Межзвездные полеты. Космос для вас вреден
«Техника-молодежи» 1991 г. №10, с.18-19
Трибуна смелых гипотез
Владимир АЦЮКОВСКИЙ,
кандидат технических наук,
г.Жуковский
Московской обл.
Возможны ли межзвездные перелеты?
Печать захлестнула волна сообщений об НЛО. Очевидцы утверждают, что видели НЛО явно техногенной природы. У них нет сомнения, что они наблюдали космические корабли инопланетных цивилизаций. Однако наше сознание отказывается принять это: для планет Солнечной системы наличие цивилизаций, кроме Земли, почти исключено, ибо на них нет условий для жизни, по крайней мере на их поверхности. Может быть, под поверхностью? Вряд ли, хотя...
А на планетах других систем жизнь, возможно, и есть, но очень уж далеко до них: ближайшие 28 звезд расположены в пределах от 4 (Ближайшая Центавра) до 13 световых лет (звезда Каптейна). Такие звезды, как Сириус А и Б, Процион А и Б, Тау-Кита, находятся внутри этого интервала. Неблизко! Если корабли будут летать туда и обратно со скоростью света, то в оба конца им потребуется от 8 до 26 лет, и это только для ближайших звезд. Не считая времени на ускорение и замедление. Вряд ли такое целесообразно, а значит, летать надо быстрее света.
Что ж, прикинем, сколько займет разгон до таких скоростей (и торможение). Ради наглядности результаты сведены в таблицу, из которой можно сразу узнать время, необходимое для достижения той или иной скорости при том или ином ускорении. Получается: если полагать допустимый срок путешествия в один конец равным одному месяцу, то лететь нужно со скоростью порядка многих десятков скоростей света, а разгоняться (и тормозиться) с ускорением многих сотен земных ускорений. М-да!.. И на все это еще где-то брать энергию! Поневоле задумаешься: осуществимы ли вообще межзвездные рейсы? Но откуда же тогда прибывают к нам НЛО? Да еще и ведут себя вызывающе: вдруг исчезают, маневрируют под прямыми углами, что-то этакое излучают... А если...
Ведь что нам, в конце концов, нужно-то? Всего лишь ответить на три вопроса:
1. Можно ли в принципе летать со скоростями, превышающими скорость света? (В школе учили, что нельзя.)
2. Можно ли сильно ускоряться, не разрушая организма? (По современным представлениям, уже 10-кратная перегрузка является предельно допустимой.)
3. Можно ли добыть энергию на разгон и торможение? (Расчет показывает - никакой термоядерной энергии на это не хватит.)
Как ни странно, на все вопросы, несмотря на скептические примечания в скобках, уже сегодня есть положительные ответы. Летать со скоростями, превышающими скорость света, нельзя только из-за запрета, наложенного А.Эйнштейном. Но с какой стати его теория относительности возведена в ранг абсолютной истины? Ведь она исходит из постулатов, то есть выдумок автора, которые сами основаны на ложных посылках. Например, в 1887 году в знаменитом опыте Майкельсона был-таки обнаружен эфирный ветер, хотя его величина и оказалась меньше ожидаемой (тогда не знали понятия пограничного слоя). Что же получается? С одной стороны, СТО - специальная теория относительности - не может существовать, если эфир есть. С другой же, ОТО - общая теория относительности, - как писал сам Эйнштейн в статьях «Об эфире» и «Эфир и теория относительности», всегда предполагает наличие эфира. Как понимать сие противоречие?
Проведенный мной критический обзор всех основных экспериментов по СТО и ОТО (см. «Логические и экспериментальные основы теории относительности. Аналитический обзор». М., МПИ, 1990, 56 с.) показал, что среди них вообще нет однозначно подтверждающих эту теорию! Вот почему она может быть сброшена со счетов, не приниматься здесь во внимание. Тем более, что еще П.Лаплас установил - скорость распространения гравитационных возмущений не менее чем в 50 млн. раз превышает скорость света, а весь опыт небесной механики, которая оперирует исключительно со статическими формулами, предполагающими бесконечно большую скорость распространения гравитации, подтверждает это. Словом, нет запрета на субсветовые скорости, ложная тревога была.
Приступим ко второму вопросу. Рассмотрим, как ускоряется космонавт? Газы ракеты давят на стенку камеры сгорания, та - на ракету, ракета - на спинку кресла, спинка кресла - на него. А тело, вся масса космонавта, пытаясь остаться в покое, деформируется и при сильных воздействиях может разрушиться. Но если бы тот же космонавт падал в поле тяжести какой-нибудь звезды, то он, хотя и ускорялся бы значительно быстрее, никакой деформации вообще бы не испытал, ибо все элементы его тела ускоряются одновременно и одинаково. То же будет, если продувать космонавта эфиром. В этом случае поток эфира - реального вязкого газа - ускорит каждый протон и космонавта в целом, без деформации тела (вспомните научно-фантастический роман А.Беляева «Ариэль»). Причем ускорение может иметь любую величину, лишь бы поток был однородным. Так что и здесь возможности есть.
И, наконец, где же взять энергию? По моим данным (см. «Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире». М., Энергоатомиздат, 1990, 280 с), эфир - реальный газ тонкой структуры, сжимаемый и вязкий. Правда, его вязкость довольно невелика, и на замедлении планет это практически не сказывается, но при больших скоростях она играет весьма заметную роль. Давление эфира огромно, более чем 2 х 10 в 29 атм (2 х 10 в 32 Н/кв. м), плотность - 8,85 х 10 в - 12 кг/куб. м (в околоземном пространстве). И как выяснилось, в нем существует природный процесс, который может поставлять нам неограниченное количество энергии в любой точке пространства порциями любой величины... Речь идет о вихрях.
Откуда обычные смерчи черпают кинетическую энергию? Она образуется самопроизвольно из потенциальной энергии атмосферы. И заметьте: если последней воспользоваться практически нельзя, то первой - можно, например, заставив смерч вращать турбину. Все знают, что смерч напоминает хобот - толще у основания. Разбор этого обстоятельства показал, что он сжимается давлением атмосферы. Внешнее по отношению к нему давление заставляет частицы газа в теле смерча двигаться по спирали в процессе сжатия. Разность сил давлений - внешнего и внутреннего (плюс центробежная сила) дает проекцию результирующей силы на траекторию движения частиц газа (рис.1) и заставляет ускоряться их в теле смерча. Оно утоньшается, а скорость движения его стенки возрастает. При этом действует закон сохранения момента количества движения mrv = const, и чем сильнее сжат смерч, тем больше скорость движения. Таким образом, над каждым смерчем трудится вся атмосфера планеты; в основе его энергии лежат плотность воздуха, равная 1 кг/куб. м, и давление, равное 1 атм (10 в 5 Н/кв. м). А в эфире плотность на 11 порядков меньше, зато давление на 29 (!) порядков выше. И в эфире тоже есть свой механизм, способный поставлять энергию. Это - ШМ, шаровая молния.
Эфиродинамическая модель ШМ единственная (!), способная объяснить в совокупности все ее особенности. И чего сегодня не хватает для получения из эфира экологически чистой энергии - так научиться создавать искусственные ШМ. Разумеется, после того, как научимся создавать условия вихреобразования в эфире. А вот этого мы не то что не умеем, но даже и не представляем, с какого боку подступиться. На редкость крепкий орешек! Обнадеживает одно: ведь природа каким-то образом ухитряется их создавать, эти ШМ! А раз так, то, возможно, когда-нибудь исхитримся и мы. И тогда отпадет необходимость во всяких там АЭС, ГЭС, ТЭС, ПЭС, ВЭС, СЭС и прочих ЭС. Имея в любом месте любое желаемое количество энергии, человечество совсем по-иному подойдет к решению экологических проблем. Конечно, при условии, что ему придется мирно уживаться на своей планете, а то, чего доброго, не только родную Землю разнесут, но и всю Солнечную систему! Видите, и с энергией вопрос может быть решен. При этом обратите внимание на немаловажную деталь - при таком способе не нужно будет ускорять и замедлять ту массу горючего, которая ныне во многом и определяет массу корабля.
Ну, а сам межзвездный корабль, как он должен быть устроен? Да хотя бы в виде уже привычной «летающей тарелки». (Рис. 2.) В ее передней части имеются два «эфирозаборника», поглощающие эфир из окружающего пространства. За ними находятся камеры вихреобразования, в которых потоки эфира закручиваются и самоуплотняются. Далее по вихрепроводам эфирные смерчи препровождаются в камеру аннигиляции, где они (с одинаковыми винтовыми движениями, но направленными противоположно; аннигилируют друг с плугом. Уплотненный эфир не сдерживается более пограничным слоем и взрывается, разлетаясь во все стороны. Назад отбрасывается реактивная струя, а вперед - поток, захватывающий весь корабль и тело космонавта, которое ускоряется без деформаций. И корабль летит опережая свет, в обычном евклидовом пространстве и в обычном времени...
А как же быть с парадоксами близнецов, увеличением массы и сокращением длин? А никак. Постулаты - они и есть постулаты - вольные выдумки, плоды свободной фантазии. И они должны быть отметены вместе с «теорией», их породившей. Ибо если человечеству настала пора решать прикладные задачи, то его не должны останавливать никакие раздутые авторитеты с их невесть откуда взявшимися умозрительными шлагбаумами.
Примечание . Упомянутые книги можно заказать по адресу: 140160, г. Жуковский Московской обл., а/я 285.
Минобороны отказало Максиму Сураеву в почетном звании без всяких объяснений
Максим Сураев честно трудился в космосе, но звезду героя ему пока почему-то не дали.
Вообще Министерство обороны всегда принимало решение о награждении только в отношении космонавтов, которые являются военнослужащими. Гражданских исследователей космоса чествует Роскосмос. Но никогда еще в истории отечественной космонавтики ни один слетавший на орбиту не оставался без звезды героя. Хотя проволочки с положительным решением из главного военного ведомства в последнее время происходят все чаще. К примеру, Роману Романенко, летавшему вместе с Сураевым в 2009 году, но приземлившемуся на несколько месяцев раньше, звезду не выдавали около четырех месяцев — раза три кормили отказами из Минобороны. Пришлось даже жаловаться Путину, после чего положительное решение о награждении военные приняли в считаные дни и приурочили его ко Дню космонавтики.
По мнению большинства коллег Сураева, летавших в космос до него и после, проблема обострилась после перевода Центра подготовки космонавтов из Минобороны в Роскосмос. “Мы словно превратились в каких-то просителей, — говорят молодые космонавты, — вроде бы в погонах, но армии не нужны, а гражданские ведомства, по установленным правилам, не вправе решать нашу судьбу”. Может быть, в руководстве Минобороны полагают, что космонавты занимаются на орбите ерундой? Тогда какой логикой руководствуются власти страны, выделяя миллионы на развитие космонавтики? Непонятно.
Кстати, по закону, решение об отказе в представлении космонавта к награде министр обороны обязан обосновывать, мол, так и так — оказался ваш парень некомпетентен, провалил все эксперименты... и т.п. Но в том-то и фокус — никаких объяснений из Минобороны не пришло вообще. Да и не может их быть. Ведь Сураев, наоборот, отличился во время полета, выполняя на “отлично” все виды космических работ, включая выход в открытый космос. А чего стоит его блог, через который он общался во время полета со всем миром, популяризируя отечественную космонавтику! Но, видимо, это не волнует военных чиновников. Центр подготовки космонавтов шлет министру через Роскосмос документы на представление Максима к награде, а тот просто присылает неподписанные документы обратно. Вот и в наградном отделе главного управления кадров Минобороны, куда “МК” обратился с официальным запросом, нам ответили коротко, лаконично: “Комментариев по этому поводу не даем”. А кто их должен давать, тоже не пояснили.
Космонавты, уже слетавшие на орбиту, пытаются не показывать своих чувств, но можно представить, как им обидно — ждать по десять лет “билет” в космос, а потом еще и звезды не получить за полет. “Если так дальше пойдет, — сказал нам в сердцах Романенко, — скоро в космос вообще никто летать не будет”.
МЕЖДУ ТЕМ
В Федеральном космическом агентстве подтвердили, что дважды направляли документы в Министерство обороны РФ для присвоения звания Героя России летчику-космонавту Максиму Викторовичу Сураеву. В настоящее время обращение по этому поводу направлено непосредственно в Администрацию Президента РФ.
Как только на город опускается тьма, мы поднимаем головы вверх и смотрим на звёзды. Они ведь есть, хоть и где-то далеко. Такие призрачные и настолько реальные одновременно. Смогут ли люди когда-то отправятся к этим сгусткам энергии или навсегда останутся прикованными к поверхности родной планеты?
Чего мы добились в покорении Вселенной?
На сегодняшний день у человека весьма сомнительные достижения в плане освоения космоса:
- Не было ни одной пилотируемой мисси к другой планете;
- Нога человека ступила только на спутник Земли и никуда более;
- На ближайшее время нет даже запланированных программ по покорению нашей звёздной системы;
- Подавляющее большинство космических стартов связано с запуском грузов на околоземную орбиту;
- В окружающем пространстве действует не более десятка исследовательских зондов, посылающих информацию на Землю.
Выходит, что где-то полвека назад человечество думало покорять Луну, но уже на том этапе ретировалось к границам собственной орбиты. Мы запустили международную станцию и периодически доставляем туда космонавтов и всё им необходимое.
Ещё о спутниках можно упомянуть - да здравствует надёжный интернет и навигация. И метеорология ещё, куда без неё. Но ведь всё это лишь игрушки - мы лишь вплотную подобрались к самому космическому пространству, но так и не решились сделать хоть ещё один шаг вперёд.
Почему сворачиваются исследовательские миссии
Как ни странно, космические программы, это очень дорогое удовольствие :
- Почти никакой финансовой отдачи космические агентства не получают;
- Большинство ракет и кораблей строятся для всего одного использования;
- Учитывая необходимый уровень качества и надёжности - производство одной ракеты обходится в десятки миллионов долларов;
- Сами путешествия в космосе - прямая угроза для жизни космонавтов, что добавляет дополнительные риски;
- Полученная теоретическая информация далеко не всегда имеет практическое применение на Земле.
Короче говоря - готовить космонавтов слишком долго и дорого, а ещё каждый из них может погибнуть в любой момент. Корабль неудачно стартовал, и вся команда сгорела в огромном огненном шаре - перспектива вполне реальная, такое уже случалось.
Да и сами корабли, вместе с ракетоносителями, не только дорого стоят, но ещё и отправляются на свалку истории уже после первого пуска. Представьте, что вы летите на частном самолёте. Каждый раз на новом, ведь после посадки воздушное судно самоуничтожается или это происходит при самой посадке, а вы вынуждены приземляться в спасательной капсуле. Долго сможете полетать, в таких условиях, когда постоянно необходимо покупать не самые дешёвые в мире самолёты?
Непреодолимый барьер
Но это всё лирика, ведь основной ограничитель заключается в другом ‒ до ближайшей звезды несколько световых лет. Чтобы было понятно - свет движется с максимальной скоростью, которая только существует во Вселенной. И даже у него уйдёт несколько лет на преодоление этого маршрута.
Сегодня лишь «Вояджер» является единственным рукотворным предметом, покинувшем пределы Солнечной системы. На это у него ушло порядка 40 лет и это лишь выход за пределы системы, на достижение другой уйдут десятки тысяч лет, при нынешних скоростях. К сожалению, человек смертен и попросту не может ждать столько времени. Цивилизации на Земле существуют примерно столько же, сколько придётся лететь .
Можно заявить, что проблема заключается лишь в текущем уровне развития. И это действительно так, но понимание пришло много десятков лет назад, и за это время не было сделано ничего для разрешения сложившейся ситуации. Да, имеются огромные межзвёздные пространства, но не существует никакого технического решения для их преодоления. И в обозримом будущем, откровенно говоря, они и не появятся.
Физики активно эксплуатируют теорию «кротовых дыр», о том, что отдалённые точки в пространстве могут соприкасаться при определённых условиях. Только на практике ни одной такой кротовой дыры мы так и не обнаружили, да и вероятность подобного «подарка» именно в нашей звёздной системе - не особо велика.
Первые шаги в вопросах колонизации
Теоретически, для достижения любой цели необходимо хоть что-то делать, а не сидеть на месте. Первыми шагами в освоении космоса может быть покорение Марса - планета вполне пригодна для существования, в условиях закрытых ферм и при наличии скафандров. Во всяком случае, до масштабного изменения климата, создания атмосферы и прочих проектов, которые на данный момент кажутся нереальными.
Для начала необходимо создать хоть какой-то форпост в космосе. Можно сказать, что уже сейчас существует станция на орбите, где постоянно обитают астронавты. Но опять-таки, это слишком близко к поверхности Земли. Речь идёт о Луне, а в идеале - о Марсе. Именно с покорения этой планеты может начаться экспансия человечества в другие миры. При условии, что колоссальные пустоты в межзвёздном пространстве будут хоть как-то преодолены.
Прогресс и романтика
Всего несколько столетий назад человек считал, что на облаках расположен рай. За такой незначительный промежуток времени представление об окружающей действительности значительно изменилось и учёные создали множество механизмов, которые наши предки даже представить себе не могли.
Возможно, это ожидает и наших потомков - удивление тем фактом, почему мы сами так поздно додумались до тех или иных технологий.
Свет звёзд: этот образ используется как в романтической литературе, так и в фантастике. Неизменно одно заявление - мы видим отражение, частицу прошлого и свет умерших миров. В этом есть доля правды, если учесть, что от далёких звёзд свет может идти десятки тысяч лет. Но разве это способно остановить стремление человечества к покорению окружающего пространства?
Фантасты дали нам образ - гигантские корабли, движущиеся в межзвёздном пространстве на протяжении десятилетий и даже столетий. Пассажиры, спящие в условиях анабиоза. Для них это путешествие происходит не только в пространстве, но и во времени. Возможно, когда-то будет реализовано нечто подобное. Но скорее всего, учитывая уровень технологий и низкую заинтересованность - космос останется непокорённым.
Мы родились слишком рано, чтобы осваивать звёзды. За будущие поколения говорить сложно, но на своем веку мы вряд ли увидим значимых открытий в этой области. Разве что, если вдруг произойдёт контакт с внеземной цивилизацией.
Видео: что будет, если все население Земли поднимется?
В данном ролике Лев Прокопьев расскажет, что может произойти, если все люди на планеты одновременно покинут Землю:
Если использовать существующие технологии, времени, чтобы отправить ученых и астронавтов в межзвездную миссию, потребуется очень и очень много. Путешествие будет мучительно долгим (даже по космическим меркам). Если мы хотим осуществить такое путешествие хотя бы за одну жизнь, ну или за поколение, нам нужны более радикальные (читай: сугубо теоретические) меры. И если червоточины и подпространственные двигатели на текущий момент являются абсолютно фантастическими, много лет существовали другие идеи, в реализацию которых мы верим.
Ядерная силовая установка
Ядерная силовая установка - это теоретически возможный «двигатель» для быстрого космического путешествия. Концепцию первоначально предложил Станислав Улам в 1946 году, польско-американский математик, принимавший участие в Манхэттенском проекте, а предварительные расчеты сделали Ф. Райнес и Улам в 1947 году. Проект «Орион» был запущен в 1958 году и просуществовал до 1963-го.
Под руководством Теда Тейлора из General Atomics и физика Фримена Дайсона из Института перспективных исследований в Принстоне, «Орион» должен был использовать силу импульсных ядерных взрывов, чтобы обеспечить огромную тягу с очень высоким удельным импульсом.
В двух словах, проект «Орион» включает крупный космический аппарат, который набирает скорость за счет поддержки термоядерных боеголовок, выбрасывая бомбы позади и ускоряясь за счет взрывной волны, которая уходит в расположенный сзади «пушер», панель для толчка. После каждого толчка сила взрыва поглощается этой панелью и преобразуется в движение вперед.
Хотя по современным меркам эту конструкцию сложно назвать элегантной, преимущество концепции в том, что она обеспечивает высокую удельную тягу - то есть извлекает максимальное количество энергии из источника топлива (в данном случае ядерных бомб) при минимальных затратах. Кроме того, эта концепция может теоретически разгонять очень высокие скорости, по некоторым оценкам, до 5% от скорости света (5,4 х 10 7 км/ч).
Конечно, у этого проекта имеются неизбежные минусы. С одной стороны, корабль такого размера будет крайне дорого строить. По оценкам, которые сделал Дайсон в 1968 году, космический аппарат «Орион» на водородных бомбах весил бы от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн. И по крайней мере три четверти этого веса будут приходиться на ядерные бомбы, каждая из которых весит примерно одну тонну.
Скромные подсчеты Дайсона показали, что общая стоимость строительства «Ориона» составила бы 367 миллиардов долларов. С поправкой на инфляцию, эта сумма выливается в 2,5 триллиона долларов, это довольно много. Даже при самых скромных оценкам, аппарат будет крайне дорогим в производстве.
Есть еще небольшая проблема радиации, которую он будет излучать, не говоря уж о ядерных отходах. Считается, что именно по этой причине проект был свернут в рамках договора о частичном запрете испытаний от 1963 года, когда мировые правительства стремились ограничить ядерные испытания и остановить чрезмерный выброс радиоактивных осадков в атмосферу планеты.
Ракеты на ядерном синтезе
Другая возможность использования ядерной энергии заключается в термоядерных реакциях для получения тяги. В рамках этой концепции, энергия должна создаваться во время воспламенения гранул смеси дейтерия и гелия-3 в реакционной камере инерционным удержанием с использованием электронных лучей (подобно тому, что делают в Национальном комплексе зажигания в Калифорнии). Такой термоядерный реактор взрывал бы 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму, которая затем перенаправлялась бы в сопло, создавая тягу.
Подобно ракете, которая полагается на ядерный реактор, эта концепция обладает преимуществами с точки зрения эффективности топлива и удельного импульса. По оценке, скорость должна достигать 10 600 км/ч, что намного превышает пределы скорости обычных ракет. Более того, эта технология активно изучалась в течение последних нескольких десятилетий, и было сделано много предложений.
Например, между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество провело исследование возможности проекта «Дедал». Опираясь на современные знания и технологии термоядерного синтеза, ученые призвали к строительству двухступенчатого беспилотного научного зонда, который смог бы добраться до звезды Барнарда (5,9 светового года от Земли) за срок человеческой жизни.
Первая ступень, крупнейшая из двух, работала бы в течение 2,05 года и разогнать аппарат до 7,1% скорости света. Затем эта ступень отбрасывается, зажигается вторая, и аппарат разгоняется до 12% скорости света за 1,8 года. Потом двигатель второй ступени отключается, и корабль летит в течение 46 лет.
По оценкам проекта «Дедал», миссии потребовалось бы 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда. Если к Проксиме Центавра, то же судно доберется за 36 лет. Но, конечно, проект включает массу нерешенных вопросов, в частности неразрешимых с использованием современных технологий - и большинство из них до сих пор не решены.
К примеру, на Земле практически нет гелия-3, а значит, его придется добывать в другом месте (вероятнее всего, на Луне). Во-вторых, реакция, которая движет аппарат, требует, чтобы испускаемая энергия значительно превышала энергию, затраченную на запуск реакции. И хотя эксперименты на Земле уже превзошли «точку безубыточности», мы еще далеки от тех объемов энергии, что смогут питать межзвездный аппарат.
В-третьих, остается вопрос стоимости такого судна. Даже по скромным стандартам беспилотного аппарата проекта «Дедал», полностью оборудованный аппарат будет весить 60 000 тонн. Чтобы вы понимали, вес брутто NASA SLS чуть выше 30 метрических тонн, и один только запуск обойдется в 5 миллиардов долларов (по оценкам 2013 года).
Короче говоря, ракету на ядерном синтезе будет не только слишком дорого строить, но и потребуется уровень термоядерного реактора, намного превышающий наши возможности. Icarus Interstellar, международная организация гражданских ученых (некоторые из которых работали в NASA или ЕКА), пытается оживить концепцию с проектом «Икар». Собранная в 2009 году группа надеется сделать движение на синтезе (и другое) возможным в обозримом будущем.
Термоядерный ПВРД
Известный также как ПВРД Буссарда, двигатель впервые предложил физик Роберт Буссард в 1960 году. По своей сути, это улучшение стандартной термоядерной ракеты, которая использует магнитные поля для сжатия водородного топлива до точки запуска синтеза. Но в случае ПВРД, огромная электромагнитная воронка всасывает водород из межзвездной среды и сливает в реактор как топливо.
По мере того как аппарат набирает скорость, реактивная масса попадает в ограничивающее магнитное поле, которое сжимает ее до начала термоядерного синтеза. Затем магнитное поле направляет энергию в сопло ракеты, ускоряя судно. Поскольку никакие топливные баки не будут его замедлять, термоядерный ПВРД может развить скорость порядка 4% световой и отправиться куда угодно в галактику.
Тем не менее у этой миссии есть масса возможных недостатков. К примеру, проблема трения. Космический аппарат полагается на высокую скорость сбора топлива, но вместе с тем будет сталкиваться с большим количеством межзвездного водорода и терять скорость - особенно в плотных регионах галактики. Во-вторых, дейтерия и трития (которые используются в реакторах на Земле) в космосе немного, а синтез обычного водорода, которого много в космосе, пока нам неподвластен.
Впрочем, научная фантастика полюбила эту концепцию. Самым известным примером является, пожалуй, франшиза «Звездный путь», где используются «коллекторы Буссарда». В реальности же наше понимание реакторов синтеза далеко не так прекрасно, как хотелось бы.
Лазерный парус
Солнечные паруса давно считаются эффективным способом покорения Солнечной системы. Помимо того, что они относительно просты и дешевы в изготовлении, у них большой плюс: им не нужно топливо. Вместо использования ракет, нуждающихся в топливе, парус использует давление радиации звезд, чтобы разгонять сверхтонкие зеркала до высоких скоростей.
Тем не менее, в случае межзвездного перелета, такой парус придется подталкивать сфокусированными лучами энергии (лазером или микроволнами), чтобы разгонять до скорости, близкой к световой. Концепцию впервые предложил Роберт Форвард в 1984 году, физик лаборатории Hughes Aircraft.
Его идея сохраняет преимущества солнечного паруса в том, что не требует топлива на борту, а также и в том, что лазерная энергия не рассеивается на расстоянии так же, как и солнечная радиация. Таким образом, хотя лазерному парусу потребуется некоторое время, чтобы разогнаться до околосветовой скорости, он впоследствии будет ограничен только скоростью самого света.
По данным исследования Роберта Фрисби в 2000 году, директора по исследованиям передовых двигательных концепций в Лаборатории реактивного движения NASA, лазерный парус разгонится до половины световой скорости меньше чем за десять лет. Он также рассчитал, что парус диаметром 320 километров мог бы добраться до Проксимы Центавра за 12 лет. Между тем, парус 965 километров в диаметре прибудет на место всего через 9 лет.
Однако строить такой парус придется из передовых композитных материалов, чтобы избежать плавления. Что будет особенно сложно, учитывая размеры паруса. Еще хуже обстоит дело с расходами. По мнению Фрисби, лазерам потребуется стабильный поток в 17 000 тераватт энергии - примерно столько весь мир потребляет за один день.
Двигатель на антиматерии
Любители научной фантастики хорошо знают, что такое антиматерия. Но если вы забыли, антиматерия - это вещество, состоящее из частиц, которые имеют такую же массу, как и обычные частицы, но противоположный заряд. Двигатель на антиматерии - это гипотетический двигатель, в основе которого лежат взаимодействия между материей и антиматерией для генерации энергии, или создания тяги.
Короче говоря, двигатель на антиматерии использует сталкивающиеся между собой частицы водорода и антиводорода. Испущенная в процессе аннигиляции энергия сравнима по объемам с энергией взрыва термоядерной бомбы в сопровождении потока субатомных частиц - пионов и мюонов. Эти частицы, которые движутся со скоростью одной третьей от скорости света, перенаправляются в магнитное сопло и вырабатывают тягу.
Преимущество такого класса ракет в том, что большую часть массы смеси материи/антиматерии можно преобразовать в энергию, что обеспечивает высокую плотность энергии и удельный импульс, превосходящий любую другую ракету. Более того, реакция аннигиляции может разогнать ракету до половины скорости света.
Такой класс ракет будет самым быстрым и самым энергоэффективным из возможных (или невозможных, но предлагаемых). Если обычные химические ракеты требуют тонны топлива, чтобы продвигать космический корабль к месту назначения, двигатель на антиматерии будет делать ту же работу за счет нескольких миллиграмов топлива. Взаимное уничтожение полукилограмма частиц водорода и антиводорода высвобождает больше энергии, чем 10-мегатонная водородная бомба.
Именно по этой причине Институт перспективных концепций NASA исследует эту технологию как возможную для будущих миссий на Марс. К сожалению, если рассматривать миссии к ближайшим звездным системам, сумма необходимого топлива растет в геометрической прогрессии, и расходы становятся астрономическими (и это не каламбур).
Согласно отчету, подготовленному к 39-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference и Exhibit, двухступенчатая ракета на антивеществе потребует больше 815 000 метрических тонн топлива, чтобы добраться до Проксимы Центавра за 40 лет. Это относительно быстро. Но цена…
Хотя один грамм антивещества производит невероятное количество энергии, производство одного только грамма потребует 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и выльется в триллион долларов. В настоящее время общее количество антивещества, которое было создано людьми, составляет меньше 20 нанограммов.
И даже если бы мы могли задешево производить антиматерию, нам потребовался бы массивный корабль, который смог бы удерживать необходимое количество топлива. Согласно докладу доктора Даррела Смита и Джонатана Вебби из Авиационного университета Эмбри-Риддл в штате Аризона, межзвездный корабль с двигателем на антивеществе мог бы набрать скорость в 0,5 световой и достичь Проксимы Центавра чуть больше чем за 8 лет. Тем не менее сам корабль весил бы 400 тонн и потребовал бы 170 тонн топлива из антивещества.
Возможный способ обойти это - создать судно, которое будет создавать антивещество с последующим его использованием в качестве топлива. Эта концепция, известная как Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), была предложена Ричардом Обаузи из Icarus Interstellar. Опираясь на идею переработки на месте, корабль VARIES должен использовать крупные лазеры (запитанные огромными солнечными батареями), создающие частицы антивещества при выстреле в пустой космос.
Подобно концепции с термоядерным ПВРД, это предложение решает проблему перевозки топлива за счет его добычи прямо из космоса. Но опять же, стоимость такого корабля будет чрезвычайно высокой, если строить его нашими современными методами. Мы просто не в силах создавать антивещество в огромных масштабах. А еще нужно решить проблему с радиацией, поскольку аннигиляция материи и антиматерии производит вспышки высокоэнергетических гамма-лучей.
Они не только представляют опасность для экипажа, но и для двигателя, чтобы те не развалились на субатомные частицы под воздействием всей этой радиации. Короче говоря, двигатель на антивеществе совершенно непрактичен с учетом наших современных технологий.
Варп-двигатель Алькубьерре
Любители научной фантастики, без сомнения, знакомы с концепцией варп-двигателя (или двигателя Алькубьерре). Предложенная мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, эта идея была попыткой вообразить мгновенное перемещение в пространстве без нарушения специальной теории относительности Эйнштейна. Если коротко, эта концепция включает растяжение ткани пространства-времени в волну, которая теоретически приведет к тому, что пространство перед объектом будет сжиматься, а позади - расширяться.
Объект внутри этой волны (наш корабль) сможет ехать на этой волне, будучи в «варп-пузыре», со скоростью намного превышающей релятивистскую. Поскольку корабль не движется в самом пузыре, а переносится им, законы относительности и пространства-времени нарушаться не будут. По сути, этот метод не включает движение быстрее скорости света в локальном смысле.
«Быстрее света» он только в том смысле, что корабль может достичь пункта назначения быстрее луча света, путешествующий за пределами варп-пузыря. Если предположить, что космический аппарат будет оснащен системой Алькубьерре, он доберется до Проксимы Центавра меньше чем за 4 года. Поэтому, если говорить о теоретическом межзвездном космическом путешествии, это, безусловно, наиболее перспективная технология в плане скорости.
Разумеется, вся эта концепция чрезвычайно спорная. Среди аргументов против, например, то, что она не принимает во внимание квантовую механику и может быть опровергнута теорией всего (вроде петлевой квантовой гравитации). Расчеты необходимого объема энергии также показали, что варп-двигатель будет непомерно прожорлив. Другие неопределенности включают безопасность такой системы, эффекты пространства-времени в пункте назначения и нарушения причинности.
Тем не менее в 2012 году ученый NASA Гарольд Уайт заявил, что вместе с коллегами начал исследовать возможность создания двигателя Алькубьерре. Уайт заявил, что они построили интерферометр, который будет улавливать пространственные искажения, произведенные расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.
В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля, которые проводились в условиях вакуума. К сожалению, результаты сочли «неубедительными». В долгосрочной перспективе мы можем выяснить, что метрика Алькубьерре нарушает один или несколько фундаментальных законов природы. И даже если его физика окажется верной, нет никаких гарантий, что систему Алькубьерре можно использовать для полетов.
В общем, все как обычно: вы родились слишком рано для путешествия к ближайшей звезде. Тем не менее, если человечество почувствует необходимость построить «межзвездный ковчег», который будет вмещать самоподдерживающееся человеческое общество, добраться до Проксимы Центавра удастся лет за сто. Если мы, конечно, захотим инвестировать в такое мероприятие.
Что касается времени, все доступные методы кажутся крайне ограниченными. И если потратить сотни тысяч лет на путешествие к ближайшей звезде может нас мало интересовать, когда наше собственное выживание стоит на кону, по мере развития космических технологий, методы будут оставаться чрезвычайно непрактичным. К моменту, когда наш ковчег доберется до ближайшей звезды, его технологии станут устаревшими, а самого человечества может уже не существовать.
Так что если мы не осуществим крупный прорыв в сфере синтеза, антиматерии или лазерных технологий, мы будем довольствоваться изучением нашей собственной Солнечной системы.
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
