить или разрушить парус. Как пишет сам Филип Любин, в качестве основы для паруса планируется использовать не металлизированные покрытия, а полностью диэлектрические многослойные зеркала: «Такие материалы характеризуются умеренным коэффициентом отражения и чрезвычайно низким поглощением. Скажем, оптические стекла для волоконной оптики рассчитаны на большие световые потоки и имеют поглощение порядка двадцати триллионных на 1 мкм толщины». Добиться хорошего коэффициента отражения от диэлектрика при толщине паруса в 100 нм, а это много меньше длины волны, непросто. Но авторы проекта возлагают некоторые надежды на использование новых подходов, таких как монослои метаматериала с отрицательным показателем преломления. «Кроме того, нужно учитывать, что отражение от диэлектрических зеркал настраивается на узкий диапазон длин волн, а по мере ускорения зонда эффект Доплера сдвигает длину волны более чем на 20%, — говорит Любин. — Мы это учитывали, поэтому отражатель будет настроен примерно на двадцатипроцентную ширину полосы излучения. Мы спроектировали такие отражатели. Если необходимо, доступны и отражатели с большей шириной полосы».

Юрий Мильнер, российский бизнесмен и меценат, основатель фонда Breakthrough Initiatives: За последние 15 лет произошли существенные, можно сказать, революционные продвижения по трем технологическим направлениям: миниатюризация электронных компонентов, создание нового поколения материалов, также удешевление и увеличение мощности лазеров. Сочетание этих трех тенденций приводит к теоретической возможности разогнать наноспутник до почти релятивистских скоростей. На первом этапе (5−10 лет) мы планируем провести более углубленное научно-инженерное исследование, чтобы понять, насколько этот проект реализуем. На сайте проекта есть список из примерно 20 серьезных технических проблем, без решения которых мы не сможем идти дальше. Это не окончательный список, но, опираясь на мнение научного совета, мы считаем, что первый этап проекта имеет достаточную мотивацию. Я знаю, что проект звездного паруса подвергается серьезной критике со стороны специалистов, но думаю, что позиция некоторых критически настроенных экспертов связана с не совсем точным пониманием того, что же мы реально предлагаем. Мы финансируем не полет к другой звезде, а вполне реалистичные многоцелевые разработки, связанные с идеей межзвездного зонда лишь общим направлением. Эти технологии найдут применение и для полетов в Солнечной системе, и для защиты от опасных астероидов. Но постановка столь амбициозной стратегической цели, как межзвездный полет, представляется оправданной в том смысле, что развитие технологий за последние 10−20 лет, вероятно, делает реализацию подобного проекта вопросом не веков, как многие предполагали, а скорее — десятилетий.

Лазерная установка

Основная силовая установка звездолета не полетит к звездам — она будет расположена на Земле. Это наземная фазируемая решетка лазерных излучателей размером 1х1 км. Суммарная мощность лазеров должна составлять от 50 до 100 ГВт (это эквивалентно мощности 10−20 Красноярских ГЭС). Предполагается с помощью фазирования (то есть изменения фаз на каждом отдельном излучателе) сфокусировать излучение с длиной волны 1,06 мкм со всей решетки в пятно диаметром несколько метров на расстояниях вплоть до многих миллионов километров (предельная точность фокусировки 10−9 радиана). Но такой фокусировке сильно мешает турбулентная атмосфера, размывающая луч в пятно размером примерно в угловую секунду (10−5 радиана). Улучшения на четыре порядка предполагается достичь с помощью адаптивной оптики (АО), которая будет компенсировать атмосферные искажения. Лучшие системы адаптивной оптики в современных телескопах уменьшают размытие до 30 угловых миллисекунд, то есть до намеченной цели остается еще примерно два с половиной порядка.

Филип Любин в своей статье приводит численные оценки пунктов плана, однако многие ученые и специалисты относятся к этим данным весьма критически. Конечно, для проработки столь амбициозного проекта, как Breakthrough Starshot, требуются годы работы, да и $100 млн — не такая уж и большая сумма для работы подобного масштаба. В особенности это касается наземной инфраструктуры — фазированной решетки лазерных излучателей. Установка такой мощности (50−100 ГВт) потребует гигантского количества энергии, то есть рядом нужно будет построить как минимум десяток крупных электростанций. Помимо этого, потребуется отводить от излучателей огромное количество тепла на протяжении нескольких минут, и как это делать — пока что совсем неясно. Таких вопросов без ответов в проекте Breakthrough Starshot огромное количество, однако пока что работа только началась. «В научный совет нашего проекта входят ведущие специалисты, ученые и инженеры в различных релевантных областях, включая двух нобелевских лауреатов, — говорит Юрий Мильнер. — И я слышал весьма сбалансированные оценки реализуемости этого проекта. При этом мы, безусловно, полагаемся на совокупную экспертизу всех членов нашего научного совета, но в то же время открыты для более широкой научной дискуссии».

«Чтобы победить мелкомасштабную атмосферную турбулентность, фазируемая решетка должна быть разбита на очень мелкие элементы, размер излучающего элемента для нашей длины волны должен составлять не более 20−25 см, — объясняет Филип Любин. — Это минимум 20 млн излучателей, но такое количество меня не пугает. Для обратной связи в системе АО мы планируем использовать много опорных источников — бакенов — и на зонде, и на материнском корабле, и в атмосфере. Кроме того, мы будем отслеживать зонд на пути к цели. Мы также хотим использовать звезды как бакен для настройки фазирования решетки при приеме сигнала от зонда по прибытии, но для надежности будем отслеживать зонд».

Прибытие

Но вот зонд прибыл в систему альфы Центавра, сфотографировал окрестности системы и планеты (если они есть). Эту информацию нужно каким-то образом передать на Землю, причем мощность лазерного передатчика зонда ограничена единицами ватт. А через пять лет этот слабый сигнал нужно принять на Земле, выделив из фонового излучения звезды. По замыслу авторов проекта, у цели зонд маневрирует таким образом, что парус превращается в линзу Френеля, фокусирующую сигнал зонда в направлении Земли. Согласно оценкам, идеальная линза при идеальной фокусировке и идеальной ориентации усиливает сигнал мощностью 1 Вт до 10 13 Вт в изотропном эквиваленте. Но как рассмотреть этот сигнал на фоне гораздо более мощного (на 13−14 порядков!) излучения звезды? «Свет от звезды на самом деле довольно слаб, поскольку ширина линии нашего лазера очень мала. Узкая линия — ключевой фактор в сокращении фона, — говорит Любин. — Идея сделать из паруса линзу Френеля на основе тонкопленочного дифракционного элемента достаточно сложна и требует большой предварительной работы, чтобы понять, как именно лучше сделать это. Этот пункт на самом деле — один из главных в нашем плане проекта».

С другой стороны, фазированная решетка оптических излучателей / приемников излучения общей апертурой в километр — это инструмент, способный видеть экзопланеты с расстояния десятков парсек. Используя приемники с перестраиваемой длиной волны, можно определить состав атмосферы экзопланет. Нужны ли вообще в таком случае зонды? «Конечно, использование фазируемой решетки как очень большого телескопа открывает новые возможности в астрономии. — Но, — добавляет Любин, — мы планируем добавить к зонду инфракрасный спектрометр в качестве более долговременной программы в дополнение к камере и другим датчикам. У нас отличная группа фотоники в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, которая является частью коллаборации».

Но в любом случае, по словам Любина, первые полеты будут совершаться в пределах Солнечной системы: «Поскольку мы можем посылать огромное количество зондов, это дает нам много разных возможностей. Мы также можем посылать подобные маленькие (wafer-scale, то есть на чипе) зонды на обычных ракетах и использовать те же технологии для изучения Земли или планет и их спутников в Солнечной системе».

Редакция благодарит газету « Троицкий вариант — наука » и ее главного редактора Бориса Штерна за помощь в подготовке статьи.

Все, что называют «варп-двигателем», отсылает нас скорее к «Звездному пути», чем к NASA. Идея варп-двигателя Алькубьерре в том, что он может быть возможным решением (или хотя бы началом его поиска) задачи преодоления ограничений вселенной, которые она накладывает на путешествия быстрее скорости света.

Основы этой идеи довольно просты, и NASA использует пример беговой дорожки для ее объяснения. Хотя человек может двигаться с конечной скоростью на беговой дорожке, совместная скорость человека и дорожки означает, что конец будет ближе, чем мог быть в случае движения по обычной дорожке. Беговая дорожка - это как раз , движущийся по пространству-времени в своего рода пузыре расширения. Перед варп-двигателем пространство-время сжимается. Позади него расширяется. В теории это позволяет двигателю перемещать пассажиров быстрее скорости света. Один из ключевых принципов, связанный с расширением пространства-времени, как полагают, позволил Вселенной быстро расшириться мгновения спустя после Большого Взрыва. В теории идея должна быть вполне осуществимой.

Ужасно, когда на Земле нет Интернета и вы не можете подгрузить Google Maps на своем смартфоне. Во время межзвездных перелетов без него будет еще хуже. Выйти в космос - это только первый шаг, ученые уже сейчас начинают задумываться, что делать, когда нашим пилотируемым и беспилотным зондам потребуется передавать сообщения обратно на Землю.

В 2008 году NASA провело первые успешные испытания межзвездной версии Интернета. Проект был запущен еще в 1998 году в рамках партнерства между Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) и Google. Спустя десять лет у партнеров появилась система Disruption-Tolerant Networking (DTN), которая позволяет отправлять изображения на космический аппарат за 30 миллионов километров.

Технология должна быть в состоянии справляться с большими задержками и перебоями в передачах, поэтому может продолжать передачу, даже если сигнал прерывается на 20 минут. Он может проходить сквозь, между или через все, от солнечных вспышек и солнечных бурь до надоедливых планет, которые могут оказаться на пути передачи данных, без потери информации.

Как говорит Винт Серф, один из основателей нашего земного Интернета и пионер межзвездного, система DTN преодолевает все проблемы, которыми болеет традиционный протокол TCIP/IP, когда ему нужно работать с большими расстояниями, в космических масштабах. С TCIP/IP поиск в Google на Марсе займет так много времени, что результаты изменятся, пока запрос будет обрабатываться, а на выходе информация будет частично утрачена. С DTN инженеры добавили что-то совершенно новенькое - возможность назначать различные доменные имена различным планетам и выбирать, на какой планете вы хотите осуществить поиск в Интернете.

Что насчет путешествия к планетам, с которыми мы пока не знакомы? Scientific American предполагает, что может быть способ, хотя и очень дорогой и трудоемкий, провести интернет к Альфе Центавра. Запустив серию самовоспроизводящихся зондов фон Неймана, можно создать длинную серию ретрансляционных станций, которые могут отправлять информацию по межзвездной цепи. Сигнал, рожденный в нашей системе, пройдет по зондам и достигнет Альфы Центавра, и наоборот. Правда, потребуется много зондов, на строительство и запуск которых уйдут миллиарды. Да и вообще, учитывая то, что самому дальнему зонду придется преодолевать свой путь тысячи лет, можно предположить, что за это время изменятся не только технологии, но и общая стоимость мероприятия. Не будем спешить.

Эмбриональная колонизация космоса

Одна из крупнейших проблем межзвездных путешествий - и колонизации в целом - заключается в количестве времени, которое необходимо, чтобы куда-нибудь добраться, даже имея в рукаве какие-нибудь варп-двигатели. Сама задача доставить группу поселенцев в пункт назначения порождает массу проблем, поэтому рождаются предложения отправить не группу колонистов с полностью укомплектованным экипажем, а скорее корабль, набитый эмбрионами - семенами будущего человечества. Как только корабль достигает нужного расстояния до пункта назначения, замороженные эмбрионы начинают расти. Потом из них выходят дети, которые растут на корабле, и когда они наконец достигают пункта назначения, у них имеются все способности зачать новую цивилизацию.

Очевидно, все это, в свою очередь, поднимает огромный ворох вопросов, вроде того, кто и как будет осуществлять взращивание эмбрионов. Роботы могли бы воспитать людей, но какими будут люди, которых вырастили роботы? Смогут ли роботы понять, что нужно ребенку, чтобы расти и процветать? Смогут ли понять наказания и поощрения, человеческие эмоции? Да и вообще, еще предстоит выяснить, как сохранять замороженные эмбрионы в целости сотни лет и как выращивать их в искусственной среде.

Одним из предложенных решений, которое может решить проблемы робота-няньки, может стать создание комбинации из корабля с эмбрионами и корабля с анабиозом, в котором спять взрослые, готовые проснуться, когда им придется растить детей. Череда лет воспитания детей вместе с возвращением к состоянию спячки может, в теории, привести к стабильной популяции. Тщательно созданная партия эмбрионов может обеспечить генетическое разнообразие, которое позволит поддерживать популяцию в более-менее устойчивом состоянии после установления колонии. В корабль с эмбрионами можно включить также дополнительную партию, которая позволит в дальнейшем еще больше разнообразить генетический фонд.

Зонды фон Неймана

Все, что мы строим и отправляем в космос, неизбежно сталкивается с собственными проблемами, и сделать что-то, что проедет миллионы километров и не сгорит, не развалится и не угаснет, кажется совершенно невозможной задачей. Впрочем, решение этой задачи, возможно, было найдено десятки лет назад. В 1940-х годах физик Джон фон Нейман предложил механическую технологию, которая будет воспроизводиться, и хотя к межзвездным путешествиям его идея не имела никакого отношения, все неизбежно к этому пришло. В результате зонды фон Неймана можно было бы использовать, в теории, для исследования огромных межзвездных территорий. По мнению некоторых исследователей, идея о том, что все это пришло нам в голову первым, не только помпезна, но и маловероятна.

Ученые из Университета Эдинбурга опубликовали работу в International Journal of Astrobiology, в которой исследовали не только возможность создания такой технологии для собственных нужд, но и вероятность того, что кто-то уже это сделал. Основываясь на предыдущих расчетах, которые показывали, насколько далеко может забраться аппарат, используя разные способы передвижения, ученые изучили, как это уравнение изменится, если его применить к самовоспроизводящимся аппаратам и зондам.

Расчеты ученых строились вокруг самовоспроизводящихся зондов, которые могли бы использовать мусор и другие материалы космоса для строительства младших зондов. Родительские и дочерние зонды умножались бы так быстро, что покрыли бы всю галактику всего за 10 миллионов лет - и это при условии, если бы они двигались на 10% скорости света. Впрочем, это означало бы, что в определенный момент нас должны были посещать какие-нибудь подобные зонды. Поскольку мы их не видели, можно подобрать удобное объяснение: либо мы недостаточно технологически развиты, чтобы знать, где искать, либо .

Рогатка с черной дырой

Идея использования гравитации планеты или луны для выстрела, как из рогатки, бралась на вооружение в нашей Солнечной системе не раз и не два, прежде всего «Вояджером-2», который получил дополнительный толчок сначала от Сатурна, а потом от Урана на пути из системы. Идея предполагает маневрирование корабля, которое позволит ему увеличить (или уменьшить) скорость по мере движения через гравитационное поле планеты. Особенно эту идею любят писатели-фантасты.

Писатель Кип Торн выдвинул идею: такой маневр может помочь аппарату решить одну из крупнейших проблем межзвездных путешествий - потребление топлива. И предложил более рискованный маневр: разгон с помощью бинарных черных дыр. Минутное сжигание топлива понадобится, чтобы пройти критическую орбиту от одной черной дыры к другой. Проделав несколько оборотов вокруг черных дыр, аппарат наберет скорость, близкую к световой. Останется только хорошо прицелиться и активировать ракетную тягу, чтобы проложить себе курс к звездам.

Маловероятно? Да. Удивительно? Определенно. Торн подчеркивает, что есть множество проблем у такой идеи, например, точные расчеты траекторий и времени, которые не позволят отправить аппарат прямо в ближайшую планету, звезду или другое тело. Также возникают вопросы о возвращении домой, но если уж вы решитесь на такой маневр, возвращаться вы точно не планируете.

Прецедент для такой идеи уже образовался. В 2000 году астрономы обнаружили 13 сверхновых, летящих по галактике с невероятной скоростью в 9 миллионов километров в час. Ученые Университета Иллинойса в Урбана-Шампань выяснили, что эти своенравные звезды были выброшены из галактики парой черных дыр, которые оказались замкнуты в пару в процессе разрушения и слияния двух отдельных галактик.

Starseed Launcher

Когда дело доходит до запуска даже самовоспроизводящихся зондов, возникает проблема потребления топлива. Это не останавливает людей от поиска новых идей того, как запускать зонды на межзвездные расстояния. Этот процесс потребовал бы мегатонны энергии, используй мы технологии, которые у нас имеются сегодня.

Форрест Бишоп из Института атомной инженерии заявил, что создал метод запуска межзвездных зондов, который потребует количества энергии, примерно эквивалентной энергии автомобильной батареи. Теоретический Starseed Launcher будет примерно 1000 километров в длину и состоять в основном из проволоки и проводов. Несмотря на свою длину, вся эта штуковина могла бы уместиться в одном грузовом судне и зарядиться от 10-вольтовой батарейки.

Часть плана включает запуск зондов, которые немногим больше микрограмма по массе и содержат лишь основную информацию, необходимую для дальнейшего строительства зондов в космосе. За ряд запусков можно запустить миллиарды таких зондов. Основная суть плана в том, что самовоспроизводящиеся зонды смогут объединиться друг с другом после запуска. Сам пусковой механизм будет оборудован сверхпроводящими катушками магнитной левитации, создающими обратную силу, обеспечивающую тягу. Бишоп говорит, что некоторые детали плана требуют проработки, вроде противодействия зондами межзвездной радиации и мусора, но в целом можно начинать строить.

Особые растения для космической жизни

Как только мы куда-нибудь соберемся, нам понадобятся способы выращивания еды и регенерации кислорода. Физик Фримен Дайсон предложил несколько интересных идей на тему того, как это можно было бы осуществить.

В 1972 году Дайсон читал свою знаменитую лекцию в лондонском колледже Биркбек. Тогда же он предположил, что с помощью некоторых генетических манипуляций можно было бы создать деревья, которые смогут не только расти, но и процветать на неприветливой поверхности, кометы, к примеру. Перепрограммируйте дерево отражать ультрафиолетовый свет и эффективнее сохранять воду, и дерево не только пустит корни и будет расти, но и достигнет немыслимых по земным меркам размеров. В одном из интервью Дайсон предположил, что в будущем, возможно, появятся черные деревья, как в космосе, так и на Земле. Деревья на основе кремния были бы более эффективны, а эффективность - это ключ к продолжительному существованию. Дайсон подчеркивает, что этот процесс будет не минутным - возможно, лет через двести мы наконец выясним, как заставить деревья расти в космосе.

Идея Дайсона не так уж и нелепа. Институт передовых концепций NASA - это целый отдел, задача которого решать проблемы будущего, и среди них задача выращивать стабильные растения на поверхности Марса. Даже тепличные растения на Марсе будут расти в чрезвычайных условиях, и ученые перебирают разные варианты, пытаясь совместить растения с экстремофилами, крошечными микроскопическими организмами, которые выживают в самых жестоких условиях на Земле. От высокогорных томатов, которые обладают встроенным сопротивлением к ультрафиолетовому свету, к бактериям, которые выживают в самых холодных, горячих и глубоких уголках земного шара, мы, возможно, однажды соберем по частям марсианский сад. Осталось только выяснить, как собрать все эти кирпичики вместе.

Локальная утилизация ресурсов

Жизнь в отрыве от земли может быть новомодной тенденцией на Земле, но когда дело доходит до месячных миссий в космосе, это становится необходимым. В настоящее время NASA занимается, помимо остального, изучением вопроса локальной утилизации ресурсов (ISRU). На космическом судне не так много места, и создание систем для использования материалов, обнаруженных в космосе и на других планетах, будет необходимо для любой долгосрочной колонизации или поездок, особенно когда пунктом назначения станет место, куда будет весьма непросто доставить груз снабжения, топливо, еду и прочее. Первые попытки демонстрации возможностей использования локальных ресурсов были предприняты на склонах гавайских вулканов и в ходе полярных миссий. В список задач входят такие пункты, как добыча топливных компонентов из пепла и другой доступной в природе местности.

В августе 2014 года NASA сделало мощное заявление, показав новые игрушки, которые отправятся на Марс со следующим марсоходом, запуск которого состоится в 2020 году. Среди инструментов в арсенале нового марсохода есть MOXIE, эксперимент по локальной утилизации ресурсов в виде марсианского кислорода. MOXIE будет забирать непригодную для дыхания атмосферу Марса (на 96% состоящую из диоксида углерода) и разделять ее на кислород и моноксид углерода. Аппарат сможет производить 22 грамма кислорода за каждый час работы. NASA также надеется, что MOXIE будет в силах продемонстрировать кое-что еще - постоянную работу без снижения продуктивности или эффективности. MOXIE может не только стать важным шагом в направлении долгосрочных внеземных миссий, но и проложить путь множеству потенциальных преобразователей вредных газов в полезные.

2suit

Воспроизводство в космосе может стать проблемным на самых разных уровнях, особенно в условиях микрогравитации. В 2009 году японские эксперименты на эмбрионах мышей показали, что даже если оплодотворение происходит в условиях ненулевой гравитации, эмбрионы, которые развиваются за пределами привычного притяжения Земли (или его эквивалента), не развиваются нормально. Когда клетки должны делиться и выполнять специальные действия, возникают проблемы. Это не значит, что оплодотворение не происходит: эмбрионы мышей, зачатые в космосе и внедренные в земных самок мышей, успешно выросли и были рождены без проблем.

Это также поднимает другой вопрос: как именно производство детей работает в условиях микрогравитации? Законы физики, особенно тот факт, что у каждого действия есть равное противодействие, делают его механику немного нелепой. Ванна Бонта, писатель, актриса и изобретатель, решила серьезно заняться этим вопросом.

И создала 2suit: костюм, в котором два человека могут укрыться и заняться производством детишек. Его даже проверили. В 2008 году 2suit был опробовал на так называемой Vomit Comet (самолете, который совершает крутые виражи и создает минутные условия невесомости). Хотя Бонта предполагает, что медовые месяцы в космосе могут стать реальными благодаря ее изобретению, у костюма есть и более практичные применения, вроде сохранения тепла тела в чрезвычайной ситуации.

Проект Longshot

Проект Longshot был составлен группой Военно-морской академии США и NASA в рамках совместной работы в конце 1980-х. Конечная цель плана заключалась в запуске кое-чего на рубеже 21 века, а именно беспилотного зонда, который отправится к Альфе Центавра. Ему потребовалось бы 100 лет, чтобы достичь своей цели. Но прежде чем он будет запущен, ему потребуются некоторые ключевые компоненты, которые тоже предстоит разработать.

Помимо коммуникационных лазеров, долговечных реакторов ядерного деления и ракетного двигателя на инерционном лазерном синтезе, были и другие элементы. Зонд должен был получить независимое мышление и функции, поскольку было бы практически невозможно поддерживать связь на межзвездных расстояниях достаточно быстро, чтобы информация оставалась релевантной по достижении пункта приема. Также все должно было быть невероятно прочным, поскольку зонд достигнет пункта назначения через 100 лет.

Longshot собирались отправить к Альфе Центавра с разными задачами. В основном он должен был собрать астрономические данные, которые позволили бы точно рассчитать расстояния до миллиардов, если не триллионов, других звезд. Но если ядерный реактор, питающий аппарат, иссякнет, миссия тоже остановится. Longshot был весьма амбициозным планом, который так и не сдвинулся с мертвой точки.

Но это не значит, что идея умерла в зародыше. В 2013 году проект Longshot II буквально оторвался от земли в виде студенческого проекта Icarus Interstellar. С момента появления оригинальной программы Longshot прошли десятилетия технологических достижений, их можно применить к новой версии, и программа в целом получила капитальный ремонт. Были пересмотрены затраты на топливо, срок миссии был урезан вдвое и весь дизайн Longshot был пересмотрен от головы до пят.

Окончательный проект станет интересным показателем того, как нерешаемая проблема меняется с добавлением новых технологий и информации. Законы физики остаются прежними, но 25 лет спустя у Longshot появилась возможность обрести второе дыхание и показать нам, каким должно быть межзвездное путешествие будущего.

По материалам listverse.com

Космическая ракета, доставившая в ночь с 13 на 14 сентября 1959 г. вымпел Советского Союза на Луну, прош­ла свой путь за 1,5 суток. Приблизительно столько же времени понадобилось американской космической ракете, произведшей в июле 1964 г. перед падением на поверх­ность Луны фотографирование лунных ландшафтов с близких расстояний. При будущих полетах человека на Луну фактор времени не будет играть большой роли. Длительность этого космического путешествия будет меньше длительности многих путешествий по земным маршрутам.

Но уже при планировании полетов на планеты вопрос длительности путешествия становится важным. Чтобы до­стичь Венеры с наименьшей затратой горючего, необходимо около 150 суток, а для достижения Марса около 260 суток. Разумеется, когда будут использованы более эффективные средства тяги, чем те, которые применяются в космических ракетах наших придерживаться маршрута с наименьшей затратой энер­гии отпадет, время путешествия на планеты можно будет значительно сократить. В принципе, жителю Земли будет возможно значительную часть своего месячного отпуска проводить на одной из соседних планет.

Совершенно иначе выглядит проблема полетов к дру­гим звездам и другим галактикам. Здесь расстояния столь огромны, что фактор времени приобретает решающее значение.

Скорость космической ракеты на различных участках пути ограничивается предельным ускорением, которое способны длительное время переносить пассажиры. Кромеe того, скорость ракеты не может достичь скорости света.

Если ракета будет двигаться с постоянным ускорени­ем 10 м/с 2 , то пассажиры будут чувствовать себя пре­восходно. Состояния невесомости не будет, люди будут стоять на дне кабины ракеты точно так же, как они это делали в различных помещениях при обычной жизни на Земле, и будут испытывать совершенно те же физиче­ские ощущения, в том числе и ощущение того же веса отдельных частей своего тела и веса других предметов. Это объясняется тем, что ускорение силы тяжести на Земле также равно 10 м/с 2 (точнее, 9,81 м/с 2).

Но для уменьшения длительности полета нужна воз­можно большая скорость и, следовательно, возможно большее ускорение. По-видимому, здоровые люди могут длительное, время удовлетворительно переносить посто­янное ускорение в 20 м/с 2 . При таком ускорении ракеты вес пассажира, измеренный в кабине при помощи пру­жинных весов, был бы вдвое больше того, который он имел на Земле. Иначе говоря, пассажир чувствовал бы себя так же, как и на поверхности такой планеты, на которой ускорение силы тяжести и, значит сила тяже­сти, вдвое больше, чем на Земле. Дополнительная нагрузка к обычному весу будет при этом равномерно рас­пределяться по всему организму человека, ее будет зна­чительно легче переносить, чем груз, равный весу челове­ка, взваленный на его плечи. Итак, будем исходить из возможного постоянного ускорения 20 м/с 2 .

При таком ускорении на огромных расстояниях ско­рость может достичь очень больших величин. А при больших скоростях классические законы механики, зако­ны Ньютона, становятся неверными. Необходимо исполь­зовать законы, даваемые теорией относительности Эйн­штейна, которые верны для любых скоростей, и малых и больших.

Для выполнения расчетов нам удобнее принять, что во все время движения постоянным остается отношение силы тяги ракеты к ее массе и это отношение равно

Если бы при космических полетах к звездам и галак­тикам действовала классическая механика, то во все вре­мя движения ускорение а было бы постоянным и было бы справедливо равенство

Однако классическая механика неверна, теория относительности дает следующую форму для мгновенного ускорения:

где υ -скорость космической ракеты в данный момент, а с -скорость света. При очень малых значениях скоро­сти υ в сравнении со скоростью света формулы (60) и (61) практически дают одно и то же, но когда υ/с не очень мало, формула (60) уже неверна.

Если бы движение происходило по законам класси­ческой механики, ускорение было бы постоянным и рав­ным b. Тогда скорость υ и пройденный путь S через вре­мя t после начала движения определялись бы известными из школьного курса физики формулами

Но, как мы видим, согласно формуле (58) по мере роста скорости ускорение будет уменьшаться. Вследствие это­го формулы для скорости и пройденного пути в момент t, даваемые релятивистской механикой, т. е. механикой, основанной на теории относительности, другие и имеют следующий вид:

В классической механике предполагалось, что ско­рость тела может становиться сколь угодно большой. Это следует и из формулы (62), в которой по мере увеличе­ния времени tможет неограниченно возрастать и ско­рость υ. Одной из важнейших основ релятивистской ме­ханики является закон невозможности в природе скоро­cти, большей скорости света. Если в формуле (64) неогра­ниченно увеличивать время t, то скорость υ станет расти неограничено: она будет приближаться к скорости света, но никогда не превзойдет ее.

Самым поразительным выводом теории относительно­сти является утверждение, что ход времени в двух дви­жущихся одна относительно другой системах различен. Именно, если в начальный момент, когда космическая ракета покоилась на поверхности Земли, ход времени для ее пассажиров и ход времени для жителей Земли был одинаков, то после того как ракета станет двигаться, ход времени в ней замедлится. Малому промежутку времени t 2 - t 1 на Земле будет соответствовать малый промежуток времени в ракете τ 2 - τ 1 равный

Формула (63) ведет к удивительным выводам. Если космонавты, покинув Землю, будут совершать полеты на больших скоростях, а затем возвратятся на Землю, то окажется, что от разлуки и до встречи времени у них прошло существенно меньше, чем у жителей Земли. Один из близнецов, путешествовавший в космосе, после возвращения окажется моложе близнеца, остававшегося на Земле. Более того, отец, оставивший на Земле малолет­него сына и совершивший космическое путешествие на больших скоростях, может после возвращения на Землю, оставаясь сам еще сравнительно молодым человеком, за­стать сына дряхлым стариком.

В 1895 г. Г. Уэллс написал роман «Машина времени». Из всех фантастических романов писателя этот роман казался самым фантастическим. Однако, как мы видим, путешествие во времени все-таки оказывается возмож­ным. Машиной времени должна служить космическая ракета, развивающая большие скорости в пространстве. Но путешествовать во времени можно только в направле­нии будущего. Путешественник во времени Уэллса мог достичь страны будущего, где жили «элои» и «морлоки», но он не смог бы после этого возвратиться назад, как и не смог бы посетить страну прошлого.

Если движение происходит с постоянным, как мы приняли отношением b силы тяги ракеты к ее массе, то из соотношения (66) можно получить связь между вре­менем t,прошедшим на Земле, и временем τ, прошедшим у космонавтов,

где Агsh есть особая функция, обратная так называемо­му гиперболическому синусу. Таблицы этой функции приводятся во многих математических справочниках. Ка­ким бы не было t по формуле (67) τ получается всегда меньше t причем чем больше t тем существеннее раз­личие между τ и t. Этот эффект иногда называют реля­тивистским расширением времени.

Различие хода времени в движущихся одна относительно другой системах не только предсказано теорией относительности, но и подтверждено в наши дни экспериментами. Например, доказано, что у мюонов (так называются быстро распадающиеся элементарные частицы с массой, равной 207 массам электрона, и единичным положительным или отрицательным зарядом), движущихся медленно, среднее время, протекающее до распада, равно 2,22 10-6 с, а у мюонов космических лучей, движущихся с очень большой скоростью, время распада больше, в
точном соответствии с формулой (67).

В таблице для различных расстояний вычислено вре­мя, необходимое для прохождения их ракетой, у кото­рой отношение силы тяги к массе все время постоянно и равно 20 м/с 2 . Во втором столбце приведено время, которое давала бы классическая механика по формуле (63). На самом деле движение ракеты не будет происхо­дить по законам классической механики, так как дости­гаемые скорости очень большие. По формуле (62) они к тому же получаются во много раз больше скорости света, и мы приводим этот столбец только для того, чтобы по­казать, насколько ошибочны результаты, классической механики в подобных случаях. В третьем столбце вычис­лено время, которое пройдет на Земле до момента дости­жения ракетой указанного расстояния. При b = 20 м/с 2 ракета уже на расстоянии 1/2 пс разовьет скорость, очень близкую к скорости света, и потому на расстояниях во много парсек время, требуемое для полета ракеты, прак­тически равно времени нужному для прохождения света, следовательно, начиная с пятой строки данные в третьем столбце численно равны количеству световых лет в указанном расстоянии.

Но иной промежуток времени будет проходить у пас­сажиров ракеты. Особенно разительно различие для боль­ших расстояний. Так как на больших расстояниях ракета успеет развить скорость очень близкую к скорости света, релятивистское расширение времени будет особен­но велико.

Пользуясь данными таблицы, представим себе путе­шествие к ближайшей нашему Солнцу звезде - а Цен­тавра. На самом деле это тройная звезда. Главный компонент - звезда спектрального класса G4 с абсолютной величиной + 4 m ,7 - двойник нашего Солнца: почти те же спектр, цвет, светимость, масса. Второй компонент имеет спектральный класс К1 (оранжевая звезда), а аб­солютную звездную величину 6 m ,1, светимость ее вдвое меньше, чем у Солнца. Третий компонент носит назва­ние Проксима, т. е. «ближайшая» Центавра. Он чуть ближе к нам, чем два других компонента этой тройной системы, и из наблюдаемых пока звезд является самым близким соседом Солнца. Светимость его очень мала: в 10000 раз меньше, чем у Солнца (М= 15 m ,7). Спектраль­ный класс - М, значит, это красная звездочка, красный карлик.

Эта тройная система, состоящая из желтой, оранже­вой и красной звезд, находится на расстоянии 1,32 пс. Во время путешествия к ней нужно сначала полпути, т. е. 0,66 пс, двигаться с ускорением. На это расстояние ракета потратит, как можно подсчитать при помощи фор­мулы (65), 2,58 земных года, а при помощи формулы (67) мы узнаем, что в ракете протечет 1,13 года. Затем нужно будет, используя ту же силу тяги ракеты, двигаться с замедлением. Тогда к моменту достижения тройной звез­ды а Центавра ракета остановится.

Характер движения на второй половине пути до а Центавра будет как бы симметричным отражением дви­жения на его первой половине. В любых двух точках, одинаково удаленных от середины пути, скорость ока­жется одинаковой. Поэтому и время, затраченное на вто­рую половину пути, будет как на Земле, так и в ракете, то же самое, что и для первой половины пути.

После этого ракета двинется обратно к Земле, снова сначала ускоряя движение, а затем, после прохождения половины пути, замедляя его. К моменту возвращения на Землю у пассажиров в ракете пройдет 1,13 · 4 ≈ 4,5 го­да. Но они убедятся в том, что, на Земле к моменту их прибытия прошло уже 2,58 · 4 ≈ 10 лет.

Для посещения звезды, находящейся на расстоянии 20 пс, например а Треугольника, и возвращения обрат­но, ракете нужна пройти с попеременным ускорением и замедлением движения четыре отрезка, длиною 10 пс каждый. Согласно таблице выше к моменту возвращения у пассажиров ракеты пройдет 2,33 · 4 ≈ 9 лет. Но призем­ляясь, пассажиры ракеты не узнают страны, которую ос­тавили: так велики будут перемены. Они не застанут никого из людей, кого знали - на Земле к моменту при­бытия пройдет 32,9· 4≈ 130 лет и успеют смениться несколько поколений.

Полет к туманности Андромеды, NGC 224, находящей­ся на расстоянии 460 кпс, и возвращение будут проте­кать совсем не так, как это описано в интересной книге И. А. Ефремова «Туманность Андромеды». Путешествие займет у космонавтов около 30 лет, а возвратятся они фактически в другой мир,- на Землю, на которой от на­чала полета прошло около 30 млн. лет.

Огромная экономия времени, протекающего в раке­те, в сравнении со временем, протекающим на Земле, достигается благодаря тому, что подавляющую часть

расстояния ракета движется со скоростью, очень близ­кой к скорости света. В таком случае, как показывает формула (66), промежуток времени τ 2 - τ 1 может быть очень мал в сравнении с промежутком времени t 2 - t 1 .

Вообще таблица показывает, что если обеспечить в течение всего времени постоянное отношение силы тяги ракеты к ее массе, равное 20 м/с 2 , то человеку доступно посещение любых областей обозреваемой нами Вселенной. Даже для достижения отдаленнейших скоплений галак­тик, расположенных на расстоянии 1000 Мпс, потребует­ся только 11 лет «ракетного» времени. Разумеется, воп­рос о возвращении на Землю для таких космических странников окажется лишенным смысла. Разве лишь будет интересно узнать, что произошло с Землей и Сол­нечной системой. Разумнее будет искать годный для оби­тания мир на новых местах.

Все предыдущие расчеты выполнялись в предположе­нии, что можно обеспечить в течение всего, рассматривае­мого времени постоянное отношение силы тяги ракеты к ее массе, равное 20 м/с 2 . Посмотрим теперь, можно ли этого практически добиться? Что покажет энергетический расчет? Легко убедиться, что применяемые в наше время двигатели космических ракет, сжигающие химическое топливо, совершенно непригодны для путешествий к звездам и галактикам.

Важнейшую роль играет скорость ω, с которой обра­зующиеся при сгорании газы вылетают из сопла ракеты. Чем больше эта скорость, тем большее ускорение в противоположном направлении будет иметь ракета. Скорость вылетания газов тем больше, чем выше, температура сго­рания. Температура же ограничивается способностью ма­териала, из которого сделано сопло ракеты, противосто­ять высокой температуре, не плавиться. По-видимому, пределом в этом отношении являются 4000 К. При такой температуре сгорания от некоторых видов топлив можно получить скорость вылета ω около 4 км/с.

В астронавтике известна формула

связывающая m 0 - массу ракеты с топливом, m- мас­су ракеты после сгорания топлива, ω - скорость вылета газов из сопла и υ -скорость, которую приобретет ракета после того как сгорит топливо. Формула эта верна только в рамках классической механики, когда и скорость вылетающих газов и скорость, достигаемая ракетой, очень малы в сравнении со скоростью света. Оба эти условия в данном расчете соблюдаются.

Мы видим, что величина достигаемой ракетой скоро­сти тем больше, чем больше отношение массы ракеты с топливом к ее массе без топлива. Но как велико может быть это отношение? Предположим маловероятное, что удалось построить такую ракету, в которой 0,999999 мас­сы составляет горючее, так что вес после израсходования горючего составит только одну миллионную веса ракеты на старте. Тогда правая часть равенства (68) будет равна 13,8 и, следовательно, если скорость вылета газов равна 4 км/с, ракета сможет достичь скорости 55,2 км/с. Пока не достигнуты очень большие скорости и можно пользо­ваться классической, механикой, постоянное отношение силы тяги к массе ракеты 20 м/с 2 равно ускорению раке­ты. Скорость 55,2 км/с будет достигнута через 2760 с, когда пройденный путь окажется равным 76 000 км. После этого расстояния топливо будет исчерпано, устрой­ство ракеты перестанет действовать.

Таким образом, употребляемый в настоящее время в космонавтике способ сообщения ракете тяги при помощи сгорания химического топлива не может быть применен для полета к звездам и галактикам. Он годен только в пределах Солнечной системы.

Формула (68) показывает, что основная задача состоит в нахождении такого метода создания реактивной тяги, при котором вылетающие частицы имели бы гораздо большую скорость, чем у современных ракет. Нужно, чтобы эта скорость была сравнима со скоростью света или даже равна ей. Идея такой ракеты предложена дав­но. Роль вылетающих из ракеты в определенном направ­лении частиц должны играть частицы света - фотоны, а ракета будет двигаться в противоположном направле­нии. Источником излучения могут быть ядерные реакции и другие процессы, при которых происходит выделение электромагнитной энергии. Трудности связаны с необходимостью получить мощный поток фотонов при сравни­тельно небольшом весе устройства, чтобы употреблявшая­ся в наших расчетах величина b была достаточной. Кро­ме того, нужно оградить устройство от разрушающего действия высоких температур. Пока такой источник энергии не создан. Но он, по-видимому, будет создан.

Чтобы совершить полет до ближайшего соседа, трой­ной звезды а Центавра, и вернуться обратно, можно пред­ложить следующий план. Фотонная ракета движется с ускорением b = 20 м/с 2 , пока ее масса не станет равной половине первоначальной. При этом согласно формулам (69) и (70) будет пройдено расстояние 0,073 пс и разви­та скорость 180000 км/с. После этого двигатель выклю­чается и ракета движется по инерции. Когда в свободном движении будет пройдено около 1,17 пс и до цели останется 0,073 пс, двигатель снова включается, но уже на торможение. Ракета остановится около а Центавра, из­расходовав еще половину той массы, которая у нее име­лась при начале торможения. В той же последователь­ности должен быть проделан обратный путь. Двигатель будет включаться всего четыре раза, каждый раз расхо­дуя половину имеющейся массы, так что отношение m 0 /m к моменту прибытия на Землю должно составить 16. Расчет показывает, что от момента вылета до момен­та возвращения в ракете протечет около 9,5 лет, а на Земле 16,5 лет.

Можно, конечно, совершать подобные полеты и к бо­лее далеким звездам, увеличивая участок пути с выклю­ченным двигателем. Но тогда с увеличением расстояния будет существенно увеличиваться время, протекающее в ракете.

При полётах на расстояния свыше 5 пс чрезвычайно важно развивать, насколько возможно, высокие скорости, близкие к скорости света; тогда не только уменьшается требуемое для совершения полета время, протекающее на Земле, но, что особенно важно, в очень сильной степе­ни уменьшается время, протекающее в ракете. А чтобы развить, насколько возможно, высокие скорости, двига­тель должен быть постоянно включенным.

Из формулы (69) следует, что, доведя отношение m 0 /m до 200, можно с постоянно включенным, поставлен­ным только на ускорение двигателем достичь звезды Ка­пеллы, удаленной приблизительно на 14 пс.

Но если бы мы хотели, не включая двигателя, разго­няясь полпути и полпути замедляя полет, долететь до Капеллы, повернуть обратно и возвратиться на Землю, то пришлось бы затратить столько энергии, что отношение m 0 /m потребовалось бы довести до 10 8 , что, конечно, не­мыслимо даже для техники будущего.

Точно так же весьма мало вероятна возможность про­стого достижения (без возвращения) человеком других галактик. При путешествии с постоянно включенным двигателем, чтобы покрыть расстояние до Магеллановых Облаков, нужно, чтобы m 0 /m было равно 6 10 5 .

Рассуждения и подсчеты, проведенные в этой публикации, привели нас к следующим выводам: 1) соотношение двух факторов - длительности жизни и способности перено­сить ускорение, у человека таково, что он в принципе мог бы совершить путешествие до любых, даже самых отдаленных из наблюдаемых тел Вселенной; 2) техниче­ские, энергетические ограничения резко сужают возмож­ности человека. Даже использование в будущем фотон­ной ракеты с очень большим отношением начальной и конечной масс позволит совершать полеты с возращени­ем только до нескольких самых близких звезд. Расстоя­ния в несколько десятков парсек могут быть доступны при отношениях m 0 /m порядка нескольких сотен. Однако это могут быть лишь полеты без возвращения; 3) достижение других галактик никогда не будет доступно человеку.

Главная » Водоснабжение » Межзвёздный полёт. Космическое путешествие: Межзвёздный перелет Когда человечество полетит к звездам