Пилотируемый полет к другим звездам возможен. Межзвездные перелеты: несбыточная мечта или реальная перспектива? И даже быстрее
Все, что называют «варп-двигателем», отсылает нас скорее к «Звездному пути», чем к NASA. Идея варп-двигателя Алькубьерре в том, что он может быть возможным решением (или хотя бы началом его поиска) задачи преодоления ограничений вселенной, которые она накладывает на путешествия быстрее скорости света.
Основы этой идеи довольно просты, и NASA использует пример беговой дорожки для ее объяснения. Хотя человек может двигаться с конечной скоростью на беговой дорожке, совместная скорость человека и дорожки означает, что конец будет ближе, чем мог быть в случае движения по обычной дорожке. Беговая дорожка - это как раз , движущийся по пространству-времени в своего рода пузыре расширения. Перед варп-двигателем пространство-время сжимается. Позади него расширяется. В теории это позволяет двигателю перемещать пассажиров быстрее скорости света. Один из ключевых принципов, связанный с расширением пространства-времени, как полагают, позволил Вселенной быстро расшириться мгновения спустя после Большого Взрыва. В теории идея должна быть вполне осуществимой.
Ужасно, когда на Земле нет Интернета и вы не можете подгрузить Google Maps на своем смартфоне. Во время межзвездных перелетов без него будет еще хуже. Выйти в космос - это только первый шаг, ученые уже сейчас начинают задумываться, что делать, когда нашим пилотируемым и беспилотным зондам потребуется передавать сообщения обратно на Землю.
В 2008 году NASA провело первые успешные испытания межзвездной версии Интернета. Проект был запущен еще в 1998 году в рамках партнерства между Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) и Google. Спустя десять лет у партнеров появилась система Disruption-Tolerant Networking (DTN), которая позволяет отправлять изображения на космический аппарат за 30 миллионов километров.
Технология должна быть в состоянии справляться с большими задержками и перебоями в передачах, поэтому может продолжать передачу, даже если сигнал прерывается на 20 минут. Он может проходить сквозь, между или через все, от солнечных вспышек и солнечных бурь до надоедливых планет, которые могут оказаться на пути передачи данных, без потери информации.
Как говорит Винт Серф, один из основателей нашего земного Интернета и пионер межзвездного, система DTN преодолевает все проблемы, которыми болеет традиционный протокол TCIP/IP, когда ему нужно работать с большими расстояниями, в космических масштабах. С TCIP/IP поиск в Google на Марсе займет так много времени, что результаты изменятся, пока запрос будет обрабатываться, а на выходе информация будет частично утрачена. С DTN инженеры добавили что-то совершенно новенькое - возможность назначать различные доменные имена различным планетам и выбирать, на какой планете вы хотите осуществить поиск в Интернете.
Что насчет путешествия к планетам, с которыми мы пока не знакомы? Scientific American предполагает, что может быть способ, хотя и очень дорогой и трудоемкий, провести интернет к Альфе Центавра. Запустив серию самовоспроизводящихся зондов фон Неймана, можно создать длинную серию ретрансляционных станций, которые могут отправлять информацию по межзвездной цепи. Сигнал, рожденный в нашей системе, пройдет по зондам и достигнет Альфы Центавра, и наоборот. Правда, потребуется много зондов, на строительство и запуск которых уйдут миллиарды. Да и вообще, учитывая то, что самому дальнему зонду придется преодолевать свой путь тысячи лет, можно предположить, что за это время изменятся не только технологии, но и общая стоимость мероприятия. Не будем спешить.
Эмбриональная колонизация космоса
Одна из крупнейших проблем межзвездных путешествий - и колонизации в целом - заключается в количестве времени, которое необходимо, чтобы куда-нибудь добраться, даже имея в рукаве какие-нибудь варп-двигатели. Сама задача доставить группу поселенцев в пункт назначения порождает массу проблем, поэтому рождаются предложения отправить не группу колонистов с полностью укомплектованным экипажем, а скорее корабль, набитый эмбрионами - семенами будущего человечества. Как только корабль достигает нужного расстояния до пункта назначения, замороженные эмбрионы начинают расти. Потом из них выходят дети, которые растут на корабле, и когда они наконец достигают пункта назначения, у них имеются все способности зачать новую цивилизацию.
Очевидно, все это, в свою очередь, поднимает огромный ворох вопросов, вроде того, кто и как будет осуществлять взращивание эмбрионов. Роботы могли бы воспитать людей, но какими будут люди, которых вырастили роботы? Смогут ли роботы понять, что нужно ребенку, чтобы расти и процветать? Смогут ли понять наказания и поощрения, человеческие эмоции? Да и вообще, еще предстоит выяснить, как сохранять замороженные эмбрионы в целости сотни лет и как выращивать их в искусственной среде.
Одним из предложенных решений, которое может решить проблемы робота-няньки, может стать создание комбинации из корабля с эмбрионами и корабля с анабиозом, в котором спять взрослые, готовые проснуться, когда им придется растить детей. Череда лет воспитания детей вместе с возвращением к состоянию спячки может, в теории, привести к стабильной популяции. Тщательно созданная партия эмбрионов может обеспечить генетическое разнообразие, которое позволит поддерживать популяцию в более-менее устойчивом состоянии после установления колонии. В корабль с эмбрионами можно включить также дополнительную партию, которая позволит в дальнейшем еще больше разнообразить генетический фонд.
Зонды фон Неймана
Все, что мы строим и отправляем в космос, неизбежно сталкивается с собственными проблемами, и сделать что-то, что проедет миллионы километров и не сгорит, не развалится и не угаснет, кажется совершенно невозможной задачей. Впрочем, решение этой задачи, возможно, было найдено десятки лет назад. В 1940-х годах физик Джон фон Нейман предложил механическую технологию, которая будет воспроизводиться, и хотя к межзвездным путешествиям его идея не имела никакого отношения, все неизбежно к этому пришло. В результате зонды фон Неймана можно было бы использовать, в теории, для исследования огромных межзвездных территорий. По мнению некоторых исследователей, идея о том, что все это пришло нам в голову первым, не только помпезна, но и маловероятна.
Ученые из Университета Эдинбурга опубликовали работу в International Journal of Astrobiology, в которой исследовали не только возможность создания такой технологии для собственных нужд, но и вероятность того, что кто-то уже это сделал. Основываясь на предыдущих расчетах, которые показывали, насколько далеко может забраться аппарат, используя разные способы передвижения, ученые изучили, как это уравнение изменится, если его применить к самовоспроизводящимся аппаратам и зондам.
Расчеты ученых строились вокруг самовоспроизводящихся зондов, которые могли бы использовать мусор и другие материалы космоса для строительства младших зондов. Родительские и дочерние зонды умножались бы так быстро, что покрыли бы всю галактику всего за 10 миллионов лет - и это при условии, если бы они двигались на 10% скорости света. Впрочем, это означало бы, что в определенный момент нас должны были посещать какие-нибудь подобные зонды. Поскольку мы их не видели, можно подобрать удобное объяснение: либо мы недостаточно технологически развиты, чтобы знать, где искать, либо .
Рогатка с черной дырой
Идея использования гравитации планеты или луны для выстрела, как из рогатки, бралась на вооружение в нашей Солнечной системе не раз и не два, прежде всего «Вояджером-2», который получил дополнительный толчок сначала от Сатурна, а потом от Урана на пути из системы. Идея предполагает маневрирование корабля, которое позволит ему увеличить (или уменьшить) скорость по мере движения через гравитационное поле планеты. Особенно эту идею любят писатели-фантасты.
Писатель Кип Торн выдвинул идею: такой маневр может помочь аппарату решить одну из крупнейших проблем межзвездных путешествий - потребление топлива. И предложил более рискованный маневр: разгон с помощью бинарных черных дыр. Минутное сжигание топлива понадобится, чтобы пройти критическую орбиту от одной черной дыры к другой. Проделав несколько оборотов вокруг черных дыр, аппарат наберет скорость, близкую к световой. Останется только хорошо прицелиться и активировать ракетную тягу, чтобы проложить себе курс к звездам.
Маловероятно? Да. Удивительно? Определенно. Торн подчеркивает, что есть множество проблем у такой идеи, например, точные расчеты траекторий и времени, которые не позволят отправить аппарат прямо в ближайшую планету, звезду или другое тело. Также возникают вопросы о возвращении домой, но если уж вы решитесь на такой маневр, возвращаться вы точно не планируете.
Прецедент для такой идеи уже образовался. В 2000 году астрономы обнаружили 13 сверхновых, летящих по галактике с невероятной скоростью в 9 миллионов километров в час. Ученые Университета Иллинойса в Урбана-Шампань выяснили, что эти своенравные звезды были выброшены из галактики парой черных дыр, которые оказались замкнуты в пару в процессе разрушения и слияния двух отдельных галактик.
Starseed Launcher
Когда дело доходит до запуска даже самовоспроизводящихся зондов, возникает проблема потребления топлива. Это не останавливает людей от поиска новых идей того, как запускать зонды на межзвездные расстояния. Этот процесс потребовал бы мегатонны энергии, используй мы технологии, которые у нас имеются сегодня.
Форрест Бишоп из Института атомной инженерии заявил, что создал метод запуска межзвездных зондов, который потребует количества энергии, примерно эквивалентной энергии автомобильной батареи. Теоретический Starseed Launcher будет примерно 1000 километров в длину и состоять в основном из проволоки и проводов. Несмотря на свою длину, вся эта штуковина могла бы уместиться в одном грузовом судне и зарядиться от 10-вольтовой батарейки.
Часть плана включает запуск зондов, которые немногим больше микрограмма по массе и содержат лишь основную информацию, необходимую для дальнейшего строительства зондов в космосе. За ряд запусков можно запустить миллиарды таких зондов. Основная суть плана в том, что самовоспроизводящиеся зонды смогут объединиться друг с другом после запуска. Сам пусковой механизм будет оборудован сверхпроводящими катушками магнитной левитации, создающими обратную силу, обеспечивающую тягу. Бишоп говорит, что некоторые детали плана требуют проработки, вроде противодействия зондами межзвездной радиации и мусора, но в целом можно начинать строить.
Особые растения для космической жизни
Как только мы куда-нибудь соберемся, нам понадобятся способы выращивания еды и регенерации кислорода. Физик Фримен Дайсон предложил несколько интересных идей на тему того, как это можно было бы осуществить.
В 1972 году Дайсон читал свою знаменитую лекцию в лондонском колледже Биркбек. Тогда же он предположил, что с помощью некоторых генетических манипуляций можно было бы создать деревья, которые смогут не только расти, но и процветать на неприветливой поверхности, кометы, к примеру. Перепрограммируйте дерево отражать ультрафиолетовый свет и эффективнее сохранять воду, и дерево не только пустит корни и будет расти, но и достигнет немыслимых по земным меркам размеров. В одном из интервью Дайсон предположил, что в будущем, возможно, появятся черные деревья, как в космосе, так и на Земле. Деревья на основе кремния были бы более эффективны, а эффективность - это ключ к продолжительному существованию. Дайсон подчеркивает, что этот процесс будет не минутным - возможно, лет через двести мы наконец выясним, как заставить деревья расти в космосе.
Идея Дайсона не так уж и нелепа. Институт передовых концепций NASA - это целый отдел, задача которого решать проблемы будущего, и среди них задача выращивать стабильные растения на поверхности Марса. Даже тепличные растения на Марсе будут расти в чрезвычайных условиях, и ученые перебирают разные варианты, пытаясь совместить растения с экстремофилами, крошечными микроскопическими организмами, которые выживают в самых жестоких условиях на Земле. От высокогорных томатов, которые обладают встроенным сопротивлением к ультрафиолетовому свету, к бактериям, которые выживают в самых холодных, горячих и глубоких уголках земного шара, мы, возможно, однажды соберем по частям марсианский сад. Осталось только выяснить, как собрать все эти кирпичики вместе.
Локальная утилизация ресурсов
Жизнь в отрыве от земли может быть новомодной тенденцией на Земле, но когда дело доходит до месячных миссий в космосе, это становится необходимым. В настоящее время NASA занимается, помимо остального, изучением вопроса локальной утилизации ресурсов (ISRU). На космическом судне не так много места, и создание систем для использования материалов, обнаруженных в космосе и на других планетах, будет необходимо для любой долгосрочной колонизации или поездок, особенно когда пунктом назначения станет место, куда будет весьма непросто доставить груз снабжения, топливо, еду и прочее. Первые попытки демонстрации возможностей использования локальных ресурсов были предприняты на склонах гавайских вулканов и в ходе полярных миссий. В список задач входят такие пункты, как добыча топливных компонентов из пепла и другой доступной в природе местности.
В августе 2014 года NASA сделало мощное заявление, показав новые игрушки, которые отправятся на Марс со следующим марсоходом, запуск которого состоится в 2020 году. Среди инструментов в арсенале нового марсохода есть MOXIE, эксперимент по локальной утилизации ресурсов в виде марсианского кислорода. MOXIE будет забирать непригодную для дыхания атмосферу Марса (на 96% состоящую из диоксида углерода) и разделять ее на кислород и моноксид углерода. Аппарат сможет производить 22 грамма кислорода за каждый час работы. NASA также надеется, что MOXIE будет в силах продемонстрировать кое-что еще - постоянную работу без снижения продуктивности или эффективности. MOXIE может не только стать важным шагом в направлении долгосрочных внеземных миссий, но и проложить путь множеству потенциальных преобразователей вредных газов в полезные.
2suit
Воспроизводство в космосе может стать проблемным на самых разных уровнях, особенно в условиях микрогравитации. В 2009 году японские эксперименты на эмбрионах мышей показали, что даже если оплодотворение происходит в условиях ненулевой гравитации, эмбрионы, которые развиваются за пределами привычного притяжения Земли (или его эквивалента), не развиваются нормально. Когда клетки должны делиться и выполнять специальные действия, возникают проблемы. Это не значит, что оплодотворение не происходит: эмбрионы мышей, зачатые в космосе и внедренные в земных самок мышей, успешно выросли и были рождены без проблем.
Это также поднимает другой вопрос: как именно производство детей работает в условиях микрогравитации? Законы физики, особенно тот факт, что у каждого действия есть равное противодействие, делают его механику немного нелепой. Ванна Бонта, писатель, актриса и изобретатель, решила серьезно заняться этим вопросом.
И создала 2suit: костюм, в котором два человека могут укрыться и заняться производством детишек. Его даже проверили. В 2008 году 2suit был опробовал на так называемой Vomit Comet (самолете, который совершает крутые виражи и создает минутные условия невесомости). Хотя Бонта предполагает, что медовые месяцы в космосе могут стать реальными благодаря ее изобретению, у костюма есть и более практичные применения, вроде сохранения тепла тела в чрезвычайной ситуации.
Проект Longshot
Проект Longshot был составлен группой Военно-морской академии США и NASA в рамках совместной работы в конце 1980-х. Конечная цель плана заключалась в запуске кое-чего на рубеже 21 века, а именно беспилотного зонда, который отправится к Альфе Центавра. Ему потребовалось бы 100 лет, чтобы достичь своей цели. Но прежде чем он будет запущен, ему потребуются некоторые ключевые компоненты, которые тоже предстоит разработать.
Помимо коммуникационных лазеров, долговечных реакторов ядерного деления и ракетного двигателя на инерционном лазерном синтезе, были и другие элементы. Зонд должен был получить независимое мышление и функции, поскольку было бы практически невозможно поддерживать связь на межзвездных расстояниях достаточно быстро, чтобы информация оставалась релевантной по достижении пункта приема. Также все должно было быть невероятно прочным, поскольку зонд достигнет пункта назначения через 100 лет.
Longshot собирались отправить к Альфе Центавра с разными задачами. В основном он должен был собрать астрономические данные, которые позволили бы точно рассчитать расстояния до миллиардов, если не триллионов, других звезд. Но если ядерный реактор, питающий аппарат, иссякнет, миссия тоже остановится. Longshot был весьма амбициозным планом, который так и не сдвинулся с мертвой точки.
Но это не значит, что идея умерла в зародыше. В 2013 году проект Longshot II буквально оторвался от земли в виде студенческого проекта Icarus Interstellar. С момента появления оригинальной программы Longshot прошли десятилетия технологических достижений, их можно применить к новой версии, и программа в целом получила капитальный ремонт. Были пересмотрены затраты на топливо, срок миссии был урезан вдвое и весь дизайн Longshot был пересмотрен от головы до пят.
Окончательный проект станет интересным показателем того, как нерешаемая проблема меняется с добавлением новых технологий и информации. Законы физики остаются прежними, но 25 лет спустя у Longshot появилась возможность обрести второе дыхание и показать нам, каким должно быть межзвездное путешествие будущего.
По материалам listverse.com
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
В процессе верстки исправлены регистры чисел и опечатки в формулах. Приведены в читаемый вид таблицы.
Люди уже давно мечтают о полетах через космическое пространство к другим звездам, о путешествиях по другим мирам и встречах с неземным разумом. Фантасты исписали горы бумаги, пытаясь представить, как это будет происходить, они выдумали разнообразную технику, способную осуществить эти мечты. Но пока это только фантазии. Попробуем представить, как такой полет может выглядеть в реальности. Из сказанного следует, что отклонить налетающие частицы межзвездной среды не получится, и звездолету придется принимать их своим корпусом. Это приводит к некоторым требованиям к конструкции звездолета: впереди него должен находиться экран (например, в виде конической крышки), который будет защищать основной корпус от воздействия космических частиц и излучений. А за экраном должен находиться радиатор, отводящий тепло от экрана (и одновременно служащий вторичным экраном), прикрепленный к основному корпусу звездолета термоизолирующими балками. Необходимость такой конструкции объясняется тем, что налетающие атомы имеют большую кинетическую энергию, они будут глубоко внедряться в экран и, тормозясь в нем, рассеивать эту энергию в виде теплоты. Например, при скорости полета 0,75
с энергия протона водорода будет примерно 500
Мэв - в единицах ядерной физики, что соответствует 8·10 -11
Дж. Он будет внедряться в экран на глубину нескольких миллиметров и передаст эту энергию колебаниям атомов экрана. А таких частиц будет налетать около 2·10 10
атомов и столько же молекул водорода в секунду на 1
см 2 ,то есть каждую секунду на 1
см 2 поверхности экрана будет поступать 4.8
Дж энергии, переходящей в теплоту. А проблема в том, что в космосе отводить эту теплоту можно только путем излучения электромагнитных волн в окружающее пространство (воздуха и воды там нет). Это значит, что экран будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое электромагнитное излучение не сравняется с поступающей от налетающих частиц мощностью. Тепловое излучение телом электромагнитной энергии определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергия, излучаемая за секунду с 1
см 2 поверхности равна q=sТ 4
где s
=5.67·10 -12
Дж/см 2 К 4 -постоянная Стефана, а Т
- температура поверхности тела. Условием установления равновесия будет sТ 4 =Q
где Q
- поступающая мощность, то есть температура экрана будет Т=(Q/s) 1/4
. Подставляя в эту формулу соответствующие значения, найдем, что экран будет нагреваться до температуры 959
о К = 686
о С. Понятно, что при больших скоростях эта температура будет еще выше. Это значит, например, что экран нельзя делать из алюминия (его температура плавления всего 660
о С), и его нужно термоизолировать от основного корпуса звездолета - иначе будут недопустимо греться жилые отсеки. А для облегчения теплового режима экрана к нему необходимо присоединить радиатор с большой поверхностью излучения (можно из алюминия), например в виде клеточной системы продольных и поперечных ребер, при этом поперечные ребра будут одновременно выполнять функцию вторичных экранов, защищая жилые отсеки от осколков и тормозного излучения попадающих в экран частиц и т.п. Но защита от атомов и молекул - не главная проблема межзвездного полета. Астрономы, наблюдая поглощение света от звезд, установили, что в межзвездном пространстве имеется значительное количество пыли. Такие частицы, сильно рассеивающие и поглощающие свет, имеют размеры 0.1-1
микрон и массу порядка 10 -13
г, а их концентрация много меньше концентрации атомов и равна примерно r
=10 -12
1/см 3 Судя по их плотности (1
г/см 3) и показателю преломления (n
=1.3
) они представляют собой в основном снежные комочки, состоящие из смерзшихся космических газов (водорода, воды, метана, аммиака) с примесью твердых углеродных и металлических частичек. Видимо, именно из них образуются ядра комет, имеющие такой же состав. И хотя это должны быть довольно рыхлые образования, при околосветовых скоростях они могут нанести большой вред. Как видно, энергия тела резко растет с приближением v к скорости света c: Так, при скорости 0.7
с пылинка с m=10 -13
г имеет кинетическую энергию 3.59
Дж (см. Таблицу 1) и попадание ее в экран эквивалентно взрыву в нем примерно 1
мг тротила. При скорости 0.99
с эта пылинка будет иметь энергию 54.7
Дж, что сравнимо с энергией пули, выпущенной из пистолета Макарова (80
Дж). При таких скоростях получится, что каждый квадратный сантиметр поверхности экрана непрерывно обстреливается пулями (причем разрывными) с частотой 12
выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Таблица 1 Энергетические соотношения
Обозначения: Е р
- кинетическая энергия протона в Мэв К
- кинетическая энергия 1 Кг вещества в Дж Т
- тротиловый эквивалент килограмма в тоннах тротила. Для оценки последствий удара частицы в поверхность можно использовать формулу, предложенную специалистом по этим вопросам Ф.Уипплом (,стр.134), согласно которой размеры образовавшегося кратера равны где d
- плотность вещества экрана, Q
- его удельная теплота плавления. Но здесь то нужно иметь в виду, что на самом деле мы не знаем, как пылинки будут воздействовать на материал экрана при таких скоростях. Эта формула справедлива для небольших скоростей удара (порядка 50
км/с и менее), а при оклосветовых скоростях воздействия физические процессы удара и взрыва должны протекать совсем иначе и гораздо интенсивнее. Можно только предполагать, что в силу релятивистских эффектов и большой инерции материала пылинки взрыв будет направлен вглубь экрана, по типу кумулятивного взрыва, и приведет к образованию гораздо более глубокого кратера. Приведенная формула отражает общие энергетические соотношения, и мы допустим, что она годится для оценки результатов удара и для околосветовых скоростей. d
=0.00126·Е
1/3
метров При v
=0.1
c получим Е
=0.045
Дж и d
=0,00126·0.356=0.000448
м=0.45
мм. Легко найти, что пройдя путь в 1
световой год, экран звездолета встретит n=rs
=10 -12 ·9.46·10 17 =10 6
пылинок на каждый см 2 ,и каждые 500
пылинок сроют слой 0.448
мм экрана. Значит, после 1
светового года пути экран будет стерт на толщину 90
см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5
метров и массу около 2.25
тысячи тонн. При больших скоростях дело будет обстоять еще хуже: Таблица 2 Толщина Х
титана, стираемого за 1
световой год пути Как видно, при v/c
>0.1
экран должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн). Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны. Рассмотренное абразивное действие космической пыли на самом деле не исчерпывает всего спектра воздействий, которым подвергнется звездолет во время межзвездного полета. Очевидно, что в межзвездном пространстве есть не только пылинки, но и тела других размеров и масс, однако астрономы не могут непосредственно наблюдать их из-за того, что хотя их размеры больше, но самих их меньше, так что они не дают ощутимого вклада в поглощение света звезд (рассмотренные ранее пылинки имеют размер порядка длины волны видимого света и поэтому сильно его поглощают и рассеивают, и их достаточно много, поэтому астрономы в основном их и наблюдают). Ф(М
)=Ф(1)/M
1.1
Наиболее достоверные результаты по этому вопросу получены по измерениям микрократеров, образовавшихся на поверхностях космических аппаратов (,стр.195), они тоже дают k
=1.1
в интервале масс от 10 -6
до 10 5
г. Для меньших масс остается предполагать, что это распределение выполняется и для них. Для величины потока частиц массивнее 1
г различные измерения дают значения 10 -15
1) 2·10 -14 1/м 2 с, и поскольку величина потока связана с пространственной плотностью тел соотношением Ф=rv
, то отсюда можно найти, что концентрация в космосе тел с массой более М
дается формулой r(М
)=r 1 /М
1.1
где параметр r 1
можно найти приняв среднюю скорость спорадических метеорных частиц равной v
=15
км/с (как это видно из измерений П.Миллмана), тогда r 1 =Ф(1)/v
получается равной в среднем 5·10 -25
1/см 3. Библиография
1. Новиков И.Д. Теория относительности и межзвездные перелеты - М.:Знание,1960
Иван Александрович Корзников
Реальности межзвездных полетов
Расстояния между звездами так велики, что свет от одной звезды до другой распространяется годами, а он движется с очень большой скоростью с
=299 793 458
м/с. Для измерения этих расстояний астрономы используют специальную единицу - световой год, она равна расстоянию которое проходит свет за 1
год: 1
св. год = 9.46·10 15
метров (это примерно в 600
раз больше размеров солнечной системы). Астрономы подсчитали, что в сфере радиусом 21.2
световых лет вкруг Солнца имеется 100
звёзд, входящих в 72
звездные системы (двойные, тройные и т.д. системы близких звезд). Отсюда легко найти, что на одну звездную систему в среднем приходится объем пространства 539
кубических световых лет, а среднее расстояние между звездными системами составляет примерно 8.13
световых лет. Реальное расстояние может быть и меньше - так, до ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра 4.35
св. л, но в любом случае межзвездный перелет представляет собой преодоление расстояния по крайней мере в несколько световых лет. А это значит, что скорость звездолета должна быть не меньше, чем 0.1
с - тогда перелет займет несколько десятков лет и может быть осуществлен одним поколением астронавтов.
Таким образом, скорость звездолета должна быть больше 30 000
км/с. Для земной техники это пока недостижимая величина - мы едва освоили скорости в тысячу раз меньше. Но допустим, что все технические проблемы решены, и наш звездолет имеет двигатель (фотонный или какой угодно другой), способный разогнать космический корабль до таких скоростей. Нас не интересуют детали его устройства и функционирования, для нас здесь важно только одно обстоятельство: современная наука знает только один способ разгона в космическом пространстве - реактивное движение, которое основано на выполнении закона сохранения импульса системы тел. И важно здесь то, что при таком движении звездолет (и любое другое тело) именно перемещается в пространстве, физически взаимодействуя со всем, что в нем находится.
Фантасты в своих фантазиях придумали разнообразные "гиперпространственные скачки" и "субпространственные переходы" от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области пространства, но все это, по представлениям современной науки, не имеет никаких шансов на осуществление в реальности. Современная наука твердо установила, что в природе выполняются определенные законы сохранения: закон сохранения импульса, энергии, заряда и т. д. А при "гиперпространственном скачке" получается, что в некоторой области пространства энергия, импульс и заряды физического тела просто исчезают, то есть эти законы не выполняются. С точки зрения современной науки это значит, что такой процесс не может быть осуществлен. Да и главное - непонятно, что это вообще такое, это "гиперпространство" или "субпространство", попав в которое, физическое тело перестает взаимодействовать с телами в реальном пространстве. В реальном мире существует лишь то, что себя проявляет во взаимодействии с другими телами (собственно, пространство и есть отношение существующих тел), и это значит, что такое тело фактически перестанет существовать - со всеми вытекающими последствиями. Так что все это - бесплодные фантазии, которые не могут быть предметом серьезного обсуждения.
Итак, допустим, что имеющийся реактивный двигатель разогнал звездолет до необходимой нам субсветовой скорости, и он с этой скоростью перемещается в космическом пространстве от одной звезды к другой. Некоторые аспекты такого полета уже давно обсуждаются учеными (, ), но они рассматривают в основном различные релятивистские эффекты такого движения, не обращая внимания на другие существенные аспекты межзвездного полета. А реальность такова, что космическое пространство - не абсолютная пустота, оно представляет собой физическую среду, которую принято называть межзвездной средой. В ней есть атомы, молекулы, пылинки и другие физические тела. И со всеми этими телами звездолету придется физически взаимодействовать, что при движении с такими скоростями превращается в проблему. Рассмотрим эту проблему подробнее.
Астрономы, наблюдая радиоизлучение из космической среды и прохождение через нее света нашли, что в космическом пространстве имеются атомы и молекулы газов: в основном это атомы водорода Н
, молекулы водорода Н 2
(их по количеству примерно столько же, как и атомов Н
), атомы гелия Не
(их в 6
раз меньше, чем атомов Н
), и атомы других элементов (больше всего углерода С, кислорода О
и азота N
), которые в сумме составляют около 1
% всех атомов. Обнаружены даже такие сложные молекулы, как СО 2 , СН 4 , НСN , Н 2 О, NH 3 , НСООН
и другие, но в мизерных количествах (их в миллиарды раз меньше, чем атомов Н
). Концентрация межзвездного газа очень мала и составляет (вдали от газопылевых облаков) в среднем 0,5-0,7
атомов на 1
см 3 .
Понятно, что при движении звездолета в такой среде этот межзвездный газ будет оказывать сопротивление, тормозя звездолет и разрушая его оболочки. Поэтому было предложено обратить вред в пользу и создать прямоточный реактивный двигатель, который, собирая межзвездный газ (а он на 94
% состоит из водорода) и аннигилируя его с запасами антивещества на борту, получал бы таким образом энергию для движения звездолета. По проекту авторов впереди звездолета должен находиться ионизирующий источник (создающий электронный или фотонный луч, ионизирующий налетающие атомы) и магнитная катушка, фокусирующая получившиеся протоны к оси звездолета, где они используются для создания фотонной реактивной струи.
К сожалению, при детальном рассмотрении оказывается, что этот проект неосуществим. Прежде всего, ионизирующий луч не может быть электронным (как настаивают авторы) по той простой причине, что звездолет, испускающий электроны, сам будет заряжаться положительным зарядом, и рано или поздно поля, создаваемые этим зарядом, нарушат работу систем звездолета. Если же использовать фотонный луч, то тогда (впрочем, как и для электронного луча) дело упирается в маленькое сечение фотоионизации атомов. Проблема в том, что вероятность ионизации атома фотоном очень мала (поэтому воздух не ионизируется мощными лучами лазеров). Количественно она выражается сечением ионизации, которое численно равно отношению числа ионизированных атомов к плотности потока фотонов (числу налетевших фотонов на 1
см 2 за секунду). Фотоионизация атомов водорода начинается при энергии фотонов 13.6
электронвольт=2.18·10 -18
Дж (длина волны 91.2
нм), и при этой энергии сечение фотоионизации максимально и равно 6.3·10 -18
см 2 (,стр.410). Это значит, что для ионизации одного атома водорода требуется в среднем 1.6·10 17
фотонов на см 2 за секунду. Поэтому мощность такого ионизирующего луча должна быть гигантской: если звездолет движется со скоростью v
то за 1
секунду на 1
см 2 его поверхности налетает rv
встречных атомов, где r
- концентрация атомов, что в нашем случае околосветового движения составит величину порядка rv
=0.7·3·10 10 =2·10 10
атомов в секунду на 1
см 2 . Значит, поток ионизирующих фотонов должен быть не меньше n=
2·10 10 / 6.3·10 -18 =3·10 27
1/см 2 ·с. Энергия, которую несет такой поток фотонов будет равна е
=2.18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9
Дж/см 2 ·с.
К тому же, кроме атомов водорода, на звездолет будет налетать столько же молекул Н 2
, а их ионизация происходит при энергии фотонов 15.4
эв (длина волны 80.4
нм). Это потребует увеличения мощности потока примерно в два раза, и полная мощность потока должна быть е
=1.3·10 10
Дж/см 2 . Для сравнения можно указать, что поток энергии фотонов на поверхности Солнца равен 6.2·10 3
Дж/см 2 ·с, то есть звездолет должен светить в два миллиона раз ярче Солнца.
Поскольку энергия и импульс фотона связаны соотношением Е=рс
, то этот поток фотонов будет иметь импульс р=еS/с
где S
- площадь массозаборника (порядка 1000
м 2), что составит 1.3·10 10 ·10 7 / 3·10 8 =4.3·10 8
Кг·м/с, и этот импульс направлен против скорости и тормозит звездолет. Фактически получается, что впереди звездолета стоит фотонный двигатель и толкает его в обратном направлении - ясно, что такой тяни-толкай далеко не улетит.
Таким образом, ионизация налетающих частиц слишком накладна, а другого способа концентрации межзвездных газов современная наука не знает. Но даже если такой способ будет найден, то прямоточный двигатель все равно себя не оправдает: еще Зенгер показал (,стр.112), что величина тяги прямоточного фотонно-реактивного двигателя ничтожна и он не может быть использован для разгона ракеты с высоким ускорением. Действительно, полный приток массы набегающих частиц (в основном атомов и молекул водорода) составит dm=3m p Srv
=3·1.67·10 -27 ·10 7 · 2·10 10 =10 -9
Кг/с. При аннигиляции эта масса будет выделять максимум W=mc
2 = 9·10 7
Дж/с, и если вся эта энергия уйдет на формирование фотонной реактивной струи, то прирост импульса звездолета за секунду будет составлять dр=W/c
=9·10 7 /3·10 8 =0.3
Кг·м/с, что соответствует тяге в 0.3
ньютона. Примерно с такой силой давит на землю маленькая мышка, и получается, что гора родила мышь. Поэтому конструирование прямоточных двигателей для межзвездных полетов не имеет смысла.
При таких скоростях начинают сильно проявляться релятивистские эффекты, и кинетическая энергия тела в релятивистской области определяется выражением 
v/c
1/(1-v 2 /c 2) 1/2
E p
K
T
0.1
1.005
4.73
4.53·10 14
1,09·10 5
0.2
1.020
19.35
1.85·10 15
4,45·10 5
0.3
1.048
45.31
4.34·10 15
1,04·10 6
0.4
1.091
85.47
8.19·10 15
1,97·10 6
0.5
1.155
145.2
1.39·10 16
3,34·10 6
0.6
1.25
234.6
2.25·10 16
5,40·10 6
0.7
1.40
375.6
3.59·10 16
8,65·10 6
0.8
1.667
625.6
5.99·10 16
1,44·10 7
0.9
2.294
1214
1.16·10 17
2,79·10 7
0.99
7.089
5713
5.47·10 17
1,31·10 8
0.999
22.37
20049
1.92·10 18
4,62·10 8
По видимому, лучшим материалом для экрана является титан (в силу его небольшой плотности и физических характеристик), для него d
=4.5
г/см 3 , а Q
=315
КДж/Кг, что дает
. . .
v/c
E
d
мм
X
м
0.1
0.045
0.448
0.9
0.2
0.185
0.718
3.66
0.3
0.434
0.955
9.01
0.4
0.818
1.178
16.4
0.5
1.39
1.41
27.6
Но о телах в далеком космосе можно получить представление по тем телам, которые мы наблюдаем в солнечной системе, в том числе вблизи Земли. Ведь, как показывают измерения, солнечная система движется относительно соседних звезд примерно в направлении Веги со скоростью 15.5
км/с, а значит, она каждую секунду заметает все новые и новые объемы космического пространства вместе с его содержимым. Конечно, не все вблизи Солнца пришло извне, многие тела изначально являются элементами солнечной системы (планеты, астероиды, многие метеорные потоки). Но астрономы не раз наблюдали например, полет некоторых комет, которые прилетели из межзвездного пространства и туда же улетели. Значит, там имеются и очень крупные тела (массой в миллионы и миллиарды тонн), но они встречаются очень редко. Понятно, что там могут встретиться тела практически любых масс, но с разной вероятностью. И чтобы оценить вероятность встречи с различными телами в межзвездном пространстве нам нужно найти распределение таких тел по массам.
Прежде всего нужно знать, что происходит с телами когда они находятся в солнечной системе. Это вопрос хорошо изучен астрофизиками , и они нашли, что время жизни не слишком крупных тел в солнечной системе очень ограничено. Так, мелкие частички и пылинки с массами менее 10 -12
г просто выталкиваются за пределы солнечной системы потоками света и протонов от Солнца (что видно по хвостам комет). Для более крупных частичек результат оказывается обратным: в результате так называемого эффекта Пойнтинга-Робертсона они падают на Солнце, постепенно опускаясь к нему по спирали за время порядка нескольких десятков тысяч лет.
Это значит, что наблюдаемые в солнечной системе спорадические частицы и микрометеориты (не относящиеся к ее собственным метеорным потокам) попали в нее из окружающего космоса, так как ее собственные частицы такого типа давно исчезли. Поэтому искомую зависимость можно найти по наблюдениям спорадических частиц в самой солнечной системе. Такие наблюдения давно ведутся, и исследователи пришли к выводу (,), что закон распределения космических тел по массам имеет вид N(M)=N 0 /M i
Непосредственные измерения для спорадических метеоров в интервале масс от 10 -3
до 10 2
г (,стр.127) дают для плотности потока метеоров с массой более М
грамм зависимость
Из полученного распределения можно найти, что концентрация частиц, массы которых больше 0.1
г в среднем равна r
(0.1)=r 1
· (10) · 1.1=6.29·10 -24
1/см 3 , а это значит, что на пути в 1
световой год звездолет встретит на 1
см 2 поверхности n=rs
=5.9·10 -6
таких частиц, что при общей площади S
=100
м 2 =10 6
см 2 составит не менее 5
частиц массивнее 0.1
г на все поперечное сечение звездолета. А каждая такая частица при v
=0.1
c имеет энергию более 4.53·10 10
Дж, что эквивалентно кумулятивному взрыву 11
тонн тротила. Даже если экран такое выдержит, то дальше произойдет вот что: поскольку вряд ли частица ударит точно в центр экрана, то в момент взрыва появится сила, поворачивающая звездолет вокруг его центра масс. Она, во-первых, слегка изменит направление полета, а, во-вторых, повернет звездолет, подставив его бок встречному потоку частиц. И звездолет будет быстро искромсан ими, а если на его борту имеются запасы антивещества, то все завершится серией аннигиляционных взрывов (или одним большим взрывом).
Некоторые авторы высказывают надежду , что от опасного метеорита можно уклониться. Посмотрим, как это будет выглядеть на субсветовой скорости v
=0.1
c. Метеорит весом 0.1
г имеет размер около 2
мм и энергию, эквивалентную 10.9
тонн тротила. Попадание его в звездолет приведет к фатальному взрыву, и придется от него уклоняться. Допустим, что радар звездолета способен обнаружить такой метеорит на расстоянии х
=1000
км - хотя непонятно, как это будет осуществляться, так как с одной стороны, радар должен находиться перед экраном, чтобы выполнять свою функцию, а с другой стороны - за экраном, чтобы не быть уничтоженным потоком набегающих частиц.
Но допустим, тогда за время t = x/v
= 0.03
секунды звездолет должен среагировать и отклониться на расстояние у
= 5
м (считая диаметр звездолета 10
метров). Это значит, что он должен приобрести в поперечном направлении скорость u=y/t
- опять же за время t
, то есть его ускорение должно быть не меньше a=y/t 2
= 150
м/с 2 . Это ускорение в 15
раз больше нормального, и его не выдержит никто из экипажа, да и многие приборы звездолета. И если масса звездолета составляет около 50 000
тонн, то для этого потребуется сила F= am
= 7.5·10 9
ньютон. Такую силу на время в тысячные доли секунды можно получить только произведя на звездолете мощный взрыв: при химическом взрыве получается давление порядка 10 5
атмосфер=10 10
Ньютон/м 2 и оно будет способно свернуть звездолет в сторону. То есть, чтобы уклониться от взрыва нужно звездолет взорвать...
Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями, порядка 0.01
с и менее. Это значит, что колонизация иных миров может происходить медленными темпами, так как каждый перелет будет занимать сотни и тысячи лет, и для этого нужно будет посылать к другим звездам большие колонии людей, способные существовать и развиваться самостоятельно. Для такой цели может подойти небольшой астероид из смерзшегося водорода: внутри него можно устроить город подходящих размеров, где будут жить астронавты, а сам материал астероида будет использоваться в качестве топлива для термоядерной энергетической установки и двигателя. Других путей освоения дальнего космоса современная наука предложить не может.
Во всем этом есть только один положительный аспект: вторжение полчищ агрессивных инопланетян Земле не грозит - это слишком сложное дело. Но обратная сторона медали заключается в том, что и добраться до миров, где есть "братья по разуму" не удастся в течении ближайших нескольких десятков тысяч лет. Поэтому наиболее быстрым способом обнаружения инопланетян является установление связей с помощью радиосигналов или каких-либо других сигналов.
__________________________________________________
[ оглавление ]
2. Перельман Р.Г. Цели и пути освоения космоса - М.:Наука,1967
3. Перельман Р.Г. Двигатели галактических кораблей - М.: изд. АН СССР,1962
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика - М.:Атомиздат,1976
5. Зенгер Е., К механике фотонных ракет - М.: изд. Иностранной литературы,1958
6. Закиров У.Н. Механика релятивистских космических полетов - М.:Наука,1984
7. Аллен К.У. Астрофизические величины - М.:Мир,1977
8. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики - М.:Наука,1971
9. Физические величины (Справочник) - М.:Энергоатомиздат,1991
10. Бурдаков В.П., Зигель Ф.Ю. Физические основы космонавтики (физика космоса) - М.:Атомиздат,1974
11. Спитцер Л. Пространство между звездами - М.:Мир,1986.
12. Лебединец В.М. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль - Л.: Гидрометеоиздат,1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдение - М.:Наука,1987
14. Акишин А.И.,Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов - М.:Знание,1983
Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov
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
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.
