Пілотований політ до інших зірок можливий. Міжзоряні перельоти: нездійсненна мрія чи реальна перспектива? І навіть швидше
Все, що називають "варп-двигуном", відсилає нас швидше до "Зоряного шляху", ніж до NASA. Ідея варп-двигуна Алькуб'єрре в тому, що він може бути можливим рішенням (або хоча б початком його пошуку) завдання подолання обмежень всесвіту, які він накладає на подорожі швидше за швидкість світла.
Основи цієї ідеї досить прості і NASA використовує приклад бігової доріжки для її пояснення. Хоча людина може рухатися з кінцевою швидкістю на біговій доріжці, спільна швидкість людини і доріжки означає, що кінець буде ближче, ніж міг бути у разі руху звичайною доріжкою. Бігова доріжка - це саме , що рухається по простору-часу у свого роду міхурі розширення. Перед варп-двигуном простір-час стискається. За ним розширюється. Теоретично це дозволяє двигуну переміщати пасажирів швидше швидкості світла. Один з ключових принципів, пов'язаний з розширенням простору-часу, як вважають, дозволив Всесвіту швидко розширитися миті після Великого Вибуху. Теоретично ідея має бути цілком здійсненною.
Жахливо, коли на Землі немає Інтернету, і ви не можете підвантажити Google Maps на своєму смартфоні. Під час міжзоряних перельотів без нього буде ще гірше. Вийти в космос - це лише перший крок, вчені вже зараз починають замислюватися, що робити, коли нашим пілотованим та безпілотним зондам потрібно буде передавати повідомлення назад на Землю.
У 2008 році NASA провело перші успішні випробування міжзоряної версії Інтернету. Проект був запущений ще 1998 року в рамках партнерства між Лабораторією реактивного руху NASA (JPL) та Google. За десять років у партнерів з'явилася система Disruption-Tolerant Networking (DTN), яка дозволяє відправляти зображення на космічний апарат за 30 мільйонів кілометрів.
Технологія повинна мати можливість справлятися з великими затримками і перебоями в передачах, тому може продовжувати передачу, навіть якщо сигнал переривається на 20 хвилин. Він може проходити крізь, між чи через усе, від сонячних спалахів і сонячних бур до набридливих планет, які можуть опинитися на шляху передачі даних, без втрати інформації.
Як каже Вінт Серф, один із засновників нашого земного Інтернету та піонер міжзоряного, система DTN долає всі проблеми, на які хворіє традиційний протокол TCIP/IP, коли йому потрібно працювати з великими відстанями, у космічних масштабах. З TCIP/IP пошук у Google на Марсі займе так багато часу, що результати зміняться, поки запит буде оброблятись, а на виході інформація буде частково втрачена. З DTN інженери додали щось абсолютно нове - можливість призначати різні доменні імена різним планетам і вибирати, на якій планеті ви хочете здійснити пошук в Інтернеті.
Що щодо подорожі до планет, з якими ми поки що не знайомі? Scientific American припускає, що може бути спосіб, хоч і дуже дорогий і трудомісткий, провести інтернет до Альфи Центавра. Запустивши серію зондів фон Неймана, що самовідтворюються, можна створити довгу серію ретрансляційних станцій, які можуть відправляти інформацію по міжзоряному ланцюгу. Сигнал, народжений у нашій системі, пройде зондами і досягне Альфи Центавра, і навпаки. Щоправда, потрібно багато зондів, на будівництво і запуск яких підуть мільярди. Та й взагалі, враховуючи те, що найдальшому зонду доведеться долати свій шлях тисячі років, можна припустити, що за цей час зміняться не лише технології, а й загальна вартість заходу. Не поспішатимемо.
Ембріональна колонізація космосу
Одна з найбільших проблем міжзоряних подорожей - і колонізації в цілому - полягає в кількості часу, який необхідно, щоб кудись дістатися, навіть маючи в рукаві якісь варп-двигуни. Саме завдання доставити групу поселенців до пункту призначення породжує масу проблем, тому народжуються пропозиції відправити не групу колоністів з повністю укомплектованим екіпажем, а скоріше корабель, набитий ембріонами - насінням майбутнього людства. Як тільки корабель досягає потрібної відстані до пункту призначення, заморожені ембріони починають рости. Потім з них виходять діти, які ростуть на кораблі, і коли вони нарешті досягають пункту призначення, у них є всі можливості зачати нову цивілізацію.
Очевидно, все це, у свою чергу, піднімає величезну купу питань, на кшталт того, хто і як здійснюватиме вирощування ембріонів. Роботи могли б виховати людей, але якими будуть люди, яких виростили роботи? Чи зможуть роботи зрозуміти, що потрібно дитині, щоб рости та процвітати? Чи зможуть зрозуміти покарання та заохочення, людські емоції? Та й взагалі, ще доведеться з'ясувати, як зберігати заморожені ембріони цілістю сотні років і як вирощувати їх у штучному середовищі.
Одним із запропонованих рішень, яке може вирішити проблеми робота-няньки, може стати створення комбінації з корабля з ембріонами та корабля з анабіозом, у якому сплять дорослі, готові прокинутися, коли їм доведеться вирощувати дітей. Низка років виховання дітей разом із поверненням до стану сплячки може, теоретично, призвести до стабільної популяції. Ретельно створена партія ембріонів може забезпечити генетичну різноманітність, яка дозволить підтримувати популяцію у більш-менш стійкому стані після встановлення колонії. У корабель з ембріонами можна включити також додаткову партію, яка дозволить ще більше урізноманітнити генетичний фонд.
Зонди фон Неймана
Все, що ми будуємо та відправляємо в космос, неминуче стикається з власними проблемами, і зробити щось, що проїде мільйони кілометрів і не згорить, не розвалиться та не згасне, здається абсолютно неможливим завданням. Втім, вирішення цього завдання, можливо, було знайдено десятки років тому. У 1940-х роках фізик Джон фон Нейман запропонував механічну технологію, яка відтворюватиметься, і хоча до міжзоряних подорожей його ідея не мала жодного відношення, все неминуче до цього прийшло. У результаті зонди фон Неймана можна було б використовувати, теоретично, для дослідження величезних міжзоряних територій. На думку деяких дослідників, ідея про те, що все це спало на думку першим, не тільки помпезна, а й малоймовірна.
Вчені з Університету Единбурга опублікували роботу в International Journal of Astrobiology, де досліджували не лише можливість створення такої технології для власних потреб, але й ймовірність того, що хтось уже це зробив. Грунтуючись на попередніх розрахунках, які показували, наскільки далеко може забратися апарат, використовуючи різні способи пересування, вчені вивчили, як це рівняння зміниться, якщо його застосувати до апаратів, що самовідтворюються, і зондів.
Розрахунки вчених будувалися навколо зондів, що самовідтворюються, які могли б використовувати сміття та інші матеріали космосу для будівництва молодших зондів. Батьківські та дочірні зонди множилися б так швидко, що покрили всю галактику всього за 10 мільйонів років - і це за умови, якби вони рухалися на 10% швидкості світла. Втім, це означало б, що в певний момент нас мали відвідувати якісь подібні зонди. Оскільки ми їх не бачили, можна підібрати зручне пояснення: або недостатньо технологічно розвинені, щоб знати, де шукати, або .
Рогатка з чорною дірою
Ідея використання гравітації планети або місяця для пострілу, як із рогатки, бралася на озброєння в нашій Сонячній системі не раз і не два, насамперед «Вояджером-2», який отримав додатковий поштовх спочатку від Сатурна, а потім від Урану на шляху із системи . Ідея передбачає маневрування корабля, яке дозволить йому збільшити (або зменшити) швидкість у міру руху через гравітаційне поле планети. Особливо цю ідею люблять письменники-фантасти.
Письменник Кіп Торн висунув ідею: такий маневр може допомогти апарату вирішити одну із найбільших проблем міжзоряних подорожей – споживання палива. І запропонував ризикованіший маневр: розгін за допомогою бінарних чорних дірок. Хвилинне спалювання палива знадобиться, щоб пройти критичну орбіту від однієї чорної дірки до іншої. Зробивши кілька обертів навколо чорних дірок, апарат набере швидкість, близьку до світлової. Залишиться тільки добре прицілитися та активувати ракетну тягу, щоб прокласти собі курс до зірок.
Малоймовірно? Так. Дивно? Безперечно. Торн підкреслює, що є безліч проблем у такій ідеї, наприклад, точні розрахунки траєкторій та часу, які не дозволять відправити апарат прямо до найближчої планети, зірки чи іншого тіла. Також виникають питання про повернення додому, але якщо вже ви наважитеся на такий маневр, повертатися ви точно не плануєте.
Прецедент для такої ідеї вже утворився. У 2000 році астрономи виявили 13 наднових, що летять по галактиці з неймовірною швидкістю 9 мільйонів кілометрів на годину. Вчені Університету Іллінойсу в Урбана-Шампань з'ясували, що ці норовливі зірки були викинуті з галактики парою чорних дір, які виявилися замкненими в пару в процесі руйнування та злиття двох окремих галактик.
Starseed Launcher
Коли справа доходить до запуску навіть зондів, що самовідтворюються, виникає проблема споживання палива. Це не зупиняє людей від пошуку нових ідей, як запускати зонди на міжзоряні відстані. Цей процес зажадав би мегатонни енергії, використовуй ми технології, які ми маємо сьогодні.
Форрест Бішоп з Інституту атомної інженерії заявив, що створив метод запуску міжзоряних зондів, який вимагатиме кількості енергії, приблизно еквівалентної енергії автомобільної батареї. Теоретичний Starseed Launcher буде приблизно 1000 кілометрів завдовжки і складатиметься в основному з дроту та проводів. Незважаючи на свою довжину, вся ця штуковина могла б уміститися в одному вантажному судні та зарядитися від 10-вольтової батареї.
Частина плану включає запуск зондів, які трохи більше мікрограма по масі та містять лише основну інформацію, необхідну для подальшого будівництва зондів у космосі. За низку запусків можна запустити мільярди таких зондів. Основна суть плану в тому, що зонди, що самовідтворюються, зможуть об'єднатися один з одним після запуску. Сам пусковий механізм буде обладнаний надпровідними котушками магнітної левітації, що створюють зворотну силу, що забезпечує тягу. Бішоп каже, що деякі деталі плану вимагають опрацювання на кшталт протидії зондами міжзоряної радіації та сміття, але загалом можна починати будувати.
Особливі рослини для космічного життя
Як тільки ми кудись зберемося, нам знадобляться способи вирощування їжі та регенерації кисню. Фізик Фрімен Дайсон запропонував кілька цікавих ідей щодо того, як це можна було б здійснити.
1972 року Дайсон читав свою знамениту лекцію в лондонському коледжі Біркбек. Тоді ж він припустив, що за допомогою деяких генетичних маніпуляцій можна було б створити дерева, які зможуть не тільки рости, а й процвітати на непривітній поверхні, наприклад, комети. Перепрограмуйте дерево відбивати ультрафіолетове світло та ефективніше зберігати воду, і дерево не тільки пустить коріння і зростатиме, а й досягне немислимих за земними мірками розмірів. У одному з інтерв'ю Дайсон припустив, що у майбутньому, можливо, з'являться чорні дерева, як у космосі, і Землі. Дерева на основі кремнію були б ефективнішими, а ефективність - це ключ до тривалого існування. Дайсон підкреслює, що цей процес буде не хвилинним - можливо, років за двісті ми нарешті з'ясуємо, як змусити дерева рости в космосі.
Ідея Дайсона не така вже й безглузда. Інститут передових концепцій NASA це цілий відділ, завдання якого вирішувати проблеми майбутнього, і серед них завдання вирощувати стабільні рослини на поверхні Марса. Навіть тепличні рослини на Марсі зростатимуть у надзвичайних умовах, і вчені перебирають різні варіанти, намагаючись поєднати рослини з екстремофілами, крихітними мікроскопічними організмами, які виживають у найжорстокіших умовах на Землі. Від високогірних томатів, які мають вбудований опір до ультрафіолетового світла, до бактерій, які виживають у найхолодніших, гарячих і глибоких куточках земної кулі, ми, можливо, одного разу зберемо частинами марсіанський сад. Залишилося тільки з'ясувати, як зібрати всі ці цеглини разом.
Локальна утилізація ресурсів
Життя у відриві від землі може бути новомодною тенденцією на Землі, але коли справа доходить до місячних місій у космосі, це стає необхідним. Нині NASA займається, крім іншого, вивченням питання локальної утилізації ресурсів (ISRU). На космічному судні не так багато місця, і створення систем для використання матеріалів, виявлених у космосі та на інших планетах, буде необхідним для будь-якої довгострокової колонізації чи поїздок, особливо коли пунктом призначення стане місце, куди буде непросто доставити вантаж постачання, паливо, їжу та інше. Перші спроби демонстрації можливостей використання локальних ресурсів було здійснено на схилах гавайських вулканів і під час полярних місій. До списку завдань входять такі пункти, як видобуток паливних компонентів з попелу та іншої доступної у природі місцевості.
У серпні 2014 року NASA зробило потужну заяву, показавши нові іграшки, які вирушать на Марс із наступним марсоходом, запуск якого відбудеться 2020 року. Серед інструментів в арсеналі нового марсоходу є MOXIE, експеримент із локальної утилізації ресурсів у вигляді марсіанського кисню. MOXIE забиратиме непридатну для дихання атмосферу Марса (на 96% складається з діоксиду вуглецю) і розділятиме її на кисень і моноксид вуглецю. Апарат зможе виробляти 22 грами кисню за кожну годину роботи. NASA також сподівається, що MOXIE зможе продемонструвати дещо ще - постійну роботу без зниження продуктивності або ефективності. MOXIE може не тільки стати важливим кроком у напрямку довгострокових позаземних місій, але й прокласти шлях безлічі потенційних перетворювачів шкідливих газів у корисні.
2suit
Відтворення в космосі може стати проблемним на різних рівнях, особливо в умовах мікрогравітації. У 2009 році японські експерименти на ембріонах мишей показали, що навіть якщо запліднення відбувається в умовах ненульової гравітації, ембріони, що розвиваються за межами звичного тяжіння Землі (або його еквівалента), не розвиваються нормально. Коли клітини мають ділитися та виконувати спеціальні дії, виникають проблеми. Не означає, що запліднення немає: ембріони мишей, зачаті у космосі і впроваджені у земних самок мишей, успішно зросли і були народжені без проблем.
Це також порушує інше питання: як саме виробництво дітей працює в умовах мікрогравітації? Закони фізики, особливо той факт, що кожна дія має однакову протидію, роблять його механіку трохи безглуздою. Ванна Бонта, письменник, актриса та винахідник, вирішила серйозно зайнятися цим питанням.
І створила 2suit: костюм, в якому дві людини можуть сховатися і зайнятися виробництвом дітей. Його навіть перевірили. У 2008 році 2suit був випробуваний на так званій Vomit Comet (літаку, який здійснює круті віражі і створює хвилинні умови невагомості). Хоча Бонта припускає, що медові місяці в космосі можуть стати реальними завдяки її винаходу, костюм має і практичніші застосування, на кшталт збереження тепла тіла в надзвичайній ситуації.
Проект Longshot
Проект Longshot був складений групою Військово-морської академії США та NASA у рамках спільної роботи наприкінці 1980-х. Кінцева мета плану полягала у запуску чогось на рубежі 21 століття, а саме безпілотного зонда, який вирушить до Альфи Центавра. Йому знадобилося б 100 років, щоб досягти своєї мети. Але перш ніж він буде запущений, йому знадобляться деякі ключові компоненти, які теж потрібно розробити.
Крім комунікаційних лазерів, довговічних реакторів ядерного поділу та ракетного двигуна на інерційному лазерному синтезі були й інші елементи. Зонд повинен був отримати незалежне мислення та функції, оскільки було б практично неможливо підтримувати зв'язок на міжзоряних відстанях досить швидко, щоб інформація залишалася релевантною після досягнення пункту прийому. Також все мало бути неймовірно міцним, оскільки зонд досягне пункту призначення за 100 років.
Longshot збиралися відправити до Альфи Центавра з різними завданнями. В основному він мав зібрати астрономічні дані, які б дозволили точно розрахувати відстані до мільярдів, якщо не трильйонів, інших зірок. Але якщо ядерний реактор, який живить апарат, вичерпається, місія теж зупиниться. Longshot був дуже амбітним планом, який так і не зрушив з мертвої точки.
Але це не означає, що ідея померла у зародку. 2013 року проект Longshot II буквально відірвався від землі у вигляді студентського проекту Icarus Interstellar. З моменту появи оригінальної програми Longshot пройшли десятиліття технологічних досягнень, їх можна застосувати до нової версії і програма загалом отримала капітальний ремонт. Було переглянуто витрати на паливо, термін місії був урізаний удвічі і весь дизайн Longshot був переглянутий від голови до п'ят.
Остаточний проект стане цікавим показником того, як нерозв'язна проблема змінюється з додаванням нових технологій та інформації. Закони фізики залишаються колишніми, але через 25 років у Longshot з'явилася можливість знайти друге дихання і показати нам, якою має бути міжзоряна подорож майбутнього.
За матеріалами listverse.com
І покинули сонячну систему; тепер з їх допомогою вивчають міжзоряний простір. Станцій, чиєю прямою місією був би політ до найближчих зірок, початку XXI століття немає.
Відстань до найближчої зірки (Проксіми Центавра) становить близько 4,243 світлових років, тобто приблизно в 268 тисяч разів більше відстані від Землі до Сонця.
Проекти міжзоряних експедицій
Проект «Оріон»
Проекти зорельотів, рушієм яких є тиск електромагнітних хвиль
У 1971 році в доповіді Г. Маркса на симпозіумі в Бюракані було запропоновано використовувати для міжзоряних перельотів лазери рентгенівського діапазону. Пізніше можливість використання цього рушія досліджувалася НАСА . В результаті було зроблено наступний висновок: «Якщо буде знайдена можливість створення лазера, що працює в рентгенівському діапазоні довжин хвиль, то можна говорити про реальну розробку літального апарату (променем такого лазера, що розганяється), який зможе покривати відстані до найближчих зірок значно швидше, ніж усі відомі В даний час системи з ракетними двигунами. Розрахунки показують, що з допомогою космічної системи, розглянутої у цій роботі, можна досягти зірки Альфа Центавра… приблизно 10 років» .
У 1985 році Р. Форвардом було запропоновано конструкцію міжзоряного зонда, що розганяється енергією мікрохвильового випромінювання. Проектом передбачалося, що зонд досягне найближчих зірок за 21 рік.
На 36-му Міжнародному астрономічному конгресі було запропоновано проект лазерного зорельоту, рух якого забезпечується енергією лазерів оптичного діапазону, розташованих на орбіті навколо Меркурія. За розрахунками, шлях зорельоту цієї конструкції до зірки Епсілон Ерідана (10,8 світлових років) і назад зайняв би 51 рік.
Анігіляційні двигуни
Основними проблемами, що виділяються вченими та інженерами, що аналізували конструкції анігіляційних ракет (англ.), є отримання потрібної кількості антиречовини, її зберігання, а також фокусування потоку частинок у потрібному напрямку. Вказується, що сучасний стан науки і техніки навіть теоретично не дозволяє створювати такі конструкції.
Прямоточні двигуни, що працюють на міжзоряному водні
Основна складова маси сучасних ракет – це маса палива, необхідного ракеті для розгону. Якщо вдасться якимось чином використовувати в якості робочого тіла і палива навколишнє середовище, можна значно скоротити масу ракети і досягти за рахунок цього великих швидкостей руху.
Кораблі поколінь
Можливі також міжзоряні подорожі з використанням зорельотів, що реалізують концепцію «кораблів поколінь» (наприклад, за типом колоній «Нейла»). і займає дуже довгий час, протягом якого встигають змінити багато поколінь космонавтів.
Надсвітловий рух
Примітки
Див. також
Джерела
- Колесников Ю. В. Вам будувати зорельоти. М., 1990. 207 з. ISBN 5-08-000617-X.
- http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Лекція про міжзоряні польоти, про прискорення на 100 км/сек біля зірок
У процесі верстки виправлені регістри чисел та друкарські помилки у формулах. Приведені в вид таблиці, що читається. Люди вже давно мріють про польоти через космічний простір до інших зірок, про подорожі іншими світами і зустрічі з неземним розумом. Фантасти списали гори паперу, намагаючись уявити, як це відбуватиметься, вони вигадали різноманітну техніку, здатну здійснити ці мрії. Але поки що це лише фантазії. Спробуємо уявити, як такий політ може мати реальність. Зі сказаного слід, що відхилити налітаючі частинки міжзоряного середовища не вийде, і зорельоту доведеться приймати їх своїм корпусом. Це призводить до деяких вимог до конструкції зорельота: попереду повинен знаходитися екран (наприклад, у вигляді конічної кришки), який захищатиме основний корпус від впливу космічних частинок і випромінювань. А за екраном повинен знаходитися радіатор, що відводить тепло від екрана (і одночасно служить вторинним екраном), прикріплений до основного корпусу зорельоту термоізолюючими балками. Необхідність такої конструкції пояснюється тим, що атоми, що налітають, мають велику кінетичну енергію, вони будуть глибоко впроваджуватися в екран і, гальмуючи в ньому, розсіювати цю енергію у вигляді теплоти. Наприклад, при швидкості польоту 0,75
з енергія протона водню буде приблизно 500
МЕВ - в одиницях ядерної фізики, що відповідає 8·10 -11Дж. Він впроваджуватиметься в екран на глибину кількох міліметрів і передасть цю енергію коливанням атомів екрану. А таких частинок налітатиме близько 2·10 10атомів і стільки ж молекул водню за секунду на 1
см 2 , тобто кожну секунду на 1
см 2 поверхні екрану надходитиме 4.8
Дж енергії, що переходить у теплоту. А проблема в тому, що в космосі відводити цю теплоту можна лише шляхом випромінювання електромагнітних хвиль у навколишній простір (повітря та води там немає). Це означає, що екран буде нагріватися доти, поки його теплове електромагнітне випромінювання не зрівняється з потужністю, що надходить від налітаючих частинок. Теплове випромінювання тілом електромагнітної енергії визначається законом Стефана-Больцмана, згідно з яким енергія, що випромінюється за секунду з 1
см 2 поверхні дорівнює q=sТ 4
де s= 5.67 · 10 -12Дж/см 2 К 4 -постійна Стефана, а Т
- Температура поверхні тіла. Умовою встановлення рівноваги буде sТ 4 = Q
де Q
- надходить потужність, тобто температура екрану буде Т = (Q / s) 1/4
. Підставляючи в цю формулу відповідні значення, знайдемо, що екран нагріватиметься до температури 959
про К = 686
про З. Зрозуміло, що з великих швидкостях ця температура буде ще вище. Це означає, наприклад, що екран не можна робити з алюмінію (його температура плавлення всього 660
про С), і його потрібно термоізолювати від основного корпусу зорельота - інакше неприпустимо грітися житлові відсіки. А для полегшення теплового режиму екрану до нього необхідно приєднати радіатор з великою поверхнею випромінювання (можна з алюмінію), наприклад у вигляді клітинної системи поздовжніх та поперечних ребер, при цьому поперечні ребра одночасно виконуватимуть функцію вторинних екранів, захищаючи житлові відсіки від уламків та гальмівного випромінювання. частинок, що потрапляють в екран і т.п. Але захист від атомів та молекул – не головна проблема міжзоряного польоту. Астрономи, спостерігаючи поглинання світла від зірок, встановили, що у міжзоряному просторі є значну кількість пилу. Такі частинки, що сильно розсіюють і поглинають світло, мають розміри 0.1-1
мікрон та масу порядку 10 -13
г, а їх концентрація набагато менша від концентрації атомів і дорівнює приблизно r=10 -12
1/см 3 Судячи з їхньої щільності ( 1
г/см 3) та показником заломлення ( n=1.3
) вони являють собою в основному снігові грудочки, що складаються з космічних газів, що змерзли (водню, води, метану, аміаку) з домішкою твердих вуглецевих і металевих частинок. Очевидно, саме з них утворюються ядра комет, що мають такий самий склад. І хоча це мають бути досить пухкі утворення, при навколосвітлових швидкостях вони можуть завдати великої шкоди. Як видно, енергія тіла різко зростає з наближенням до швидкості світла c: Так, при швидкості 0.7
з порошинка з m=10 -13г має кінетичну енергію 3.59
Дж (див. Таблицю 1) та попадання її в екран еквівалентно вибуху в ньому приблизно 1
мг тротилу. При швидкості 0.99
з ця порошинка матиме енергію 54.7
Дж, що можна порівняти з енергією кулі, випущеної з пістолета Макарова ( 80
Дж). За таких швидкостей вийде, кожен квадратний сантиметр поверхні екрана безперервно обстрілюється кулями (причому розривними) із частотою 12
пострілів за хвилину. Зрозуміло, що ніякий екран не витримає такої дії протягом кількох років польоту. Таблиця 1 Енергетичні співвідношення Позначення: Е р
- кінетична енергія протону в Мев До
- кінетична енергія 1 Кг речовини в Дж Т
- Тротиловий еквівалент кілограма в тоннах тротилу. Для оцінки наслідків удару частинки в поверхню можна використовувати формулу, запропоновану фахівцем з цих питань Ф.Уіпплом (стр.134), згідно з якою розміри кратера, що утворився, рівні де d
- Щільність речовини екрану, Q
- Його питома теплота плавлення. Але тут потрібно мати на увазі, що насправді ми не знаємо, як порошинки будуть впливати на матеріал екрану при таких швидкостях. Ця формула справедлива для невеликих швидкостей удару (порядку 50
км/с і менше), а при оклосвітлових швидкостях впливу фізичні процеси удару та вибуху повинні протікати зовсім інакше і набагато інтенсивніше. Можна тільки припускати, що через релятивістські ефекти і велику інерцію матеріалу порошинки вибух буде спрямований вглиб екрану, на кшталт кумулятивного вибуху, і призведе до утворення набагато глибшого кратера. Наведена формула відображає загальні енергетичні співвідношення, і ми припустимо, що вона підходить для оцінки результатів удару і для навколосвітніх швидкостей. d=0.00126 · Е 1/3
метрів При v=0.1
c отримаємо Е=0.045
Дж і d= 0,00126 · 0.356 = 0.000448м = 0.45
мм. Легко знайти, що пройшовши шлях у 1
світловий рік, екран зорельоту зустріне n=rs= 10 -12 · 9.46 · 10 17 = 10 6порошинок на кожен см 2 і кожні 500
порошинок зроють шар 0.448
мм екрану. Значить, після 1
світлового року шляху екран буде стертий на товщину 90
див. Звідси випливає, що для польоту на таких швидкостях скажімо, до Проксіми Центавра (тільки туди) екран повинен мати товщину приблизно 5
метрів і масу близько 2.25
тисячі тонн. При великих швидкостях справа буде ще гірше: Таблиця 2 Товщина Х
титану, що стирається за 1
світловий рік шляху Як видно, при v/c
>0.1
екран повинен мати неприйнятну товщину (десятки і сотні метрів) і масу (сотні тисяч тонн). Власне, тоді зореліт складатиметься в основному з цього екрану та палива, якого знадобиться кілька мільйонів тонн. З цих обставин польоти на таких швидкостях неможливі. Розглянута абразивна дія космічного пилу насправді не вичерпує всього спектра впливів, яким зазнає зореліт під час міжзоряного польоту. Очевидно, що в міжзоряному просторі є не тільки порошинки, а й тіла інших розмірів і мас, проте астрономи не можуть безпосередньо спостерігати їх через те, що хоча їх розміри більші, але самі їх менші, так що вони не дають відчутного внеску в поглинання світла зірок (розглянуті раніше порошинки мають розмір порядку довжини хвилі видимого світла і тому його сильно поглинають і розсіюють, і їх досить багато, тому астрономи в основному їх і спостерігають). Ф( М)=Ф(1)/ M 1.1
Найбільш достовірні результати з цього питання отримані за вимірами мікрократерів, що утворилися на поверхнях космічних апаратів (стор.195), вони теж дають k=1.1
в інтервалі мас від 10 -6
до 10 5
р. Для менших мас залишається припускати, що це розподіл виконується й них. Для величини потоку частинок масивніше 1
г різні виміри дають значення 10 -15
1) 2·10 -14 1/м 2 з, і оскільки величина потоку пов'язана з просторовою щільністю тіл співвідношенням Ф=rv
, то звідси можна виявити, що концентрація в космосі тіл з масою більше М
дається формулою r( М)=r 1 /М 1.1
де параметр r 1
можна знайти прийнявши середню швидкість спорадичних метеорних частинок рівної v=15
км/с (як видно з вимірювань П.Миллмана), тоді r 1 =Ф(1)/vвиходить рівною в середньому 5·10 -25 1/см 3. Бібліографія 1. Новіков І.Д. Теорія відносності та міжзоряні перельоти - М.: Знання, 1960
Іван Олександрович Корзніков
Реальності міжзоряних польотів
Відстань між зірками настільки велика, що світло від однієї зірки до іншої поширюється роками, а воно рухається з дуже великою швидкістю з
=299 793 458
м/с. Для вимірювання цих відстаней астрономи використовують спеціальну одиницю - світловий рік, вона дорівнює відстані, яка проходить світло за 1
рік: 1
св. рік = 9.46·10 15метрів (це приблизно в 600
разів більше за розміри сонячної системи). Астрономи підрахували, що у сфері радіусом 21.2
світлових років навколо Сонця є 100
зірок, що входять до 72
зіркові системи (подвійні, потрійні та ін. системи близьких зірок). Звідси легко знайти, що на одну зіркову систему в середньому припадає обсяг простору 539
кубічних світлових років, а середня відстань між зірковими системами становить приблизно 8.13
світлових років. Реальна відстань може бути і меншою - так, до найближчої до Сонця зірки Проксима Центавра 4.35
св. л, але у разі міжзоряний переліт є подолання відстані по крайнього заходу кілька світових років. А це означає, що швидкість зорельота має бути не меншою, ніж 0.1
з – тоді переліт займе кілька десятків років і може бути здійснений одним поколінням астронавтів.
Таким чином, швидкість зорельоту має бути більшою 30 000
км/с. Для земної техніки це поки що недосяжна величина - ми ледь освоїли швидкості в тисячу разів менше. Але припустимо, що всі технічні проблеми вирішені, і наш зореліт має двигун (фотонний або будь-який інший), здатний розігнати космічний корабель до таких швидкостей. Нас не цікавлять деталі його устрою та функціонування, для нас тут важлива лише одна обставина: сучасна наука знає лише один спосіб розгону в космічному просторі – реактивний рух, який ґрунтується на виконанні закону збереження імпульсу системи тіл. І важливо тут те, що за такого руху зореліт (і будь-яке інше тіло) саме переміщається у просторі, фізично взаємодіючи з усім, що в ньому знаходиться.
Фантасти у своїх фантазіях вигадали різноманітні "гіперпросторові стрибки" і "субпросторові переходи" від однієї точки простору до іншої, минаючи проміжні області простору, але все це, за уявленнями сучасної науки, не має жодних шансів на здійснення в реальності. Сучасна наука твердо встановила, що в природі виконуються певні закони збереження: закон збереження імпульсу, енергії, заряду і т.д. ці закони не виконуються. З погляду сучасної науки це означає, що такий процес не може бути здійснений. Та й головне - незрозуміло, що це взагалі таке, це "гіперпростір" або "субпростір", потрапивши до якого фізичне тіло перестає взаємодіяти з тілами в реальному просторі. У реальному світі існує лише те, що себе проявляє у взаємодії з іншими тілами (власне, простір і є відношення існуючих тіл), і це означає, що таке тіло фактично перестане існувати з усіма наслідками, що випливають. Отже, все це - безплідні фантазії, які не можуть бути предметом серйозного обговорення.
Отже, припустимо, що наявний реактивний двигун розігнав зореліт до необхідної нам субсвітлової швидкості, і він із цією швидкістю переміщається в космічному просторі від однієї зірки до іншої. Деякі аспекти такого польоту вже давно обговорюються вченими, але вони розглядають в основному різні релятивістські ефекти такого руху, не звертаючи уваги на інші суттєві аспекти міжзоряного польоту. А реальність така, що космічний простір - не абсолютна порожнеча, воно є фізичним середовищем, яке прийнято називати міжзоряним середовищем. У ній є атоми, молекули, порошинки та інші фізичні тіла. І з усіма цими тілами зорельоту доведеться фізично взаємодіяти, що при русі з такими швидкостями перетворюється на проблему. Розглянемо цю проблему докладніше.
Астрономи, спостерігаючи радіовипромінювання з космічної середовища проходження через неї світла знайшли, що у космічному просторі є атоми і молекули газів: переважно це атоми водню Н
, молекули водню Н 2
(їх за кількістю приблизно стільки ж, як і атомів Н
), атоми гелію Не
(їх у 6
разів менше, ніж атомів Н
), та атоми інших елементів (найбільше вуглецю С, кисню Про
та азоту N
), які у сумі становлять близько 1
% всіх атомів. Виявлено навіть такі складні молекули, як СО 2 , СН 4 , НСN , Н 2 Про, NH 3 , НСООН
та інші, але в мізерних кількостях (їх у мільярди разів менше, ніж атомів Н
). Концентрація міжзоряного газу дуже мала і становить (далеко від газопилових хмар) у середньому 0,5-0,7
атомів на 1
см 3 .
Зрозуміло, що при русі зорельоту в такому середовищі цей міжзоряний газ чинитиме опір, гальмуючи зореліт і руйнуючи його оболонки. Тому було запропоновано звернути шкоду на користь та створити прямоточний реактивний двигун, який, збираючи міжзоряний газ (а він на 94
% складається з водню) і анігілюючи його із запасами антиречовини на борту, отримував би таким чином енергію для руху зорельоту. За проектом авторів попереду зорельоту має знаходитися іонізуюче джерело (що створює електронний або фотонний промінь, що іонізує налітаючі атоми) і магнітна котушка, що фокусує протони до осі зорельоту, де вони використовуються для створення фотонного реактивного струменя.
На жаль, при детальному розгляді виявляється, що цей проект неможливий. Насамперед, іонізуючий промінь не може бути електронним (як наполягають автори) з тієї простої причини, що зореліт, що випускає електрони, сам заряджатиметься позитивним зарядом, і рано чи пізно поля, створювані цим зарядом, порушать роботу систем зорельоту. Якщо ж використовувати фотонний промінь, то тоді (втім, як і для електронного променя) справа впирається у маленький перетин фотоіонізації атомів. Проблема в тому, що ймовірність іонізації атома фотоном дуже мала (тому повітря не іонізується потужними променями лазерів). Кількісно вона виражається перетином іонізації, який чисельно дорівнює відношенню числа іонізованих атомів до щільності потоку фотонів (числу фотонів, що налетіли на 1
см 2 за секунду). Фотоіонізація атомів водню починається за енергії фотонів 13.6
електронвольт = 2.18 · 10 -18Дж (довжина хвилі 91.2
нм), і при цій енергії перетин фотоіонізації максимально і дорівнює 6.3 · 10 -18см 2 (стр.410). Це означає, що для іонізації одного атома водню потрібно в середньому 1.6·10 17фотонів на 2 см за секунду. Тому потужність такого іонізуючого променя має бути гігантською: якщо зореліт рухається зі швидкістю v
то за 1
секунду на 1
см 2 його поверхні налітає rv
зустрічних атомів, де r
- Концентрація атомів, що в нашому випадку навколосвітнього руху складе величину порядку rv=0.7 · 3 · 10 10 = 2 · 10 10атомів на секунду на 1
см 2 . Отже, потік іонізуючих фотонів має бути не меншим n= 2 · 10 10 / 6.3 · 10 -18 = 3 · 10 27 1/см 2 ·с. Енергія, яку несе такий потік фотонів дорівнюватиме е= 2.18 · 10 -18 · 3 · 10 27 = 6,5 · 10 9Дж/см 2 ·с.
До того ж, крім атомів водню, на зореліт налітатиме стільки ж молекул Н 2
, а їх іонізація відбувається за енергії фотонів 15.4
ев (довжина хвилі 80.4
нм). Це вимагатиме збільшення потужності потоку приблизно вдвічі, і повна потужність потоку має бути е= 1.3 · 10 10Дж/см 2 . Для порівняння можна вказати, що потік енергії фотонів на поверхні Сонця дорівнює 6.2·10 3Дж/см 2 ·с, тобто зореліт повинен світити в два мільйони разів яскравіше за Сонце.
Оскільки енергія та імпульс фотона пов'язані співвідношенням Е = рс
, то цей потік фотонів матиме імпульс р=еS/с
де S
- площа масозабірника (порядку 1000
м 2), що становитиме 1.3 · 10 10 · 10 7 / 3 · 10 8 = 4.3 · 10 8Кг·м/с, і цей імпульс спрямований проти швидкості та гальмує зореліт. Фактично виходить, що попереду зорельота стоїть фотонний двигун і штовхає його у зворотному напрямку - ясно, що такий тяги далеко не відлетить.
Таким чином, іонізація частинок, що налітають, занадто накладна, а іншого способу концентрації міжзоряних газів сучасна наука не знає. Але навіть якщо такий спосіб буде знайдено, то прямоточний двигун все одно себе не виправдає: ще Зенгер показав (стр.112), що величина тяги фотонно-реактивного двигуна прямоточного двигуна мізерна і він не може бути використаний для розгону ракети з високим прискоренням. Справді, повний приплив маси часток, що набігають (в основному атомів і молекул водню) складе dm=3m p Srv=3 · 1.67 · 10 -27 · 10 7 · 2 · 10 10 = 10 -9Кг/с. При анігіляції ця маса виділятиме максимум W=mc 2 = 9 · 10 7Дж/с, і якщо вся ця енергія піде на формування фотонного реактивного струменя, то приріст імпульсу зорельоту за секунду складатиме dр = W / c= 9 · 10 7 / 3 · 10 8 = 0.3Кг·м/с, що відповідає тязі 0.3
Ньютона. Приблизно з такою силою тисне на землю маленька мишка і виходить, що гора народила мишу. Тому конструювання прямоточних двигунів для міжзоряних польотів немає сенсу.
При таких швидкостях починають сильно проявлятися релятивістські ефекти, і кінетична енергія тіла у релятивістській області визначається виразом
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
Мабуть, найкращим матеріалом для екрану є титан (через його невелику щільність та фізичні характеристики), для нього d=4.5
г/см 3 а Q=315
КДж/Кг, що дає
. . .
v/c
E
dмм
Xм
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
Але про тіла в далекому космосі можна отримати уявлення по тім тілам, які ми спостерігаємо в сонячній системі, в тому числі поблизу Землі. Адже, як показують виміри, сонячна система рухається щодо сусідніх зірок приблизно у напрямку Веги зі швидкістю 15.5
км/с, отже, вона кожну секунду замітає дедалі нові обсяги космічного простору разом із вмістом. Звичайно, не все поблизу Сонця прийшло ззовні, багато тіла спочатку є елементами сонячної системи (планети, астероїди, багато метеорних потоків). Але астрономи не раз спостерігали, наприклад, політ деяких комет, які прилетіли з міжзоряного простору і туди ж відлетіли. Отже, там є й дуже великі тіла (масою в мільйони й мільярди тонн), але вони трапляються дуже рідко. Зрозуміло, що там можуть зустрітися тіла практично будь-яких мас, але з різною імовірністю. І щоб оцінити ймовірність зустрічі з різними тілами в міжзоряному просторі, нам потрібно знайти розподіл таких тіл за масами.
Насамперед потрібно знати, що відбувається з тілами, коли вони знаходяться в сонячній системі. Це питання добре вивчено астрофізиками, і вони виявили, що час життя не надто великих тіл у сонячній системі дуже обмежений. Так, дрібні частинки та порошинки з масами менше 10 -12
г просто виштовхуються за межі сонячної системи потоками світла та протонів від Сонця (що видно по хвостах комет). Для більших частинок результат виявляється зворотним: у результаті так званого ефекту Пойнтінга-Робертсона вони падають на Сонце, поступово опускаючись до нього по спіралі за кілька десятків тисяч років.
Це означає, що спорадичні частинки і мікрометеорити (що не належать до її власних метеорних потоків), що спостерігаються в сонячній системі, потрапили в неї з навколишнього космосу, так як її власні частки такого типу давно зникли. Тому шукану залежність можна знайти за спостереженнями спорадичних частинок у сонячній системі. Такі спостереження давно ведуться, і дослідники дійшли висновку (,), що закон розподілу космічних тіл за масами має вигляд N(M)=N 0 /M i
Безпосередні виміри для спорадичних метеорів в інтервалі мас від 10 -3
до 10 2
г (,стр.127) дають для щільності потоку метеорів з більшою масою М
грам залежність
З отриманого розподілу можна знайти, що концентрація частинок, маси яких більші 0.1
г у середньому дорівнює r(0.1)=r 1· (10) · 1.1 = 6.29 · 10 -24 1/см 3 а це означає, що на шляху в 1
світловий рік зореліт зустріне на 1
см 2 поверхні n=rs= 5.9 · 10 -6таких частинок, що за загальної площі S=100
м 2 = 10 6
см 2 складе не менше 5
частинок масивніше 0.1
г на весь поперечний переріз зорельоту. А кожна така частка при v=0.1
c має енергію більше 4.53·10 10Дж, що еквівалентно кумулятивному вибуху 11
тонн тротилу. Навіть якщо екран таке витримає, то далі станеться ось що: оскільки навряд чи частка ударить точно в центр екрану, то в момент вибуху з'явиться сила, що повертає зореліт навколо центру мас. Вона, по-перше, злегка змінить напрямок польоту, а, по-друге, поверне зореліт, підставивши його бік зустрічному потоку частинок. І зореліт буде швидко іскромсаний ними, а якщо на його борту є запаси антиречовини, то все завершиться серією анігіляційних вибухів (або одним великим вибухом).
Деякі автори висловлюють надію, що від небезпечного метеорита можна ухилитися. Подивимося, як це виглядатиме на субсвітловій швидкості v=0.1
c. Метеорит вагою 0.1
г має розмір близько 2
мм та енергію, еквівалентну 10.9
тонн тротилу. Потрапляння його в зореліт призведе до фатального вибуху і доведеться від нього ухилятися. Припустимо, що радар зорельоту здатний виявити такий метеорит на відстані х=1000
км - хоча незрозуміло, як це буде здійснюватися, тому що з одного боку, радар повинен знаходитися перед екраном, щоб виконувати свою функцію, а з іншого боку - за екраном, щоб не бути знищеним потоком частинок, що набігають.
Але припустимо, тоді за час t = x/v = 0.03
секунди зореліт повинен зреагувати та відхилитися на відстань у= 5
м (вважаючи діаметр зорельоту 10
метрів). Це означає, що він має придбати у поперечному напрямку швидкість u=y/t
- знову ж таки за час t
, тобто його прискорення має бути не менше a=y/t 2
= 150
м/с 2 . Це прискорення в 15
раз більше нормального, і його не витримає ніхто з екіпажу, та й багато приладів зорельоту. І якщо маса зорельоту становить близько 50 000
тонн, то для цього буде потрібна сила F=am= 7.5 · 10 9Ньютон. Таку силу на час у тисячні частки секунди можна отримати тільки зробивши на зорельоті потужний вибух: при хімічному вибуху виходить тиск порядку 10 5
атмосфер = 10 10
Ньютон/м 2 і воно буде здатне згорнути зореліт убік. Тобто щоб ухилитися від вибуху потрібно зореліт підірвати...
Таким чином, якщо і вдасться розігнати зореліт до субсвітлової швидкості, то до кінцевої мети він не долетить – надто багато перешкод зустрінеться йому на шляху. Тому міжзоряні перельоти можуть здійснюватися лише з значно меншими швидкостями, порядку 0.01
з і менше. Це означає, що колонізація інших світів може відбуватися повільними темпами, оскільки кожен переліт займатиме сотні і тисячі років, і для цього потрібно буде посилати до інших зірок великі колонії людей, здатні існувати та розвиватися самостійно. Для такої мети може підійти невеликий астероїд з водню, що змерзся: всередині нього можна влаштувати місто відповідних розмірів, де житимуть астронавти, а сам матеріал астероїда буде використовуватися як паливо для термоядерної енергетичної установки і двигуна. Інших шляхів освоєння далекого космосу сучасна наука запропонувати неспроможна.
У всьому цьому є лише один позитивний аспект: вторгнення полчищ агресивних інопланетян на Землю не загрожує - це надто складна справа. Але зворотний бік медалі полягає в тому, що і дістатися світів, де є "брати по розуму" не вдасться протягом найближчих кількох десятків тисяч років. Тому найбільш швидким способом виявлення інопланетян є встановлення зв'язків за допомогою радіосигналів або інших сигналів.
__________________________________________________
[ Зміст ]
2. Перельман Р.Г. Цілі та шляхи освоєння космосу - М.: Наука, 1967
3. Перельман Р.Г. Двигуни галактичних кораблів - М.: вид. АН СРСР,1962
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.І. Зовнішні ресурси та космонавтика - М.: Атоміздат, 1976
5. Зенгер Е., До механіки фотонних ракет – М.: вид. Іноземної літератури, 1958
6. Закіров У.М. Механіка релятивістських космічних польотів - М.: Наука, 1984
7. Аллен К.У. Астрофізичні величини - М.: Світ, 1977
8. Мартинов Д.Я. Курс загальної астрофізики - М.: Наука, 1971
9. Фізичні величини (Довідник) - М.: Вища школа, 1991
10. Бурдаков В.П., Зігель Ф.Ю. Фізичні основи космонавтики (фізика космосу) - М.: Атоміздат, 1974
11. Спітцер Л. Простір між зірками - М: Мир,1986.
12. Лебединець В.М. Аерозоль у верхній атмосфері та космічний пил - Л.: Гідрометеоіздат,1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеори та його спостереження - М.:Наука,1987
14. Акішин А.І., Новіков Л.С. Вплив довкілля матеріали космічних апаратів - М.:Знание,1983
Оптимізовано під Internet Explorer 1024X768
середній розмір шрифту
Дизайн A Semenov
Вчені говорять про те, що людство маленькими кроками просувається до майбутнього, в якому польоти з однієї планетної системи в іншу стануть реальністю. За останніми оцінками фахівців таке майбутнє може настати протягом одного чи двох століть, якщо науковий прогрес не тупцюватиме на місці. Свого часу тільки за допомогою надпотужного телескопа «Кеплер» астрономи змогли виявити 54 екзопланети, що потенційно живуть. Всі ці далекі від нас світи розташовуються в так званій зоні, що живе, на певному віддаленні від центральної зірки, що дозволяє підтримувати на планеті воду в рідкому стані.
При цьому отримати відповідь на найголовніше питання – чи самі ми у Всесвіті – досить важко. Через дуже великі відстані, які поділяють Сонячну систему та наших найближчих сусідів. Наприклад, одна з «перспективних» планет Gliese 581g розташовується на віддаленні в 20 світлових років, що досить близько за мірками космосу, але поки дуже далеко для звичайних земних технологій. Величезна кількість екзопланет в радіусі 100 і менше світлових років від нашої рідної планети і дуже великий науковий і навіть цивілізаційний інтерес, які вони представляють для всього людства, змушують зовсім по-новому дивитися на досі фантастичну ідею здійснення міжзоряних перельотів.
Головним завданням, яке сьогодні стоїть перед космологами та інженерами, є створення принципово нового двигуна, який дозволив би землянам долати величезні космічні відстані за порівняно невеликий час. При цьому про здійснення міжгалактичних перельотів поки що, безумовно, не йдеться. Для початку людство могло б дослідити нашу рідну галактику – Чумацький шлях.
Чумацький шлях складається з великої кількості зірок, довкола яких обертаються планети. Найближча до Сонця зірка зветься Альфа Центавра. Ця зірка віддалена від Землі на 4,3 світлових років або 40 трильйонів кілометрів. Якщо припустити, що ракета зі звичайним двигуном вилетить із нашої планети сьогодні, то вона зможе подолати цю відстань лише через 40 тисяч років! Звичайно, така космічна місія виглядає повним абсурдом. Марк Мілліс, колишній глава проекту NASA зі створення новітніх технологій у галузі створення двигунів та засновник фонду Tau Zero, вважає, що людству необхідно довго та методично йти до створення нового типу двигуна. У наші дні існує вже безліч теорій щодо того, яким буде цей двигун, але яка з теорій спрацює, ми не знаємо. Тому Мілліс вважає безглуздим наголошувати тільки на одній якійсь технології.
Сьогодні вчені дійшли висновку, що космічні кораблі майбутнього зможуть літати за допомогою використання термоядерного двигуна, сонячного вітрила, двигуна на антиматерії або двигуна викривлення простору-часу (або варп-двигуна, який добре відомий шанувальникам серіалу Star Trek). Останній двигун у теорії повинен зробити можливими польоти швидше за швидкість світла, а значить, і невеликі подорожі в часі.
При цьому всі перелічені технології тільки описані, як їх реалізувати на практиці поки що не знає ніхто. З цієї ж причини немає ясності, яка саме технологія подає найбільше надій на реалізацію. Щоправда кілька сонячних вітрил вже встигло злітати в космос, але для здійснення пілотованої місії міжзоряних перельотів знадобиться величезне вітрило розмірами з Архангельську область. Принцип роботи сонячного вітрила практично не відрізняється від вітряного, тільки замість потоків повітря він ловить надфокусовані промені світла, що випускаються потужною лазерною установкою, що обертається навколо Землі.
Марк Мілліс у прес-релізі свого фонду Tau Zero говорить про те, що правда знаходиться десь посередині між вже майже звичними нам сонячними вітрилами та зовсім фантастичними розробками на зразок варп-двигуна. «Необхідно проводити наукові відкриття і повільно, але чітко рухатися до наміченої мети. Чим більше людей ми зможемо зацікавити, тим більших обсягів фінансування залучимо, саме фінансування нині катастрофічно не вистачає», – каже Мілліс. Марк Мілліс вважає, що фінансування для великих проектів потрібно збирати по крихтах, не розраховуючи, що хтось несподівано вкладе цілий стан у реалізацію амбітних планів учених.
Сьогодні по всьому світу знайдеться безліч ентузіастів, які вірять і впевнені в тому, що майбутнє треба будувати вже зараз. Річард Обузі, який є президентом та співзасновником компанії Icarus Interstellar, зазначає: «Міжзоряні перельоти – це міжнародна ініціатива багатьох поколінь людей, яка потребує величезних інтелектуальних та фінансових витрат. Вже в наші дні ми повинні ініціювати необхідні програми для того, щоб через сотню років людство змогло вирватися за межі нашої Сонячної системи».
У серпні поточного року компанія Icarus Interstellar має намір провести наукову конференцію Starship Congress, на якій провідні світові експерти в цій галузі обговорять не лише можливості, а й наслідки міжзоряних польотів. Організатори зазначають, що на конференції буде організовано і практичну частину, на якій будуть розглянуті як короткострокові, так і довгострокові перспективи освоєння далекого космосу людиною.
Варто зазначити, що подібні космічні подорожі вимагають витрат колосальної кількості енергії, про які людство навіть не думає. У той же час неправильне використання енергії може завдати непоправної шкоди як Землі, так і тим планетам, на поверхню яких людина захоче висадитися. Незважаючи на всі невирішені проблеми та перешкоди і Обузі, і Мілліс вважають, що людська цивілізація має всі шанси для того, щоб залишити межі своєї «колиски». Безцінні дані про екзопланети, зіркові системи та інопланетні світи, які були зібрані космічними обсерваторіями «Гершель» та «Кеплер», допоможуть вченими у ретельному складанні планів польотів.
На сьогоднішній день відкрито та підтверджено існування близько 850 екзопланет, багато з яких – це суперземлі, тобто планети, які мають масу, яка можна порівняти з земною. Фахівці вважають, що недалеко той день, коли астрономи зможуть підтвердити наявність екзопланети, яка як дві краплі води була схожа на нашу власну. У цьому випадку фінансування проектів створення нових ракетних двигунів зросло б у рази. Свою роль у освоєнні космосу має зіграти і видобуток корисних копалин з астероїдів, що зараз звучить не так незвично, як самі міжзоряні польоти. Людство має навчитися використовувати ресурси не лише Землі, а й усієї Сонячної системи, вважають експерти.
До проблеми міжзоряних перельотів підключилися вчені та інженери з американської космічної агенції NASA, а також агенції з перспективних оборонних науково-дослідних розробок США – DARPA. Вони готові об'єднати свої зусилля в рамках реалізації проекту «100 років Starship», при цьому це навіть не проект, а проект проекту. "100-year Starship" - це космічний корабель, який зміг би виконувати міжзоряні перельоти. Завдання сьогоднішнього етапу досліджень – це створення «суми технологій», які необхідні для того, щоб міжзоряні перельоти перетворилися на реальність. Крім цього, створюється бізнес-модель, яка б дозволила залучити в проект інвестиції.
За словами Павла Єрьоменка, який є прес-секретарем DARPA, даному проекту будуть потрібні «стабільні інвестиції у фінансовий та інтелектуальний капітал» з різних джерел. Також Єрьоменко наголосив, що мета проекту «100-year Starship» – не лише розробка та подальше будівництво зорельоту. «Ми докладаємо всіх можливих зусиль, щоб спонукати інтерес кількох поколінь до інновацій та відкриттів проривних технологій у багатьох дисциплінах».
Фахівці агентства DARPA сподіваються, що результати, які будуть отримані під час роботи над цим проектом, зможуть бути використані міністерством оборони США у різних галузях, таких як системи життєзабезпечення, енергетика, обчислювальна техніка.
Джерела інформації:
-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 читач Микита Агєєв запитує: у чому основна проблема міжзоряних перельотів? Відповідь, як і , вимагатиме великої статті, хоча на запитання можна відповісти і єдиним символом: c .
Швидкість світла у вакуумі, c дорівнює приблизно трьомстам тисяч кілометрів на секунду, і перевищити її неможливо. Отже, не можна й дістатися зірок швидше, ніж за кілька років (світло йде 4,243 року до Проксіми Центавра, так що космічний корабель не зможе прибути ще швидше). Якщо додати час на розгін та гальмування з більш-менш прийнятним для людини прискоренням, то вийде близько десяти років до найближчої зірки.
У яких умовах летіти?
І цей термін вже суттєва перешкода сама по собі, навіть якщо відволіктися від питання «як розігнатися до швидкості, близької до швидкості світла». Зараз немає космічних кораблів, які дозволяли б екіпажу автономно жити в космосі стільки часу — космонавтам постійно привозять свіжі припаси із Землі. Зазвичай розмову про проблеми міжзоряних перельотів починають із більш фундаментальних питань, але ми почнемо із суто прикладних проблем.
Навіть через півстоліття після польоту Гагаріна інженери не змогли створити для космічних кораблів пральну машину і досить практичний душ, а туалети, що розраховані на умови невагомості, ламаються на МКС із завидною регулярністю. Переліт хоча б до Марса (22 світлові хвилини замість 4 світлових років) вже ставить перед конструкторами сантехніки нетривіальне завдання: так що для подорожі до зірок потрібно якнайменше винайти космічний унітаз із двадцятирічною гарантією і таку ж пральну машину.
Воду для прання, миття та пиття теж доведеться або брати із собою, або використати повторно. Так само як повітря, та й їжу теж необхідно або запасати, або вирощувати на борту. Експерименти зі створення замкнутої екосистеми на Землі вже проводилися, проте їх умови все ж таки сильно відрізнялися від космічних хоча б наявністю гравітації. Людство вміє перетворювати вміст нічного горщика на чисту питну воду, але в даному випадку потрібно зробити це в невагомості, з абсолютною надійністю і без вантажівки витратних матеріалів: брати до зірок вантажівку картриджів для фільтрів занадто накладно.
Прання шкарпеток і захист від кишкових інфекцій можуть здатися надто банальними, «нефізичними» обмеженнями на міжзоряні польоти – проте будь-який досвідчений мандрівник підтвердить, що «дрібниці» на кшталт незручного взуття чи розлади шлунка від незнайомої їжі в автономній експедиції можуть призвести до загрози життю.
Вирішення навіть елементарних побутових проблем вимагає такої ж серйозної технологічної бази, як і розробка нових космічних двигунів. Якщо Землі зношену прокладку в бачку унітазу можна купити в найближчому магазині за два рублі, то вже на марсіанському кораблі потрібно передбачити або запас всіхподібних деталей або тривимірний принтер для виробництва запчастин з універсальної пластикової сировини.
У ВМС США в 2013 році всерйоззайнялися тривимірною печаткою після того, як оцінили витрати часу та коштів на ремонт бойової техніки традиційними методами у польових умовах. Військові вирішили, що надрукувати якусь рідкісну прокладку для знятого з виробництва десять років тому вузла вертольота простіше, ніж замовити деталь зі складу на іншому материку.
Один із найближчих соратників Корольова, Борис Чорток, писав у своїх мемуарах «Ракети та люди» про те, що у певний момент радянська космічна програма зіткнулася з нестачею штепсельних контактів. Надійні з'єднувачі для багатожильних кабелів довелося розробляти окремо.
Окрім запчастин для техніки, їжі, води та повітря космонавтам буде потрібна енергія. Енергія буде потрібна двигуну та бортовому устаткуванню, так що окремо доведеться вирішити проблему з потужним та надійним її джерелом. Сонячні батареї не годяться хоча б через віддаленість від світил у польоті, радіоізотопні генератори (вони живлять «Вояджери» та «Нові горизонти») не дають необхідної для великого пілотованого корабля потужності, а повноцінні ядерні реактори для космосу досі робити не навчилися.
Радянська програма зі створення супутників з ядерною енергоустановкою була затьмарена міжнародним скандалом після падіння апарату «Космос-954» у Канаді, а також низкою відмов із менш драматичними наслідками; аналогічні роботи у США згорнули ще раніше. Наразі створенням космічної ядерної енергоустановки мають намір зайнятися в Росатомі та Роскосмосі, але це все-таки установки для ближніх перельотів, а не багаторічного шляху до іншої зіркової системи.
Можливо, замість ядерного реактора у майбутніх міжзоряних кораблях знайдуть застосування токамаки. Про те, наскільки складно хоча б правильно визначити параметри термоядерної плазми, у МФТІ цього літа. До речі, проект ITER на Землі успішно просувається: навіть ті, хто вступив на перший курс, сьогодні можуть долучитися до роботи над першим експериментальним термоядерним реактором з позитивним енергетичним балансом.
На чому летіти?
Для розгону та гальмування міжзоряного корабля звичайні ракетні двигуни не годяться. Знайомі з курсом механіки, який читають у МФТІ у першому семестрі, можуть самостійно розрахувати те, скільки палива знадобиться ракеті для набору хоча б ста тисяч кілометрів на секунду. Для тих, хто ще не знайомий з рівнянням Ціолковського, відразу озвучимо результат - маса паливних баків виходить суттєво вище за масу Сонячної системи.
Зменшити запас палива можна за рахунок підвищення швидкості, з якою двигун викидає робоче тіло, газ, плазму або ще щось, аж до пучка елементарних частинок. В даний час для перельотів автоматичних міжпланетних станцій у межах Сонячної системи або для корекції орбіти геостаціонарних супутників активно використовують плазмові та іонні двигуни, але вони мають ряд інших недоліків. Зокрема, всі такі двигуни дають занадто малу тягу, ними поки що не можна надати кораблю прискорення кілька метрів на секунду в квадраті.
Проректор МФТІ Олег Горшков - один із визнаних експертів у галузі плазмових двигунів. Двигуни серії СПД - виробляють в ОКБ «Смолоскип», це серійні вироби для корекції орбіти супутників зв'язку.
У 1950-ті роки розроблявся проект двигуна, який би використав імпульс ядерного вибуху (проект Orion), але й він далекий від того, щоб стати готовим рішенням для міжзоряних польотів. Ще менш опрацьовано проект двигуна, який використовує магнітогідродинамічний ефект, тобто розганяється за рахунок взаємодії з міжзоряною плазмою. Теоретично, космічний корабель міг би «засмоктувати» плазму всередину і викидати її назад із створенням реактивної тяги, але виникає ще одна проблема.
Як вижити?
Міжзоряна плазма – це насамперед протони та ядра гелію, якщо розглядати важкі частинки. При русі зі швидкостями близько сотні тисяч кілометрів на секунду всі ці частки набувають енергії в мегаелектронвольти або навіть десятки мегаелектронвольт - стільки ж, скільки мають продукти ядерних реакцій. Щільність міжзоряного середовища становить близько ста тисяч іонів на кубічний метр, а це означає, що за секунду квадратний метр обшивки корабля отримає близько 1013 протонів з енергіями в десятки МеВ.
Один електронвольт, еВ,― це енергія, яку набуває електрон при прольоті від одного електрода до іншого з різницею потенціалів в один вольт. Таку енергію мають кванти світла, а кванти ультрафіолету з більшою енергією вже здатні пошкодити молекули ДНК. Випромінювання або частинки з енергіями в мегаелектронвольти супроводжує ядерні реакції і, крім того, саме здатне викликати їх.
Подібне опромінення відповідає поглиненій енергії (припущення, що вся енергія поглинається обшивкою) в десятки джоулів. Причому ця енергія прийде не просто у вигляді тепла, а може частково піти на ініціацію в матеріалі корабля ядерних реакцій з утворенням ізотопів, що короткоживуть: простіше кажучи, обшивка стане радіоактивною.
Частину протонів і ядер гелію, що налітають, можна відхиляти в бік магнітним полем, від наведеної радіації і вторинного випромінювання можна захищатися складною оболонкою з багатьох шарів, проте ці проблеми теж поки не мають вирішення. Крім того, принципові складності виду «який матеріал найменше руйнуватиметься при опроміненні» на стадії обслуговування корабля в польоті перейдуть у приватні проблеми - «як відкрутити чотири болти на 25 у відсіку з тлом у п'ятдесят мілізівертів на годину».
Нагадаємо, що при останньому ремонті телескопа «Хаббл» астронавтам спочатку не вдалося відкрутити чотири болти, які кріпили одну з фотокамер. Порадившись із Землею, вони замінили ключ з обмеженням моменту, що крутить, на звичайний і доклали грубу фізичну силу. Болти рушили з місця, камеру успішно замінили. Якби прикипілий болт при цьому зірвали, друга експедиція коштувала б півмільярда доларів США. Або зовсім не відбулася.
Чи немає обхідних шляхів?
У науковій фантастиці (часто фантастичнішій, ніж науковій) міжзоряні перельоти відбуваються через «підпросторові тунелі». Формально, рівняння Ейнштейна, що описують геометрію простору-часу залежно від розподілених у цьому просторі-часу маси та енергії, справді припускають щось подібне - ось тільки передбачувані витрати енергії пригнічують ще більше, ніж оцінки кількості ракетного палива для польоту до Проксіми Центавра. Мало того, що енергії потрібно дуже багато, то ще й щільність енергії має бути негативною.
Питання про те, чи не можна створити стабільну, велику та енергетично можливу «кротову нору» - прив'язане до фундаментальних питань щодо влаштування Всесвіту в цілому. Однією з невирішених фізичних проблем є відсутність гравітації в так званій Стандартній моделі – теорії, яка описує поведінку елементарних частинок та три з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Абсолютна більшість фізиків досить скептично ставиться до того, що в квантовій теорії гравітації знайдеться місце для міжзоряних «стрибків через гіперпростір», але, строго кажучи, спробувати пошукати шлях для польотів до зірок ніхто не забороняє.
