Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?
Изучая данные полученные с телескопа «Кеплер» астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.
Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.
Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.
Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.
Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.
Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.
Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.
Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг
Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 4 и 2 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.
Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млн топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.
Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.
Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?
Полет длинною в жизнь
Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.
Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.
Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри вращающегося обода.
К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.
Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.
В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.
Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.
Замороженный сон
Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.
К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.
Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.
Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.
Полет на водороде
В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.
Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.
К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.
Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.
Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».
Антиматерия в помощь
Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.
Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу.
В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.
Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.
Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.
Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.
Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.
Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.
Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.
Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.
Меньше всего в наше время специалисты обсуждают межзвездные путешествия на космических кораблях. И дело тут не в том, что эта тема набила оскомину, поскольку обсуждалась в деталях в течение столетий (правда, эти детали были из области фантастики). Дело также не в том, что отпала необходимость в межзвездных полетах и мы будем общаться с внеземными цивилизациями только с помощью различных сигналов. Никакими сигналами путешествие в другие миры не заменить. «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Сигналы не дадут нам ни вещественных, осязаемых предметов, ни реальных представителей фауны и флоры. С помощью сигналов мы не сможем установить контакт с цивилизациями, которые к нему технологически еще не готовы. Можно указать и на другие стороны вселенской жизни, которые останутся за бортом, если мы не можем освоить космический транспорт. Так почему же эта проблема сейчас не рассматривается специалистами в практической плоскости? Ответ на этот вопрос очень прост: мы пока не готовы к таким полетам. Это «пока» может длиться еще сотни лет, хотя очень легко ошибиться, предсказывая развитие науки и техники на будущее.
Несмотря на столь неблагоприятное состояние дел с межзвездными перелетами, имеет смысл ознакомиться с самой проблемой. Если мы не хотим находиться в пути миллионы лет (а это абсурдно), то надо обеспечить большую скорость корабля. Скорость, превышающая скорость света, невозможна, скорость света для корабля также нереальна. Поэтому при разных оценках оперируют скоростью, составляющей 10 % от скорости света. Ее называют децисветовой. Сантисветовая скорость в сто раз меньше скорости света.
Широко обсуждался вопрос о течении времени при космических перелетах. Время существенно замедляется. Так, ядро Галактики, которое удалено от нас на расстояние около 30 тысяч световых лет, можно будет достичь за 21 год и даже ближайшей галактики - туманности Андромеды - за 28 лет. Космический корабль в начале полета некоторое время должен ускоряться и перед посадкой соответственно замедляться. Каждый из этих отрезков времени может составить по нескольку лет. Течение времени на покинутой планете, естественно, не замедляется. Поэтому за время путешествия землян к туманности Андромеды и обратно на Земле пройдет более 3 миллионов лет. Хотя это и очень напоминает фантастику, но именно такое число следует из теории относительности А. Эйнштейна, то есть является строго научным результатом.
Очень легко оценить, что должна представлять собой ракета (ее возможности), для того чтобы она смогла достичь децисветовой или сантисветовой скорости. Скорость ракеты V, которой она достигает после выгорания горючего массой М, зависит и от массы ракеты М, и от скорости выброса рабочего вещества ракеты W. Эта зависимость выражается формулой
Мы не можем увеличивать массу горючего, не увеличивая массу ракеты, - ведь горючее приходится грузить на ту же ракету. Правда, можно ракету также дозаправлять в пути, в космосе, но такую возможность мы учтем позднее.
Совершенно ясно, что чем легче ракета, тем проще ее разогнать до большой скорости. Необходимость грузить на ракету большую массу горючего не позволяет сделать ее сколь угодно легкой. Выход один - искать такое горючее, которое было бы очень эффективным в смысле получения энергии. Естественно, можно говорить только о термоядерном горючем. Более эффективного горючего мы пока не знаем, хотя оно наверняка есть. Человек вынужден исходить из того, чем он располагает в настоящее время. Так, в прошлом веке очень серьезно обсуждался проект путешествия на Луну с использованием парового двигателя. Но вернемся к ракетам. Оказалось, что даже использование урана в качестве горючего может позволить развить скорость ракеты только до 1300 км/с. По земным меркам это очень большая скорость, но она в 23 раза меньше скорости света. Использование термоядерного горючего (когда происходит не расщепление ядер, а их синтез) позволит эту скорость несколько увеличить. Но достичь децисветовой скорости все равно не удастся.
Чтобы показать, насколько эта задача технологически сложна, приведем такой пример. На каждый грамм массы должна приходиться мощность 3 миллиона ватт. При этом ускорение ракеты будет равно величине земного ускорения. Сравним эту величину с реально доступной. Так, подводная лодка весом 800 тонн, использующая атомный двигатель, развивает мощность в 15 миллионов ватт. Нам же надо, чтобы эту мощность развивал двигатель весом 5 граммов. Сюда должны включаться все составные части движущейся ракеты (а не только двигатель).
Фотонные ракеты, о которых писали не только фантасты, но и ученые, явно не справятся с задачей межзвездных полетов.
Не так давно было предложено новое решение проблемы создания движителя для межзвездных перелетов. Предлагается не загружать на ракету горючее дома, на Земле, а брать его по мере необходимости прямо в космосе. Таким горючим может служить водород, который содержится в межзвездном пространстве. Ядра водорода можно заставить вступать в термоядерные реакции и так развивать необходимую мощность, не перегружая ракету большим запасом горючего. При этом запаса вообще никакого не надо. Ракета засасывает из окружающего пространства межзвездный водород, использует его и отработанное рабочее вещество выбрасывает. Все в этом проекте было бы отлично, только имеется одно «но»: плотность межзвездного водорода очень мала, в каждом кубическом сантиметре имеется всего примерно по одному атому водорода. Это глубочайший вакуум, которого мы никогда не достигнем на Земле в самых хитроумных вакуумных насосах! Для того, чтобы набрать необходимое количество водорода, надо процедить огромные объемы вокруг ракеты. Расчеты показывают, что для того, чтобы обеспечить себя горючим, ракета должна захватывать водород из окрестностей на расстоянии до 700 километров! Как технически это можно сделать - непонятно. Какие же лопасти надо приделать ракете, чтобы она смогла загребать водород из всего этого пространства? Кроме того, надо иметь в виду, что плотность межзвездного водорода может быть в тысячи раз меньше. Тогда как? Имеются идеи и на этот счет. Одна из них состоит в том, что надо нейтральный водород превратить в электрически заряженные частицы (ионы), а их можно всасывать в ракету с помощью электрических полей. Но это только идея. Как все это осуществить практически - совершенно неясно.
Таким образом, принципиально создать межзвездные корабли можно (никакие законы природы этому не препятствуют), а практически сделать мы это еще не готовы.
Более реально уже в наше время создать автоматическую космическую станцию с задачей достичь ближайших к нам планет других звезд. Такой проект был представлен на Таллинском симпозиуме М.Я. Маровым и У.Н. Закировым. Проведенные ранее У.Н. Закировым расчеты показывают, что представляется возможным вывести контейнер с научной аппаратурой к одной из ближайших звезд. Это должно занять примерно 40–50 лет. Проект предусматривает создание пятиступенчатой ракеты. При этом первые две ступени предназначены для работы на первом участке, пока ракета ускоряется до скорости, составляющей 40 % от скорости света. Еще две ступени точно так же предназначены для осуществления торможения ракеты по мере подхода к цели. Надо иметь в виду, что при столь больших скоростях «тормозной путь» ракеты очень большой. Время торможения ракеты, точно так же, как и время ее ускорения, составит один-два года! Пятую ступень ракеты планируется использовать на последнем этапе полета для маневрирования и обеспечения посадки автоматической станции.
Принципиально новым и очень интересным является предложение авторов проекта не брать на борт станции сразу все горючее, а после использования первой ступени ракеты произвести ее дозаправку в космосе. На первый взгляд это может показаться странным - ведь для этого нам придется послать следом за ракетой (а точнее, одновременно с ней) специальный заправщик. Какой выигрыш от этого возможен? Но оказывается, возможен. Оказывается, если не проводить дозаправку в космосе, то придется первоначальную массу ракетной системы увеличить почти в десять раз! Так что, несмотря на расходы в связи с созданием специального «заправщика», игра стоит свеч. При этом вся система становится вполне реальной. Так, масса контейнера с аппаратурой (полезная нагрузка) составит примерно 450 килограммов; мacca paкeтнoй системы составит примерно 3000 тонн, что вполне реально, так как такие ракеты уже освоены при осуществлении программы освоения Луны. Разбивка массы по пяти ступеням предусматривается следующей: 2780, 293, 44, 8 и 3 тонны.
Осуществление разработанного проекта - дело непростое и недешевое. Возможен еще один вариант: использовать отработанный тритий. Но техническая сторона дела опять же до конца непонятна и, несомненно, непроста.
Что должен делать такой зонд в космосе? Установленная на нем аппаратура должна позволять исследовать межзвездную среду, местоположение планет и физические условия от них. Зонд должен давать возможность обнаруживать сигналы внеземных цивилизаций, анализировать их, выходить на связь с абонентами и т. д. То есть делать все то, что должны делать автоматические зонды в космосе, или, другими словами, зонд должен заниматься «всеми основными видами космической науки». Эти слова принадлежат исследователю проблемы зондов Брейсуэллу.
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
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
Могут ли межзвездные перелеты превратиться из несбыточной мечты в реальную перспективу?
Ученые всего мира говорят, что человечество все дальше продвигается в освоении космоса, появляются все новые открытия и технологии. Однако о межзвездных перелетах людям приходится пока еще только мечтать. Но так ли недостижима и нереальна эта мечта? Чем располагает человечество сегодня и каковы перспективы на будущее?
По оценкам специалистов, если прогресс не застопорится на месте, то на протяжении одного или двух веков, человечество сможет исполнить свою мечту. Сверхмощный телескоп «Кеплер» в свое время позволил астрономам обнаружить 54 экзопланеты, где не исключено развитие жизни, а сегодня уже подтверждено существование 1028 таких планет. Эти планеты, обращающиеся вокруг звезды за пределами Солнечной системы, находятся на таком отдалении от центральной звезды, что на их поверхности возможно поддержание воды в жидком состоянии.
Однако получить ответ на главный вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной — пока невозможно из-за гигантских расстояний до ближайших планетных систем. Множество экзопланет, на расстояние ста и менее световых лет от Земли, а также громадный научный интерес, который они вызывают, заставляют взглянуть на идею межзвездных перелетов совершенно по-иному.
Полет к другим планетам будет зависеть от разработки новых технологий и выбора способа, который необходим для достижения такой далекой цели. А пока выбор еще не сделан.
Для того чтобы земляне смогли преодолевать невероятно огромные космические расстояния, причем за сравнительно короткий срок, инженерам и космологам придется создать принципиально новый двигатель. Говорить о межгалактических перелетах пока рано, но человечество могло бы исследовать – Млечный путь, галактику, в которой находится Земля и Солнечная система.
Галактика Млечный путь насчитывает около 200 – 400 миллиардов звезд, вокруг которых по своим орбитам движутся планеты. Ближе всех к Солнцу находится звезда под названием Альфа Центавра. Расстояние до нее примерно сорок триллионов километров или 4,3 световых года.
Ракете с обычным двигателем придется лететь до нее примерно 40 тысяч лет! Пользуясь формулой Циолковского легко подсчитать, что для того, чтобы разогнать космический аппарат с реактивным двигателем на ракетном топливе до скорости в 10% от скорости света, нужно больше горючего, чем его имеется на всей Земле. Поэтому говорить о космической миссии при современных технологиях, это полный абсурд.
Как считают ученые, будущие космические звездолеты смогут летать с использованием термоядерного ракетного двигателя. Реакция термоядерного синтеза позволяет производить энергию на единицу массы в среднем почти в миллион раз больше, чем при химическом процессе сгорания.
Как раз поэтому в 1970 годах группа инженеров совместно с учеными разработали проект гигантского межзвездного корабля с термоядерной двигательной установкой. Беспилотный космический корабль Дедал предполагалось оборудовать импульсным термоядерным двигателем. Небольшие гранулы должны были вбрасываться в камеру сгорания и воспламеняться пучками мощных электронных лучей. Плазма, как продукт термоядерной реакции, вылетающая из сопла двигателя, придает тяговое усилие кораблю.
Предполагалось, что Дедал должен был лететь к звезде Барнарда, путь до которой составляет шесть световых лет. Громаднейший космический корабль добрался бы до нее за 50 лет. И хотя проект не был осуществлен, до сегодняшнего дня нет более реального технического проекта.
Другим направлением в технологии создания межзвездных кораблей является солнечный парус. Использование солнечного паруса рассматривается сегодня как самый перспективный и реалистичный вариант звездолёта. Превосходство солнечного парусника в том, что на борту не нужно топливо, а это значит, что намного возрастет полезная нагрузка по сравнению с другими космическими кораблями. Уже сегодня существует возможность постройки межзвездного зонда, где давление солнечного ветра будет основным источником энергии корабля.
О серьезности намерений освоения межпланетных полетов говорит проект, который разрабатывается с 2010 года в одной из основных научных лабораторий НАСА. Ученые работают над проектом по подготовке в течение ближайших ста лет пилотируемого полета к другим звездным системам.
Loading...