Пилотируемый полет к другим звездам возможен. Межзвездные путешествия гораздо реальнее чем вы думаете. В каких условиях лететь
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.
Ученые говорят о том, что человечество маленькими шажками продвигается к будущему, в котором полеты из одной планетной системы в другую наконец-то станут реальностью. По последним оценкам специалистов такое будущее может наступить в течение одного или двух веков, если научный прогресс не будет топтаться на месте. В свое время только при помощи сверхмощного телескопа «Кеплер» астрономы смогли обнаружить 54 потенциально обитаемых экзопланеты. Все эти далекие от нас миры располагаются в так называемой обитаемой зоне, на определенном удалении от центральной звезды, что позволяет поддерживать на планете воду в жидком состоянии.
При этом получить ответ на самый главный вопрос – одиноки ли мы во Вселенной –достаточно трудно. Из-за очень больших расстояний, которые разделяют Солнечную систему и наших ближайших соседей. К примеру, одна из «перспективных» планет Gliese 581g располагается на удалении в 20 световых лет, что довольно близко по меркам космоса, но пока что очень далеко для обычных земных технологий. Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от нашей родной планеты и очень большой научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для всего человечества, заставляют совершенно по-новому смотреть на доселе фантастическую идею совершения межзвездных перелетов.
Главной задачей, которая сегодня стоит перед космологами и инженерами является создание принципиально нового двигателя, который позволил бы землянам преодолевать огромные космические расстояния за сравнительно небольшое время. При этом о совершении межгалактических перелетов речь пока, безусловно, не ведется. Для начала человечество могло бы исследовать нашу родную галактику – Млечный путь.
Млечный путь состоит из большого количества звезд, вокруг которых вращаются планеты. Ближайшая к Солнцу звезда носит название Альфа Центавра. Эта звезда удалена от Земли на 4,3 световых года или 40 триллионов километров. Если предположить, что ракета с обыкновенным двигателем вылетит с нашей планеты сегодня, то она сможет преодолеть это расстояние только через 40 тысяч лет! Конечно же, такая космическая миссия выглядит полным абсурдом. Марк Миллис, бывший глава проекта NASA по созданию новейших технологий в области создания двигателей и основатель фонда Tau Zero, считает, что человечеству необходимо долго и методично идти к созданию нового типа двигателя. В наши дни существует уже огромное количество теорий насчет того, каким будет этот двигатель, но какая из теорий сработает, мы не знаем. Потому Миллис считает бессмысленным делать акцент только на одной какой-то технологии.
Сегодня ученые пришли к заключению, что космические корабли будущего смогут летать при помощи использования термоядерного двигателя, солнечного паруса, двигателя на антиматерии или двигателя искривления пространства-времени (или варп-двигателя, который хорошо известен поклонникам сериала Star Trek). Последний двигатель в теории должен сделать возможными полеты быстрее скорости света, а значит, и небольшие путешествия во времени.
При этом все перечисленные технологии только лишь описаны, как их реализовать на практике пока что не знает никто. По этой же причине нет ясности, какая же именно технология подает больше всего надежд на реализацию. Правда некоторое количество солнечных парусов уже успело слетать в космос, но для осуществления пилотируемой миссии межзвездных перелетов потребуется огромный парус размерами с Архангельскую область. Принцип работы солнечного паруса практически не отличается от ветряного, только вместо потоков воздуха он ловит сверхсфокусированные лучи света, испускаемые мощной лазерной установкой, вращающейся вокруг Земли.
Марк Миллис в пресс-релизе своего фонда Tau Zero говорит о том, что правда находится где-то посередине между уже почти привычными нам солнечными парусами и совсем фантастическими разработками, вроде варп-двигателя. «Необходимо проводить научные открытия и медленно, но верно двигаться к намеченной цели. Чем больше людей мы сможем заинтересовать, тем большие объемы финансирования привлечем, именно финансирования в настоящее время катастрофически не хватает», – говорит Миллис. Марк Миллис полагает, что финансирование для больших проектов нужно собирать по крупицам, не рассчитывая, что кто-то неожиданно вложит целое состояние в реализацию амбициозных планов ученых.
Сегодня по всему миру найдется масса энтузиастов, которые верят и уверены в том, что будущее нужно строить уже сейчас. Ричард Обузи, являющийся президентом и сооснователем компании Icarus Interstellar, отмечает: «Межзвёздные перелеты – это международная инициатива многих поколений людей, которая требует огромных интеллектуальных и финансовых затрат. Уже в наши дни мы должны инициировать необходимые программы, для того чтобы через сотню лет человечество смогло вырваться за пределы нашей Солнечной системы».
В августе текущего года компания Icarus Interstellar собирается провести научную конференцию Starship Congress, на которой ведущие мировые эксперты в данной области обсудят не только возможности, но и последствия межзвездных полетов. Организаторы отмечают, что на конференции будет организована и практическая часть, на которой будут рассмотрены как краткосрочные, так и долгосрочные перспективы освоения человеком дальнего космоса.
Стоит отметить, что подобные космические путешествия требуют затрат колоссального количества энергии, о которых человечество в наши дни даже не мыслит. В то же время неправильное использование энергии может нанести невосполнимый вред как Земле, так и тем планетам, на поверхность которых человек захочет высадиться. Несмотря на все нерешенные проблемы и препятствия и Обузи, и Миллис полагают, что у человеческой цивилизации есть все шансы для того, чтобы покинуть пределы своей «колыбели». Бесценные данные о экзопланетах, звездных системах и инопланетных мирах, которые были собраны космическими обсерваториями «Гершель» и «Кеплер», помогут учеными в тщательном составлении планов полетов.
На сегодняшний день открыто и подтверждено существование около 850 экзопланет, многие из которых – это суперземли, то есть планеты, обладающие массой, которая сравнима с земной. Специалисты считают, что недалек тот день, когда астрономы смогут подтвердить наличие экзопланеты, которая бы как две капли воды походила на нашу собственную. В этом случае финансирование проектов по созданию новых ракетных двигателей возросло бы в разы. Свою роль в освоении космоса должна сыграть и добыча полезных ископаемых с астероидов, что сейчас звучит уже не так необычно, как те же межзвездные полеты. Человечество должно научиться использовать ресурсы не только Земли, но и всей Солнечной системы, полагают эксперты.
К проблеме межзвездных перелетов подключились ученые и инженеры из американского космического агентства NASA, а также агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США – DARPA. Они готовы объединить свои усилия в рамках реализации проекта «100-year Starship», при этом это даже не проект, а проект проекта. «100-year Starship» – это космический корабль, который смог бы выполнять межзвездные перелеты. Задача сегодняшнего этапа исследований – это создание «суммы технологий», которые необходимы для того, чтобы межзвездные перелеты превратились в реальность. Помимо этого, создается бизнес-модель, которая позволила бы привлечь в проект инвестиции.
По словам Павла Еременко, являющегося пресс-секретарем DARPA, данному проекту будут необходимы «стабильные инвестиции в финансовый и интеллектуальный капитал» из разных источников. Также Еременко подчеркнул, что цель проекта «100-year Starship» – не только разработка и последующее строительство звездолета. «Мы прилагаем все возможные усилия, для того чтобы побудить интерес нескольких поколений к инновациям и открытиям прорывных технологий во множестве дисциплин».
Специалисты агентства DARPA надеются на то, что результаты, которые будут получены при работе над этим проектом, смогут быть использованы министерством обороны США в различных областях, таких как системы жизнеобеспечения, энергетика, вычислительная техника.
Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1100469
-http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/10/11/459501
-http://www.nkj.ru/news/18905
Ответ потребует большой статьи, хотя на него 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 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 катриджей 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 прочитали целую лекцию для всех желающих . 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 с 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 распределенного 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.
И покинули солнечную систему; теперь с их помощью изучают межзвёздное пространство . Станций, чьей прямой миссией был бы полёт до ближайших звёзд, на начало XXI века не существует.
Расстояние до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около 4,243 световых лет , то есть примерно в 268 тысяч раз больше расстояния от Земли до Солнца .
Проекты межзвездных экспедиций
Проект «Орион»
Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн
В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона . Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА . В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет» .
В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.
На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия . По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
Аннигиляционные двигатели
Основными проблемами, которые выделяются учёными и инженерами, анализировавшими конструкции аннигиляционных ракет (англ.), являются получение нужного количества антивещества, его хранение, а также фокусировка потока частиц в нужном направлении. Указывается, что современное состояние науки и техники даже теоретически не позволяет создавать подобные конструкции.
Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде
Основная составляющая массы современных ракет - это масса топлива, необходимого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно сократить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.
Корабли поколений
Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений » (например, по типу колоний О"Нейла). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера , способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.
Сверхсветовое движение
Примечания
См. также
Источники
- Колесников Ю. В. Вам строить звездолёты. М., 1990. 207 с. ISBN 5-08-000617-X.
- http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Лекция о межзвездных полетах, об ускорении на 100 км/сек возле звезд
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
||
Возможны ли межзвездные путешествия?
В бесконечных глубинах космоса, на расстоянии многих триллионов миль от нас, гораздо дальше самых удаленных планет Солнечной системы, сияют звезды. Их огромное множество: красные, желтые, оранжевые, голубые, белые. Астрономы уверены, что, по крайней мере, некоторые из этих звезд обогревают вращающиеся вокруг них планеты. Но вполне возможно, что в будущем мы станем свидетелями открытия сначала десятков, а потом и сотен подобных земле планет, может быть, даже с запасами воды или признаками жизни.
Издалека астрономы пытаются исследовать эти планеты и определить их основные свойства, но единственный способ тщательно изучить все детали - запустить космический корабль. До того, как космические станции не побывали в космосе, нам мало что было известно о планетах Солнечной системы. Некоторые полагали, что на Венере есть океаны, а на Марсе - каналы, и никто, в сущности, не знал ничего о таких далеких мирах, как Уран и Нептун.
Проблемы и перспективы
Как бы ни хотелось нам подлететь поближе к звездам и увидеть вращающиеся вокруг них планеты крупным планом, многие ученые уверены, что подобные путешествия никогда не осуществятся. Энергия и расходы, необходимые для путешествия на Альфу Центавра - ближайшую к нам звездную систему - настолько велики, что даже сторонники межзвездных перелетов вынуждены считаться с ними.
Приверженцы космических путешествий часто ссылаются на вещи, в существование которых раньше не верили, а теперь считают само собой разумеющимися.
Например, многие ученые начала двадцатого века утверждали, что аэропланы никогда не смогут перелететь через атлантический океан. С другой стороны те, кто не верит в возможность межзвездных перелетов, с не меньшим азартом напоминают о надеждах прошлого, которые не оправдались вопреки всем ожиданиям. К примеру, еще не так давно многие верили, что в 90-е годы все мы будем летать на работу на своих личных вертолетах.
Среди профессиональных астрономов есть немало таких, кто верит, правда без всяких оснований, в то, что разумная жизнь - явление весьма распространенное в Галактике. Однако до сих пор ни одна внеземная раса не удосужилась посетить Землю - факт, подвигнувший в 1950 году физика Энрико Ферми задать свой знаменитый вопрос: "Где же они?" Чтобы объяснить это явное противоречие, названное парадоксом Ферми, астрономы, допускающие существование других обитаемых миров во Вселенной, предполагают, что из-за трудности организации и высокой стоимости экспедиции ни одна цивилизация не отваживается на подобные путешествия. Следовательно, и мы - земляне - никогда не справимся с этой задачей.
На сегодняшний день людям уже удалось запустить в космос межпланетные корабли и изучить с их помощью все планеты Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, и только Плутон остался за темной полосой неизвестности.
В некотором смысле первыми межзвездными кораблями человечества стали четыре автоматические станции - "Пионер-10", "Пионер-11", "Вояджер-1" и "Вояджер-2"; именно они покидают сейчас Солнечную систему с высокой скоростью, направляясь к звездам. "Пионер" может пройти за год расстояние в 2.3 раза большее, чем расстояние между Землей и Солнцем, а более стремительные "Вояджеры" - в 3.4 раза. Но звезды так далеко, что даже "Вояджеру" потребовалось бы 80000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, находящейся на расстоянии 4.3 светового года от Земли. Но, в случае удачи, до этого не дойдет: космические корабли будущих столетий, наверняка, догонят и перегонят современных "тихоходов", вернут их на родную планету в качестве экспонатов в музей освоения космоса.
Далекая цель
Самые большие проблемы, с которыми столкнутся звездные путешественники - огромные расстояния до звезд. Астрономы так часто переводят расстояния в световые года, что нередко забывают, насколько в действительности велик световой год. Луч света настолько быстр, что за одну секунду может 7.5 раз обернуться вокруг Земли. Таким образом, расстояние, пройденное за год, будет поистине велико. Представьте, что Галактика сжалась так, что Земля и Солнце оказались всего в дюйме (2.5 см) друг от друга. Тогда Юпитер расположился бы на расстоянии пяти дюймов от Солнца, а далекий Нептун - всего лишь в 30 дюймах. И даже в этом масштабе световой год остался бы равным целой миле (1.6 км), а Альфа Центавра удалилась бы на 4.3 мили от Земли. А если бы Галактика Млечный Путь, такая огромная и необъятная, сжалась до размеров десятицентовой монеты, то вся обозримая Вселенная, от Земли до самых далеких известных нам квазаров, стала бы не больше двух миль шириной.
"Вояджеры" движутся в пространстве со скоростью всего лишь 0.005% световой, но чтобы отправить настоящий космический корабль на Альфу Центавра и добраться до места назначения хотя бы лет за пятьдесят, до тех пор, пока еще будут живы ученые, организовавшие экспедицию, необходимо ускорить этот корабль, по крайней мере, до 10% скорости света. Для сравнения: если выйти за пределы Солнечной системы "лишь" с 1% скорости света, то потребуется 430 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, а за такой длительный срок уровень техники может подняться настолько, что станет возможным строительство более скоростных космических кораблей. Представим, что Христофор Колумб - долгожитель, и ему потребовалось бы 500 лет, чтобы переплыть Атлантический океан. Его то и дело обгоняли бы более совершенные корабли, а быстрые аэропланы успевали бы проделать путь от Европы до Америки задолго до того, как он сам достиг заветных берегов. А когда бы он, наконец, добрался туда, Новый Свет, абсолютно новый для него, Колумба, был бы уже довольно "старым" для любого другого.
Однако достичь высокой скорости, близкой к скорости света очень сложно, поскольку для этого требуется много энергии и денег. Например, кораблю весом в одну тонну потребовалось бы столько энергии, сколько крупная индустриальная держава потребляет в течение месяца. Правда по солнечным масштабам это совсем немного: одно только Солнце каждую секунду излучает в космос в миллион раз больше энергии. Таким образом, энергия есть, людям остается только научиться использовать ее.
Другое препятствие, на которое указывают критики, - стоимость экспедиции. Подобное путешествие может обойтись больше, чем в триллион долларов. Однако то, что невообразимо дорого сегодня, может стать дешевым спустя столетия. В конце концов, американские колонисты в 1776 году не отважились бы организовать полет на Луну, как из-за отсутствия техники, так и необходимости в астрономических суммах, а их потомки меньше, чем через два века, успешно высадили человека на Луну. А если уж мы справились с этим используя технику шестидесятых, то почему бы нашим последователям не запустить человека на орбиту вокруг Альфы Центавра?
Бесспорно, первыми межзвездными путешественниками станут машины, а не люди. Человек добрался только до Луны, тогда как автоматические космические станции побывали уже за Нептуном.
Машинам в отличие от людей не нужны воздух, вода, пища и минимальные удобства. К тому же компьютеры и приборы будущих десятилетий станут компактнее, легче и мощнее, что позволит уменьшить вес космического корабля.
Теория Эйнштейна
Если бы мы отправились к звездам, то неминуемо столкнулись бы с трудностями, предсказанными специальной теорией относительности Эйнштейна, в которой рассматриваются эффекты тел, движущихся со скоростью близкой к скорости света. Скорость света является наиболее известным релятивистским барьером; именно из-за предельного характера этой скорости землянам придется ждать, по крайней мере, 4.3 года, пока корабль не достигнет Альфы Центавра, а потом еще 4.3 года, пока корабль с информацией не вернется на Землю.
Специальная теория относительности описывает также влияние скорости на массу и время. С увеличением скорости космического корабля увеличивается и его масса, а это плохо, поскольку ускорять его становится все труднее и труднее. Однако для любого пассажира на борту корабля время течет намного медленнее, что хорошо, потому что дает возможность путешествовать на большие расстояния. Эти два релятивистских эффекта, затрагивающие массу и время, малы при низких скоростях и сильно возрастают, когда скорость корабля приближается к скорости света. При скорости равной скорости света масса тела становится бесконечной, вот почему ни одно материальное тело не может двигаться так быстро.
Уровень влияния релятивистских эффектов ученые выражают коэффициентом Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Лоренца. Коэффициент Лоренца зависит от скорости: он равен единице при нулевой скорости, возрастает при увеличении последней и становится бесконечным при скорости света. При 20% скорости света коэффициент Лоренца равен только 1.02, отсюда следует, что космический корабль, двигающийся с такой скоростью, лишь на 2% тяжелее, чем он был в состоянии покоя, а время замедляется настолько, что для экипажа пройдет только 1 час, в то время как на Земле пройдет 1.02 часа. При 50% скорости света коэффициент Лоренца достигнет 1.15, что все равно очень мало: масса корабля при такой скорости всего на 15% больше, чем в покое, а один час времени на борту равен 1.15 часа на Земле. И только при скорости свыше 80% скорости света коэффициент Лоренца начинает быстро расти. При 87% скорости света он достигает 2.00, таким образом, масса увеличивается вдвое, а время замедляется относительно земного в два раза.
Жизнь на скоростной трассе
Настоящей проблемой для сторонников межзвездных путешествий является не специальная теория относительности, а то, как достичь скоростей, при которых такие путешествия станут возможными. Даже 10% скорости света - 30 тыс. км в секунду - намного превышает скорости наиболее быстрых из запущенных ранее космических кораблей.
В принципе, самое лучшее ракетное горючее - это антивещество - противоположность обычного вещества. Ядро атома нормального вещества заряжено положительно, а вращающиеся вокруг электроны - отрицательно. В антивеществе наоборот: ядро - отрицательно, а вращающиеся частицы, позитроны, - положительно. Встречаясь, вещество и антивещество взаимно уничтожают друг друга (аннигилируют), преобразуя всю массу в энергию. Выходит, что вещество и антивещество - мощное топливо, т.к. даже в маленьком количестве массы m содержится энергия Е, равная mc2. Скорость света настолько велика, что при ее умножении на саму себя (возведении в квадрат) количество энергии, даже при маленькой массе вещества или антивещества, будет огромным. Если поздороваться за руку с двойником, состоящим из антивещества, то полученной энергией можно будет снабжать целую страну в течение нескольких месяцев или послать небольшой космический корабль на Альфу Центавра.
К сожалению, антивещество не существует на Земле в естественном виде и астрономам неизвестны его источники в Солнечной системе. Антивещество может возникнуть в результате ядерных реакций, но только в очень маленьких количествах, поэтому для того, чтобы выработать даже относительно небольшое количество антивещества, необходимого для двигателя космического корабля, потребуются колоссальные расходы. На сегодняшний день антивещество, даже если бы ученые нашли способ добывать его, стоило бы триллионы долларов за унцию.
Но любая ракета, даже работающая на смеси вещества и антивещества, столкнется со своеобразной ловушкой: чтобы ускорить космический корабль, необходимо увеличить и мощность двигателя. Чем больше горючего заправлено, тем выше масса. Чтобы получить больше энергии, нужно еще больше топлива, но тогда увеличится вес ракеты и так до бесконечности... Поэтому ученые разрабатывают проекты, которые позволят ускорять космические корабли без ракет. В 1960 году Роберт Бассард предложил добывать горючее из самого космоса. В открытом космосе имеются атомы водорода. Если бы корабль мог собрать их и поместить в ядерный реактор, то полученной энергии хватило бы, чтобы пополнить запасы горючего. К сожалению, в межзвездном пространстве на один кубический сантиметр приходится в среднем только один атом водорода, поэтому кораблю пришлось бы собирать эти атомы на расстоянии радиусом свыше сотни или даже тысячи миль.
Другой проект без использования ракет заключается в том, чтобы собрать корабль в виде парусника, приводимого в движение давлением света. Такое давление может создавать, например, лазерная установка, находящаяся где-нибудь в космосе. Поскольку давление света - маленькое, лазеры должны быть мощными, а их лучи - очень узконаправленными. Если бы на борту такого корабля оказались люди, то они не могли бы контролировать свой полет. Вместо этого они оказались бы во власти лазерных станций, находящихся на расстоянии многих световых лет от них.
Быстрее света
Хотя подобные идеи кажутся трудно выполнимыми или, как утверждают критики, вообще неосуществимыми, по крайней мере, некоторыми из них заинтересовались известные физики. В то же время молодыми начинающими физиками выдвигаются еще более умозрительные проекты. Например, предполагают, что можно сократить путь в космосе, передвигаясь через особые пространственные туннели (так называемые "червячные норы"). Тогда космическому кораблю не понадобится преодолевать расстояние в 4.3 светового года, чтобы долететь от Солнца до Альфы Центавра. Это как если бы мы проложили туннель от США до Китая сквозь Землю, вместо того, чтобы проделывать более длинный путь по земной поверхности.
Также, в качестве фантастической гипотезы, рассматривается возможность двигаться быстрее света. Технически, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, это не исключено. При скорости света коэффициент Лоренца - бесконечен, но при превышении этой скорости он становится, как говорят математики, мнимым (как, например, корень квадратный из отрицательного числа) и, по мере увеличения скорости корабля, уменьшается. Как преодолеть этот скоростной барьер, когда коэффициент Лоренца становится бесконечным, неизвестно, а если это все-таки произойдет, то вернуться обратно к скорости, меньшей скорости света, может оказаться и вовсе невозможным. Частицы, превышающие скорость света, называются тахионами, но никто никогда их не видел, что наводит на мысль, что их не существует в природе. Возможно, существует параллельная Вселенная, в которой все движется быстрее света, а ее обитатели стремятся к более "медленной" жизни. Тогда, может быть, мы смогли бы заключить с ними "сделку".
Но до тех пор, пока нам ничего неизвестно о такой Вселенной, ученые вынуждены покорять ту, которую они знают. В качестве первого шага по направлению к реальным межзвездным путешествиям ученые наметили запуск механических летательных аппаратов, которые будут продвигаться достаточно быстро и далеко, чтобы проверить некоторые концепции о звездных полетах, не долетая даже до ближайших звезд. Предложенный для этого космический аппарат называется TAU (Thousand Astronomical Units, тысяча астрономических единиц); он должен будет провести научные исследования на расстоянии в тысячу астрономических единиц от Солнца, что в 25 раз больше среднего расстояния до Плутона. Кораблю потребуется около века, чтобы преодолеть такое расстояние, что составит только 1% всего расстояния до Альфы Центавра. И тем не менее, TAU можно по праву считать пионером среди скоростных кораблей.
Однако сомнений на счет межзвездных путешествий очень много, так много, что, быть может, критики и правы, утверждая, что ни одной цивилизации не по силам подобные экспедиции. Таким образом объясняется факт, почему мы ничего не знаем о тех разумных видах, которые, возможно, населяют нашу Галактику. Но было бы безрассудно преуменьшать возможности той цивилизации, которая будет населять Землю в будущем, не говоря уже о неземных цивилизациях, развитие которых, возможно, на миллионы или даже миллиарды лет впереди нас. Кроме того, если будет открыт точный двойник Земли у какой-нибудь близлежащей звезды, а это может произойти уже лет через двадцать, соблазн исследовать этот мир непосредственно с космического корабля будет непреодолимым.
Возможно, подобная экспедиция будет осуществлена в течение XXI или XXII века. Если так, то те, кто верит, что разумная жизнь - распространенное явление в космосе, вынуждены будут объяснить, почему же тогда ни одна из тех цивилизаций не сделала то же самое и не отправила экспедицию в одну из наиболее многообещающих планетных систем Галактики - нашу.
Кен Кросвелл - астроном из Калифорнийского университета в Беркли (США), автор книги "В поисках планет", из которой и была адаптирована эта статья.
