Насколько реальны межзвездные перелеты кратко

Обновлено: 07.07.2024

Автор статьи подробно рассказывает о четырех перспективных технологиях, дающих людям возможность достигнуть любого места во Вселенной за время одной человеческой жизни. Для сравнения: при использовании современных технологий путь до другой звездной системы займет порядка 100 тысяч лет.

С тех пор, как человек впервые взглянул в ночное небо, мы мечтаем посетить другие миры и увидеть Вселенную. И хотя наши ракеты на химическом топливе уже достигли множества планет, лун и прочих тел Солнечной системы, космический аппарат, удалившийся на самое большое расстояние от Земли, Вояджер 1, преодолел только 22,3 миллиарда километров. Это всего лишь 0,056% расстояния до ближайшей известной нам звездной системы. При использовании современных технологий путь до другой звездной системы займет порядка 100 тысяч лет.

Однако нет никакой необходимости действовать так, как мы делали всегда. Эффективность отправки аппаратов с большой массой полезной нагрузки, даже с людьми на борту, на беспрецедентные расстояния во Вселенной, можно значительно повысить, если использовать правильные технологии. Если говорить точнее, существуют четыре перспективные технологии, способные доставить нас к звездам за гораздо меньший срок. Вот они.

Это в корне ограничивает наши действия! Подавляющее большинство массы атома приходится на его ядро — 99,95%. Когда начинается химическая реакция, вращающиеся вокруг атомов электроны перераспределяются и обычно выделяют в виде энергии около 0,0001% от общей массы атомов, участвующих в реакции, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна: E=mc2. Это значит, что на каждый килограмм массы топлива, которое загружается в ракету, во время реакции вы получаете энергию, эквивалентную примерно 1 миллиграмму.

Однако, если использовать ракеты на ядерном топливе, ситуация будет резко отличаться. Вместо того, чтобы опираться на изменения в конфигурации электронов и связях атомов друг с другом, вы можете высвободить сравнительно огромное количество энергии, влияя на то, как связаны ядра атомов между собой. Когда вы расщепляете атом урана, бомбардируя его нейтронами, он излучает намного больше энергии, чем какая-либо химическая реакция. 1 килограмм урана-235 может выделить количество энергии, эквивалентное 911 миллиграммам массы, что почти в тысячу раз эффективней, чем химическое топливо.

Мы могли бы сделать двигатели еще эффективней, если бы овладели ядерным синтезом. Например, системой инерциального управляемого термоядерного синтеза, с помощью которого можно было бы синтезировать водород в гелий, такая цепная реакция происходит на Солнце. Синтез 1 килограмма водородного топлива в гелий превратит 7,5 килограммов массы в чистую энергию, что почти в 10 тысяч раз эффективней, чем химическое топливо.

Идея в том, чтобы получить одинаковое ускорение для ракеты на значительно больший период времени: в сотни или даже тысячи раз дольше, чем сейчас, что позволило бы развить в сотни или тысячи раз большую скорость, чем обычные ракеты сейчас. Такой метод сократил бы время межзвездного полета до сотен или даже десятков лет. Это перспективная технология, которой мы сможем воспользоваться уже к 2100 году, в зависимости от темпов и направления развития науки.

Конечно, для этого мы должны будем создать огромный пучок лазеров (около 100 км2), и сделать это нужно в космосе, хотя тут больше проблема в стоимости, а не в технологиях или науке. Однако существует ряд проблем, которые нужно преодолеть, чтобы быть способными осуществить такой проект. Среди них:

ничем не поддерживаемый парус будет вращаться, требуется какой-то (неразработанный еще) стабилизирующий механизм;
отсутствие возможности затормозить, когда будет достигнута точка назначения, так как нет никакого топлива на борту;
даже если получится масштабировать аппарат для перевозки людей, человек не сможет выжить при огромном ускорении- значительном перепаде скоростей за короткий промежуток времени.

Возможно, когда-нибудь технологии смогут доставить нас к звездам, но успешного метода, как человеку достичь скорости равной ~20% скорости света, пока не существует.

3). Топливо на основе антиматерии. Если мы все же хотим везти топливо с собой, можно сделать его самым эффективным из возможных: в его основе будет лежать аннигиляция частиц и античастиц. В отличие от химического или ядерного топлива, где только часть имеющейся на борту массы конвертируется в энергию, аннигиляция частиц и античастиц использует 100% массы и частиц, и античастиц. Возможность конвертировать все топливо в энергию, идущую на импульс — высший уровень эффективности топлива.

В применении этого метода на практике по трем основным направлениям возникают трудности. Конкретно:

создание стабильной нейтральной антиматерии;
возможность изолировать ее от обычной материи и точно ее контролировать;
производить антиматерию в достаточно больших количествах, необходимых для межзвездного полета.

К счастью, над первыми двумя проблемами уже работают.

Они изолируют эти антиатомы в емкости с меняющимися электрическим и магнитным полями, которые удерживают их на одном месте на расстоянии от стенок контейнера, сделанного из материи. К настоящему моменту, середина 2020 года, им успешно удалось изолировать и поддержать в стабильности несколько антиатомов на протяжении часа за раз. В течение нескольких следующих лет ученым удастся контролировать перемещения антиматерии в пределах гравитационного поля.

Эта технология не будет доступна нам в ближайшем будущем, но может оказаться, что наш самый быстрый способ межзвездных путешествий — ракета на антиматерии.

4). Звездолет на темной материи. Этот вариант, безусловно, опирается на предположении о том, что какая-либо частица, ответственная за темную материю, ведет себя как бозон и является его собственной античастицей. В теории темная материя, являющаяся собственной античастицей, имеет маленький, но не нулевой, шанс аннигилировать с любой другой столкнувшейся с ней частицей темной материи. Высвободившуюся в результате столкновения энергию мы потенциально можем использовать.

Существует возможное свидетельство этому. В результате наблюдений установлено, что Млечный путь и другие галактики имеют необъяснимый избыток гамма-излучения, идущего из их центров, где концентрация темной энергии должна быть самой высокой. Всегда существует вероятность, что этому имеется простое астрофизическое объяснение, например, пульсары. Однако возможно, что это все же темная материя аннигилирует сама с собой в центре галактики и тем самым дает нам невероятную идею — звездолет на темной материи.

брать любую темную материю, которая находится рядом;
ускорять ее аннигиляцию или позволять ей аннигилировать естественным путем;
перенаправлять полученную энергию, чтобы получить импульс в любом желаемом направлении.

Человек мог бы контролировать размер и мощность реактора, чтобы достигнуть нужных результатов.

При отсутствии необходимости иметь топливо на борту отпадут многие из проблем космических путешествий, управляемых двигательными установками. Вместо этого мы будем способны достигнуть заветную мечту любого путешествия — неограниченное постоянное ускорение. Это даст нам самую немыслимую способность — возможность достигнуть любого места во Вселенной за время одной человеческой жизни.

Существует множество потенциальных способов превратить научно обоснованные идеи в осуществимые, реальные технологии двигателей следующего поколения. Вполне возможно, что к концу века космический корабль, который пока еще не изобретен, займет место Новых горизонтов, Пионера и Вояджера как самых далеких от Земли рукотворных объектов. Наука уже готова. Нам осталось заглянуть за рамки наших сегодняшних технологий и осуществить эту мечту.

Поколения людей, смотрящих на далёкие звёзды, могли лишь задаваться вопросами о существовании там планет и условий для той жизни, которую они знали. За последние 25 лет произошла революция в поиске планет, их известно уже тысячи, их наличие подтверждено, и среди них есть даже потенциально обитаемые миры, похожие на Землю. Но сможем ли мы туда добраться? Читатель спрашивает:

Как вы думаете, возможны ли межзвёздные перелёты (для какой угодно цивилизации). По мне, так все возможные решения – это билеты в один конец.

Я однозначно считаю межзвёздные путешествия возможными. Но существуют и ограничения, в зависимости от выбираемого нами способа.

Главный двигатель Шаттла во время тестового пуска, 1981

1) Обычные технологии.

Если использовать сегодняшние достижения, мы, теоретически, могли бы достичь другой звезды. Построить достаточно крупный корабль, способный поддерживать жизнь мини-цивилизации – корабль поколений – достичь скоростей в десятки или сотни км/с, выращивать свою еду и рециркулировать воду. В качестве варианта можно разработать криогенную технологию замораживания и размораживания, при помощи которой людей, растения и другие живые существа можно транспортировать в состоянии приостановленного функционирования, и оживлять по прибытию на место.

Обычные проблемы вроде столкновения с межпланетными и межзвёздными объектами, астероидами или планетами, на самом деле практически не важны. Таких объектов хоть и много, но плотность их наличия настолько мала, что даже столкновения звёзд чрезвычайно редки, даже на масштабах в миллионы лет. Такое путешествие заняло бы сотни тысяч лет для достижения ближайшей звёздной системы, и выглядит реальным.

Но это действительно билет в один конец, и решение неудовлетворительное.

2) Технологии будущего, основанные на известной физике.

Если мы захотим рассмотреть другие технические возможности, то найдём способы и получше. Например:

• Улучшение топлива. Вместо химических ракет, преобразующих 0,001% массы в энергию, используемую для разгона, можно использовать ядерное топливо (с эффективностью в 1%), или даже топливо на антиматерии, с эффективностью в 100%.

• Временные улучшения. Такое передвижение приблизит нас к скорости света всего через несколько лет ускорения, мы сможем долететь практически до любой звезды всего за 20-40 лет путешествия.

Это было бы круто, и не потребовало бы строительства корабля поколений. Конечно, кораблю нужно пережить путешествие на очень больших скоростях через межзвёздную среду, но достаточно сильное магнитное поле и карта газовых облаков, которых необходимо избегать, помогут нам в этом. А если при этом ещё овладеть технологией криозаморозки, нам даже не нужно будет брать с собой ресурсы, кроме семян для посадки и яйцеклеток для выращивания.

Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Минус в том, что одностороннее путешествие займёт несколько десятков лет только с точки зрения путешественника, благодаря замедлению времени согласно специальной теории относительности. Если мы отправимся на звезду, находящуюся в сотнях или тысячах световых лет от нас, то на Земле пройдёт сотня или тысяча лет. Даже если путешествие будет успешным, то на Земле, если тут останется кто-то в далёком будущем, получится пообщаться только с кем-либо из наших далёких потомков. Путешествие не обязательно будет поездкой в один конец для путешественников, но оставшиеся здесь люди никак не смогут выяснить, как оно закончилось, или поделиться информацией с удаляющимися путешественниками.

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели

3) Умозрительные технологии.

Можем ли мы построить транспортер? Возможен ли двигатель деформации пространства? Что насчёт подпространственных коммуникаций? Пока всё это технологии мечты, основанные на современной теоретической физике, но возможность их существования в нашей Вселенной ещё не определена.

В теории транспортер может использовать квантовую запутанность для переноса любой квантовой системы из одной точки в другую, если только у волновой функции системы существует ненулевая вероятность находиться в другом месте. Но пока неизвестно, может ли обладать таким свойством макроскопическая система.

Математический график шварцшильдовской чёрной дыры

Сейчас, как бы неприятно это ни звучало, нам лучше всего сосредоточиться на осуществлении одностороннего путешествия. Лучше уж лететь куда-нибудь, чем просто сидеть и ждать, пока появится новая технология, если она вообще допустима в нашей Вселенной. Но не закрывайтесь от новых идей – ведь то, что сегодня кажется маловероятным, может привести к исполнению нашей межзвёздной мечты. Требуйте физической точности и скептически относитесь к экстраординарным заявлениям, но не закрывайтесь и от возможностей. Наше величайшее путешествие во Вселенную обязательно произойдёт.

Допустим, Земле конец. Солнце готово вот-вот взорваться, к планете приближается астероид размером с Техас. Крупные города населены зомби, а в сельской местности фермеры усиленно сажают кукурузу, потому что другие посевы гибнут. Нужно срочно покидать планету, но вот беда — в районе Сатурна никаких червоточин не обнаружено, а сверхсветовых двигателей из далёкой-далёкой галактики не завезли. До ближайшей звезды — больше четырёх световых лет. Сможет ли человечество достичь её, располагая современными технологиями? Ответ не столь очевиден.

Вряд ли кто-то станет утверждать, что глобальная экологическая катастрофа, которая поставит под угрозу существование всей жизни на Земле, может случиться лишь в кино. На нашей планете не раз происходили массовые вымирания, во время которых гибло до 90% существующих видов. Земля переживала периоды глобального оледенения, сталкивалась с астероидами, проходила через всплески вулканической активности.

Конечно, даже во время самых страшных катастроф жизнь никогда не исчезала полностью. Но того же не скажешь о господствовавших на тот момент видах, которые вымирали, освобождая дорогу другим. А кто сейчас господствующий вид? Вот-вот.

В первую очередь на ум приходят традиционные двигатели на химической тяге. В настоящий момент четырём земным аппаратам (все они были запущены ещё в 1970-х) удалось развить третью космическую скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему.

Можно найти способ лететь быстрее, а можно просто смириться и лететь несколько тысяч лет. Тогда конечной точки достигнут лишь далёкие потомки тех, кто отправился в путешествие. Именно в этом заключается идея так называемого корабля поколений — космического ковчега, представляющего собой рассчитанную на длительное путешествие замкнутую экосистему.

Плюс корабля поколений заключается в том, что этот вариант не потребует принципиально новых двигателей. Однако нужно будет разработать самодостаточную экосистему, которая сможет существовать без поставок извне в течение многих тысяч лет. И не стоит забывать о том, что люди могут попросту поубивать друг друга.

Решить многие проблемы длительного полёта поможет технология, погружающая людей в длительный анабиоз. Тогда ни конфликты не страшны, ни скука, да и система жизнеобеспечения потребуется минимальная. Главное — обеспечить её энергией на длительный срок. Например, с помощью ядерного реактора.

Предположим, нас не устраивает, что до звёзд долетят потомки наших потомков, и мы хотим сами подставить лицо лучам чужого солнца. В этом случае не обойтись без космического корабля, способного разогнаться до скоростей, которые доставят его к соседней звезде за время меньше одной человеческой жизни. И тут поможет старая добрая ядерная бомба.

Идея подобного корабля появилась ещё в конце 1950-х. Космический аппарат предназначался для полётов внутри Солнечной системы, однако его вполне можно было бы использовать и для межзвёздных путешествий. Принцип его работы таков: за кормой устанавливают мощную бронированную плиту. Из космического аппарата в направлении, противоположном полёту, равномерно выбрасываются маломощные ядерные заряды, которые подрываются на небольшом (до 100 метров) расстоянии.

Заряды сконструированы таким образом, чтобы большая часть продуктов взрыва направлена в хвост космического корабля. Отражающая плита принимает на себя импульс и передаёт его кораблю через систему амортизаторов (без неё перегрузки будут губительны для экипажа). От повреждения световой вспышкой, потоками гамма-излучения и высокотемпературной плазмой отражающую плиту защищает покрытие из графитовой смазки, которое заново распыляется после каждого подрыва.

Проект NERVA — пример ядерного ракетного двигателя.

Необходимое ускорение обеспечивала серия маломощных ядерных взрывов, происходящих внутри специальной двигательной установки. В качестве топлива использовались микроскопические гранулы из смеси дейтерия с гелием-3, облучаемые потоком высокоэнергетических электронов. Согласно проекту, в двигателе должно было происходить до 250 взрывов в секунду. Соплом служило мощное магнитное поле, создаваемое силовыми установками корабля.

Можно ли разогнать космический корабль до скорости света? Эту задачу можно решить несколькими способами. Наиболее перспективный из них — аннигиляционный двигатель на антиматерии. Принцип его действия заключается в следующем: антиматерия подаётся в рабочую камеру, где она входит в соприкосновение с обычным веществом, порождая управляемый взрыв. Ионы, возникшие в процессе взрыва, выбрасываются через сопло двигателя, создавая тягу. Из всех возможных двигателей аннигиляционный теоретически позволяет достичь наибольших скоростей. Взаимодействие материи и антиматерии высвобождает колоссальное количество энергии, а скорость истечения образующихся в ходе этого процесса частиц близка к световой.

Но тут встаёт вопрос добычи топлива. Само по себе антивещество уже давно перестало быть фантастикой — учёным впервые удалось синтезировать антиводород ещё в 1995 году. Но добыть его в достаточных количествах невозможно. В настоящее время антиматерию можно получить лишь с помощью ускорителей частиц. При этом количество создаваемого ими вещества измеряется мизерными долями граммов, а его стоимость составляет астрономические суммы. На одну миллиардную грамма антивещества учёным из Европейского центра ядерных исследований (того самого, где создали Большой адронный коллайдер) пришлось потратить несколько сотен миллионов швейцарских франков. С другой стороны, стоимость производства будет постепенно уменьшаться и в будущем может достичь куда более приемлемых значений.

Кроме того, придётся придумать способ, позволяющий хранить антивещество — ведь при соприкосновении с обычной материей оно мгновенно аннигилируется. Одно из решений — охлаждать антивещество до сверхнизких температур и использовать магнитные ловушки, не позволяющие ему соприкасаться со стенками бака. На данный момент рекордное время хранения антивещества составляет 1000 секунд. Не годы, конечно, но с учётом того, что в первый раз антивещество удалось удержать лишь на 172 миллисекунды, прогресс есть.

Ускорители частиц могут стать источником антивещества для звездолётов, а также множества слухов о грядущем конце света. (Alpinethread / Flickr. CC BY-SA 2.0)

Многочисленные фантастические фильмы приучили нас к тому, что добраться до других звёздных систем можно куда быстрее, чем за несколько лет. Достаточно включить варп-двигатель или гиперпространственный привод, откинуться поудобнее в кресле — и уже через несколько минут оказаться на другом краю галактики. Теория относительности запрещает путешествия со скоростями, превышающими скорость света, но в то же время оставляет лазейки, позволяющие обойти эти ограничения. Если бы могли разорвать или растянуть пространство-время, то смогли бы путешествовать быстрее света, не нарушая никаких законов.

Кроме того, для поддержания подобного тоннеля в устойчивом состоянии необходимо, чтобы он был заполнен экзотической материей с отрицательной энергией, — а существование подобной материи до сих пор не доказано. В любом случае, создать кротовую нору по силам лишь сверхцивилизации, которая на много тысяч лет будет опережать нынешнюю в развитии и чьи технологии с нашей точки зрения будут похожи на волшебство.

Такой могла бы быть кротовая нора на Земле (CorvinZahn / Wikimedia).

Мигель Алькубьерре, как и многие учёные, вдохновлялся классикой научной фантастики (Movistar Campus Party México / Flickr)

Если у экспериментов будут результаты, то это станет первым маленьким шажком к тому, чтобы создать двигатель, позволяющий путешествовать в 10 раз быстрее скорости света. Разумеется, космический аппарат, использующий пузырь Алькубьерре, отправится в путешествие через много десятков, а то и сотен лет. Но сама перспектива того, что такое действительно возможно, уже захватывает дух.

Практически все предлагаемые проекты звездолётов имеют один существенный недостаток: они весят десятки тысяч тонн, и их создание требует огромного количество запусков и сборочных операций на орбите, что увеличивает стоимость постройки на порядок. Но если человечество всё же научится получать большое количество антиматерии, у него появится альтернатива этим громоздким конструкциям.

Как существующие, так и перспективные ракетные двигатели имеют одну проблему — топливо всегда составляет большую часть их массы на старте. Однако есть проекты звездолётов, которым вообще не нужно будет брать с собой топливо.

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил концепцию двигателя, который использовал бы находящийся в межзвёздном пространстве водород в качестве горючего для термоядерного двигателя. К сожалению, несмотря на всю привлекательность идеи (водород — самый распространённый элемент во Вселенной), у неё есть ряд теоретических проблем, начиная от способа сбора водорода и заканчивая расчётной максимальной скоростью, которая вряд ли превысит 12% световой. А значит, до системы Альфа Центавра придётся лететь минимум полвека.

По принципу работы двигатель Бассарда схож с реактивными двигателями, только вместо воздуха он использует водород.

Другая интересная концепция — применение солнечного паруса. Если построить на земной орбите или на Луне огромный сверхмощный лазер, то его энергию можно было бы использовать, чтобы разогнать оснащённый гигантским солнечным парусом звездолёт до достаточно больших скоростей. Правда, по расчётам инженеров, чтобы придать пилотируемому кораблю массой 78 500 тонн скорость в половину световой, потребуется солнечный парус диаметром в 1000 километров.

Ещё одна очевидная проблема звездолёта с солнечным парусом заключается в том, что его нужно как-то затормозить. Одно из её решений — при подлёте к цели выпустить позади звездолёта второй, меньший по размерам парус. Основной же отсоединится от корабля и продолжит самостоятельное путешествие.

Двадцатиметровый солнечный парус, разработанный NASA.

Межзвёздное путешествие — очень сложное и дорогостоящее предприятие. Создать корабль, способный за относительно небольшой срок покрыть космическое расстояние, — одна из самых грандиозных задач, стоящих перед человечеством в будущем. Конечно, это потребует усилий нескольких государств, если не всей планеты. Сейчас это кажется утопией — у правительств слишком много забот и слишком много способов потратить деньги. Полёт на Марс в миллионы раз проще полёта к Альфе Центавра — и тем не менее вряд ли сейчас кто-то рискнёт назвать год, когда он всё же состоится.

Оживить работы в этом направлении может или глобальная опасность, грозящая всей планете, или же создание единой планетарной цивилизации, которая сможет преодолеть внутренние склоки и захочет покинуть свою колыбель. Время для этого ещё не пришло — но это не значит, что оно не придёт никогда.

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?

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.

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.

Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды

Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.

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 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.

Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.

Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода

Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.

Полет длиною в жизнь

Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 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.

Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…

К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.

…а закончился экологической катастрофой

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.

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.

Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов

Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.

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.

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.

Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия

Антиматерия в помощь

Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.

Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х1011 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством. Но это всего один килограмм антивещества.

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.

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.

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.

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.

Читайте также: