Межзвездный полет. Ученые поделились перспективами межзвездных перелетов. Особые растения для космической жизни

25.10.2019

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

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.

Выражение - «Слетать на Луну», у большинства из нас вызывает ассоциации на грани фантастики, сравнимые разве что с проектами наподобие Аполлон-11 (Apollo 11) по доставке человека на поверхность Луны. Проект Breakthrough Starshot Initiative (Прорыв к Звездам) уносит нас гораздо дальше пределов Луны, так как его целью является путешествие к ближайшим солнечным системам.

Межзвездные путешествия:

Детище Юрия Мильнера: миллиардера, техно-новатора, урожденца России, проект Breakthrough Starshot был анонсирован на пресс-конференции в апреле 2016 года с участием таких известных учёных как Стивен Хокинг (Stephen Hawking) и Фримен Дайсон (Freeman Dyson). Суть технологии заключается в следующем, - тысячи пластино-образных чипов, прикрепленных к большому световому парусу из серебра, разместят на орбите Земли. Затем этот парус будет, в буквальном смысле, вытолкнут в глубокий космос пучком лазерных лучей направленных с земли.

Уже через две минуты направленного действия лазеров, космический парус достигнет 1/5 скорости света, – это в 1000 раз быстрее скоростей когда-либо развитых макроскопическими объектами.

В течении двадцатилетнего полёта корабль будет собирать данные о межзвездном пространстве. По достижении созвездия Альфа Центавра бортовая камера сделает ряд высокоточных снимков и отправит их на Землю. Это даст нам возможность заглянуть к ближайшим планетарным соседям и понять насколько они могут быть пригодны для колонизации.

Команда проекта Breakthrough Starshot впечатляет не меньше самой идеи. В число совета директоров вошли Мильнер, Хокинг и Марк Цукерберг. Исполнительным директором назначен бывший руководитель Исследователького Центра Амес НАСА (NASA Ames Research Center) - Пит Ворден (S. Pete Worden). Среди остальных участников имеются Нобелевские лауреаты и другие советники проекта Breakthrough. Мильнер обещает вложить свои собственные 100 миллионов долларов для старта проекта и в течении ближайших лет собрать ещё 10 миллиардов с помощью своих коллег.

На первый взгляд это может показаться научной фантастикой, хотя по-факту нет никаких научных препятствий для реализации данного проекта. Это не значит что всё случится завтра. Для успешного Прорыва к Звёздам необходимо совершить ряд научных открытий . Участники и консультанты проекта рассчитывают на экспоненциальный рост технологий который позволит воплотить Breakthrough Starshot в течении следующих 20-ти лет.

Обнаружение экзопланет

К экзопланетам относят все планеты за пределами нашей солнечной системы. В то время как первые открытия датируются 1988 годом, по состоянию на 1 мая 2017 года было обнаружено 3,608 экзопланет в 2,702 солнечных системах. Некоторые из планет очень подобны нашим, другие имеют ряд уникальностей вроде колец в 200 раз шире чем у нашего Сатурна.

Причиной такого взрыва находок является мощный рывок в усовершенствовании телескопических технологий.

Всего лишь 100 лет назад самым большим телескопом в мире был Телескоп Хукера (Hooker Telescope) с линзой диаметром 2,5 метра. Сегодня, Европейская Южная Обсерватория (European Southern Observatory) имеет комплекс из четырех телескопов, диаметр каждого 8,2 метра. Она считается самой масштабной наземной структурой по изучению астрономии, в среднем публикующей по одному отрецензированному научному документу в день.

Ученые так же используют ОБТ () и специальный инструментарий для поиска скалистых планет в «жилых» (допускающих жидкую воду) зонах других солнечных систем. В мае 2016 года при помощи ТРАПИСТа (TRAPPIST – Малый Телескоп для Наблюдения за Транзитными Планетами и Планетезималями) исследователи в Чили обнаружили семь экзопланет размером с Землю, находящихся в пригодной для обитания зоне.

Тем временем, космический аппарат Кеплер (NASA Kepler), созданный специально для этих целей, уже идентифицировал более 2000 экзопланет. Космический телескоп имени Джеймса Вебба (JWST – James Webb Space Telescope) который планируют запустить в октябре 2018 года, откроет доселе невиданные возможности для проверки экзопланет на наличие жизни. «Если у этих планет есть атмосфера, телескоп Вебба станет ключом к раскрытию их секретов», – говорит Дуг Хадгинс (Doug Hudgins), ученый программы НАСА по изучению экзопланет в штаб-квартире в Вашингтоне.

Стоимость запуска

Материнский корабль Starshot будет поднят с земли ракетой носителем и затем выпустит тысячу маленьких пластинок в космос. Стоимость выведения полезного груза одноразовыми ракетами слишком велика, но такие компании как SpaceX и Blue Origin подают реальные надежды на использование многоразовых ракет которые позволят значительно сократить стоимость запуска. SpaceX уже смогла снизить затраты при запуске Falcon 9 на 60 миллионов долларов. С увеличением доли частных космических компаний на мировом рынке запуск многоразовых ракет станет более доступным и дешёвым.

Звёздная пластинка

Каждая 15-ти миллиметровая пластинка должна будет вместить множество сложных электронных приборов, таких как навигатор, камеру, лазер для связи, радиоизотопную батарею, мультиплексовую камеру и камеру для интерфейса. Возможность комплектации целого космического корабля на крохотную пластину, объясняется экспоненциальным уменьшением размеров датчиков и чипов.

В 1960-х годах первые компьютерные чипы состояли из целой горсти транзисторов. Сегодня, благодаря закону Мура, мы можем вмещать миллиарды транзисторов на один чип. Первая цифровая камера весила 8 фунтов и снимала 0,01 мегапикселя. Теперь цифровые камеры, делают высококачественные 12-мегапиксельные цветные изображения, помещаются в смартфон с кучей других датчиков, таких как GPS, акселерометр и гироскоп. С появлением более мелких спутников, обеспечивающих лучшие данные мы наблюдаем как все эти усовершенствования применяются в освоении космоса.

Для успеха Starshot нам понадобится чтобы масса чипа составляла около 0,22 грамма к 2030 году. Если темпы совершенствования продолжатся, прогнозы предполагают, что это вполне возможно.

Световой парус

Парус должен быть изготовлен из материала, с высокой отражательной способностью (чтобы получить максимальное ускорение от лазера), минимально поглощающий (чтобы он не горел от тепла), а также очень легкий по весу (позволяющий быстрое ускорение). Это чрезвычайно сложное сочетание и в настоящее время подходящего материала ещё не найдено.

Применение автоматизации искусственного интеллекта позволит ускорить открытие подобных материалов. Суть автоматизации заключается в том что машина сможет генерировать библиотеку из десяток тысяч материалов для тестирования. Это существенно облегчит инженерам задачу отбора лучших вариантов для исследований и разработок.

Аккумулятор

Хоть Starchip и будет использовать крошечную ядерную радиоизотопную батарею для 24-летнего путешествия, нам все равно понадобятся обычные химические батареи для лазеров. Лазеры будут расходовать огромную энергию за короткий промежуток времени, а это значит, что мощность должна храниться максимально близко.

Емкость батарей растёт в среднем на 5-8% в год; мы часто этого не замечаем, потому что потребление энергии гаджетами растёт пропорционально, оставляя в целом срок службы прежним. Если динамика улучшения батарей сохраниться, через 20 лет они должны иметь прирост в 3-5 раз от их нынешней емкости. Эти ожидания полагаются на инновации Tesla-Solar City (Город Тесла-Солар) от инвестиций в аккумуляторные технологии . Компании в Кауаи уже установили около 55 000 батарей для питания значительной части своей инфраструктуры.

Лазеры

Тысячи мощнейших лазеров будут использоваться для разгона паруса до световых скоростей.

Лазерные технологии подчинялись закону Мура с такой же скоростью как и интегральные схемы, снижая соотношение затрат к мощностям в два раза каждые 18 месяцев. В особенности, в последнее десятилетие произошел резкий скачок масштабирования мощности диодных и волоконных лазеров, первые смогли выжать 10 киловатт из одномодового волокна в 2010 году и 100-киловатт месяцами позже. Наряду с обычной мощностью, нам также нужно совершенствовать технологии объединения фазированных матричных лазеров.

Скорость

Наша способность двигаться быстро, двигалась быстро… В 1804 году был изобретен первый паровоз, развив невиданную на то время скорость в 110 км/ч. Космический корабль «Гелиос 2» побил этот рекорд в 1976 году, удаляясь от Земли со скоростью 356 040 км/ч. Спустя 40 лет, космический аппарат Новые Горизонты (New Horizons) достиг гелиоцентрической скорости почти 45 км/с или 160 000 км/ч. Но даже с этими скоростями, понадобится очень много времени чтобы добраться до Альфы Центавра, находящейся на расстоянии более чем четырех световых лет.

В то время как разгон субатомных частиц до скорости света является привычным делом для ускорителей частиц, никогда ранее это не достигалось макроскопическими объектами. Достижение всего 20% скорости света для Starshot, означало бы 1000-кратный прирост скорости для объекта когда-либо построенного человеком.

Хранение данных

Основой для вычислительной техники является способность хранить информацию. Starshot полагается на продолжение снижения стоимости и размеров цифровой памяти, чтобы обеспечить достаточный объём для хранения своих программ и изображений, отснятых в системе Альфы Центавра и ее планет.

Стоимость памяти снижалась экспоненциально в течение десятилетий: в 1970 году мегабайт стоил около миллиона долларов; Сейчас около 0.1 цента. Размер хранилищ также уменьшился: от 5-мегабайтного жесткого диска, загружаемого вилочным погрузчиком в 1956 году, до ныне доступных 512-гигабайтных USB-накопителей весом в несколько граммов.

Связь

Как только будут получены первые изображения, Starchip отправит их на Землю для обработки.

С тех пор как Александр Белл (Alexander Graham Bell) изобрел телефон в 1876 году телекоммуникации шагнули далеко вперед. Средняя скорость интернета в США на сегодняшний день составляет около 11 мегабит в секунду. Ширина канала и скорость, необходимые Starshot для отправки цифровых изображений на расстоянии четырёх световых лет (или 20 триллионов миль), потребуют использования новейших разработок в сфере коммуникаций.

Одной из перспективных технологий является Li-Fi, беспроводная связь в 100 раз быстрее Wi-Fi . Второй - оптические волокна, которые теперь позволяют пропускать 1.125 терабит в секунду. Помимо этих есть наработки в области квантовых коммуникаций, которые не только сверхбыстры, но и абсолютно безопасны.

Обработка данных

Последним шагом в проекте Starshot является анализ данных, полученных с космического корабля. Ставка делается на экспоненциальное увеличение вычислительных мощностей с приростом в триллион раз в последующие 60 лет.

Стремительное удешевление этого момента в значительной степени связывают с развитием облачных вычислений. Заглядывая в будущее, квантовые методы обработки информации обещают тысячекратный прирост мощностей к моменту получения первых данных от Starshot. Такие продвинутые процессоры дадут возможность выполнять сложные научные моделирования и анализ ближайших звездных систем.

Подписывайся на новости космического туризма и узнай все о том, как полететь в космос уже сейчас! Илон Маск одобряет.

В одной только нашей Галактике расстояния между звездными системами невообразимо огромны. Если пришельцы из космоса действительно посещают Землю, уровень их технического развития должен во сто крат превосходить теперешний уровень нашего, земного.

На расстоянии в несколько световых лет

Для обозначения расстояний между звездами астрономы ввели понятие «световой год». Скорость света - самая быстрая во Вселенной: 300 ООО км/с!

Ширина нашей Галактики - 100 ООО световых лет. Чтобы покрыть такое громадное расстояние, пришельцам с других планет надо построить космический корабль, скорость которого равна или даже превышает скорость света.

Ученые полагают, что материальный объект не может двигаться быстрее скорости света. Впрочем, раньше они считали, что невозможно развить и сверхзвуковую скорость, однако в 1947 г. самолет модели «Белл Х-1» успешно преодолел звуковой барьер.

Возможно в будущем, когда у человечества накопится больше знаний о физических законах Вселенной, земляне сумеют построить космический корабль, который будет передвигаться со скоростью света и даже быстрее.

Великие путешествия

Даже если инопланетяне способны передвигаться в космическом пространстве со скоростью света, подобное путешествие должно занять многие годы. Для землян, продолжительность жизни которых составляет в среднем 80 лет, это было бы невозможно. Однако у каждого вида живых существ свой собственный жизненный цикл. Например, в Калифорнии, США, есть остистые сосны, которым уже 5000 лет.

Кто знает, сколько лет живут пришельцы? Может быть, несколько тысяч? Тогда межзвездные перелеты, длящиеся сотни лет, для них обычны.

Кратчайшие пути

Вполне вероятно, что инопланетяне нашли короткие пути через космическое пространство - гравитационные «дыры», или искажения пространства, образованные силой тяжести. Такие места во Вселенной могли бы стать своего рода мостами - кратчайшими путями между небесными телами, находящимися в разных концах Вселенной.

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.