Митио Каку Физика невозможного

Скачать 4.16 Mb.

Название	Митио Каку Физика невозможного
страница	15/25
Дата публикации	20.08.2013
Размер	4.16 Mb.
Тип	Документы

100-bal.ru > Астрономия > Документы

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 18 ... 25

Ионные и плазменные двигатели

В отличие от химических реактивных двигателей, ионные не производят внезапного и очень эффектного выброса раскаленных газов, которые, собственно, и толкают традиционные ракеты. Их тяга обычно измеряется не в тоннах, а в граммах. Если такой двигатель на Земле положить на стол, у него не хватит сил сдвинуться с места. Но все, что эти двигатели недобирают в тяге, они более чем компенсируют продолжительностью работы; в вакууме открытого космоса они способны работать годами^²⁵.

Типичный ионный двигатель напоминает внутренность телевизионной трубки — кинескопа. Электрический ток разогревает нить, которая, в свою очередь, создает поток ионизированных атомов, например, ксенона, которые затем выбрасываются через сопло. Вместо струи раскаленного, взрывного газа ионный двигатель выбрасывает слабый, но постоянный поток ионов.

В 1998 г. NASA провело успешный запуск зонда «Дип Спейс-1» с ионным двигателем NSTAR на борту; этот двигатель проработал в общей сложности 678 суток, установив тем самым новый рекорд. Европейское космическое агентство также провело испытания ионного двигателя на борту лунного аппарата SMART-1. На японском космическом зонде «Хаябуса», который сблизился с астероидом, произвел посадку на него и забор грунта, работали четыре ксеноновых ионных двигателя. Вообще, ионный двигатель по характеристикам выглядит не блестяще, но способен обслуживать дальние (и не слишком спешные) экспедиции к другим планетам. Возможно, когда-нибудь ионный двигатель станет непритязательной рабочей лошадкой межпланетного транспорта.

Плазменный двигатель представляет собой более мощную версию ионного. В качестве примера такого двигателя можно назвать VASIMR (variable specific impulse magnetoplasma rocket — магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом); для разгона в космосе в нем используется мощный поток плазмы. Этот двигатель разработан астронавтом и инженером Франклином Чанг-Диасом. Водород в нем разогревается до температуры в несколько миллионов градусов при помощи радиоволн и магнитных полей. Очень горячая плазма выбрасывается затем через сопло ракеты, развивая при этом значительную тягу. На Земле прототипы таких двигателей уже созданы и испытаны, но в космос ни один из них еще не летал. Некоторые инженеры надеются, что плазменный двигатель можно будет использовать при создании корабля для экспедиции на Марс; это позволило бы существенно, до нескольких месяцев, сократить время в пути. Некоторые разработки предлагают использовать для разогрева плазмы в двигателе солнечную энергию. Другие предполагают использовать энергию ядерного распада (при этом, естественно, возникают дополнительные проблемы безопасности — ведь придется отправлять в космос большое количество ядерных материалов, а космические аппараты подвержены всяческим случайностям).

Но ни у ионного, ни у плазменного двигателя не хватит сил, чтобы доставить нас к звездам. Для этого потребуются реактивные двигатели, основанные на совершенно иных принципах. Одна из серьезных проблем при разработке звездолета — это чудовищное количество топлива, необходимое для путешествия даже к ближайшей звезде, и большой промежуток времени, который потребуется на это путешествие.

Солнечные паруса

Солнечный парус — идея, которая могла бы решить многие проблемы. В основе ее лежит тот факт, что солнечный свет оказывает очень небольшое, но постоянное давление, достаточное для того, чтобы нести сквозь пространство громадный парус. Идея солнечного паруса не нова, она принадлежит великому астроному Иоганну Кеплеру и изложена впервые в его трактате «Сон» 1611 г.

Идея базируется на достаточно простых законах, но разработка реального солнечного паруса, который можно было бы запустить в космос, шла медленно и как будто рывками. В 2004 г. японская ракета успешно доставила в космос два небольших экспериментальных солнечных паруса. В 2005 г. Планетарное общество, компания «Космос Студиос» и Российская академия наук запустили с подводной лодки в Баренцевом море космический парус «Космос-1»; к несчастью, ракета «Волна», на которой он находился, дала сбой и аппарат не вышел на орбиту. (Предыдущая попытка запустить суборбитальный парус в 2001 г. также потерпела неудачу.) В феврале 2006 г. японская ракета M-V успешно вывела на орбиту пятнадцатиметровый парус, но раскрылся он не полностью^²⁶.

Исследования и эксперименты в области создания солнечного паруса продвигаются ужасно медленно, но его сторонники уже предложили новую идею, которая могла бы приблизить человека к звездам. Предлагается построить на Луне громадную батарею лазеров, которые пускали бы мощные лучи в солнечный парус; это позволило бы ему долететь до ближайшей звезды. Параметры межзвездного солнечного паруса просто пугают. Сам парус должен составлять несколько сотен километров в поперечнике, а сооружать его нужно непременно и полностью в открытом космосе. На Луне пришлось бы построить тысячи мощных лазеров, способных работать годами и даже десятилетиями. (По одной из оценок, каждый из таких лазеров должен в тысячу раз превосходить по мощности излучения всю сегодняшнюю планету Земля.)

Теоретически гигантский солнечный парус может развить скорость до половины скорости света. Кораблю с таким парусом на дорогу до ближайших звезд потребовалось бы всего около восьми лет. Движитель на этом принципе хорош еще и тем, что все его принципы уже известны. Доя его создания не требуется открывать новых физических законов. Зато в полный рост встают другие проблемы — и экономические, и технические. Сооружение паруса поперечником в несколько сотен километров, а также строительство на Луне тысяч мощных лазеров представляют собой очень серьезную инженерную проблему — и необходимые для реализации проекта технологии появятся, возможно, еще не скоро. (Главная проблема межзвездного солнечного паруса — возвращение назад. Чтобы привести корабль обратно к Земле, придется строить на луне у звезды-цели вторую батарею лазеров. Или совершить около этой звезды стремительный гравитационный маневр, который поможет набрать скорость для обратного пути. Тогда лазеры на Луне можно будет использовать для торможения паруса, чтобы корабль мог спокойно сесть на Землю.)

Прямоточный термоядерный двигатель

Лично мне самым перспективным движителем для путешествия к звездам представляется прямоточный термоядерный двигатель. Во Вселенной больше чем достаточно водорода, так что корабль с таким двигателем мог бы собирать водород—т. е. топливо — по пути, в процессе движения в открытом космосе. По существу, у такого двигателя был бы неистощимый и всегда доступный источник топлива. Собранный водород затем нагревался бы до нескольких миллионов градусов — достаточно для термоядерного синтеза — и высвобождал энергию.

Принцип прямоточного ядерного двигателя предложил в 1960 г. физик Роберт Буссард; позже его популяризацией занимался и Карл Саган. Буссард рассчитал, что прямоточный термоядерный двигатель весом около 1000 т мог бы теоретически поддерживать постоянное ускорение, равное 1 g, т.е. сравнимое с действием земной силы тяжести. Представим, что такое ускорение поддерживается в течение года. За это время корабль разгонится до 77% скорости света; этого уже вполне достаточно, чтобы всерьез рассматривать перспективы межзвездных путешествий.

1

испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. В 1968 г. он был запущен на стенде соплом кверху.

Результаты этих исследований оказались весьма спорными. Ракеты получались чрезвычайно сложными, и испытания часто заканчивались неудачей. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Другой постоянной проблемой была коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В конце концов в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта.

(У этих атомных ракет была и еще одна проблема: опасность начала самопроизвольной ядерной реакции, что было бы эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы. На атомных электростанциях сегодня ядерное топливо присутствует в небольшой концентрации, и они не могут взорваться подобно хиросимской бомбе. А вот ядерные ракетные двигатели для получения максимальной тяги работали на высокообогащенном уране, и потому в них могла в принципе возникнуть цепная реакция и, соответственно, атомный взрыв. Перед самым закрытием программы ученые решили провести еще одно, последнее испытание — попытаться взорвать ракету как атомную бомбу. Они удалили из реактора все управляющие стержни, которые помогают удерживать реакцию под контролем. Реактор послушно перешел в сверхкритичное состояние и взорвался яростным огненным шаром. Этот впечатляющий конец программы по разработке ядерных ракетных двигателей даже засняли на пленку. Русские были недовольны. Они сочли эту выходку нарушением Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, согласно которому все взрывы атомных бомб, за исключением подземных, находились под запретом.)

Время от времени военные возвращаются к идее ядерной ракеты. Один из секретных проектов такого рода назывался «Тимбервинд» и был в 1980-х гг. частью военной программы «звездных войн». (От него отказались после того, как Федерация американских ученых опубликовала информацию о его существовании.)

Главная проблема ядерных ракетных двигателей — безопасность. Даже теперь, через полвека после начала космической эры, запуски ракет на химическом топливе иногда (примерно в 1% случаев) заканчиваются катастрофически. (Гибель космических челноков «Челленджер» и «Колумбия», на которых нашли свою смерть 14 астронавтов, также подтверждает эту статистку аварий.)

Тем не менее несколько лет назад NASA возобновило исследования по ядерной ракете — впервые после программы NERVA 1960-х. В 2003 г. NASA окрестило свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование было урезано до 100 млн долл. В настоящий момент будущее этого проекта неясно^²⁷.

Импульсный ядерный двигатель

Еще одна теоретическая возможность — использовать в качестве движителя серию ядерных мини-бомб. К примеру, проект «Орион» предусматривал последовательное выбрасывание небольших термоядерных бомб позади корабля, чтобы он мог «оседлать» ударную волну от их взрывов. Теоретически такая система может разогнать космический корабль до скорости, близкой к скорости света. Идею такого корабля впервые высказал в 1947 г. Станислав Улам, который участвовал и в разработке первых водородных бомб; позже ее развили Тед Тейлор, один из главных разработчиков ядерных боеголовок для американских военных, и физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне.

В конце 1950-х и в 1960-х гг. были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на этом принципе. Согласно полученным оценкам, он мог бы за год слетать до Плутона и обратно, достигнув при этом скорости в 10% скорости света^²⁸. Но даже на такой скорости до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. Ученые рассматривали варианты, когда космический ковчег с таким движителем летел бы в космосе несколько столетий; в экипаже сменялись бы поколения, и многим пришлось бы прожить всю жизнь в этом движущемся мирке, чтобы их потомки могли добраться до близлежащих звезд.

В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб.

Главная проблема, связанная с этим проектом, — возможность заражения района старта ядерными осадками. По оценке Дайсона, ядерные осадки от каждого запуска могут вызвать смертельную форму рака у десяти человек. Кроме того, электромагнитный импульс от взрыва так велик, что непременно вызвал бы массу коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.

Подписание в 1963 г. Договора о частичном запрещении ядерных испытаний стало похоронным звоном по этому проекту. Со временем сдался даже главный его сторонник, разработчик ядерных бомб Тед Тейлор. (Он однажды признался мне, что окончательно разочаровался в проекте, когда понял, что техническими наработками подобного проекта могут воспользоваться террористы для создания портативных атомных бомб.

Проект был закрыт как слишком опасный, но его имя продолжает жить в названии космического корабля «Орион», которым NASA планирует в 2015 г. заменить космические челноки.)

В 1973-1978 гг. концепция звездолета с ядерным движителем ненадолго возродилась в проекте «Дедал» Британского межпланетного общества. Проект представлял собой предварительное исследование возможности постройки беспилотного корабля, способного достичь звезды Барнарда — ее отделяет от Земли расстояние в 5,9 св. года. (Звезда Барнарда была выбрана в качестве цели потому, что предполагалось наличие возле нее планеты. С тех пор астрономы Джил Тартер и Маргарет Тёрнбулл составили список из 17129 не слишком далеких звезд, возле которых могут оказаться пригодные для жизни планеты. Самый многообещающий кандидат — эпсилон Индейца А — находится от нас на расстоянии 11,8 св. года.)

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Она должна была весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и могла разогнаться до 7,1% скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным движителем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределенное время.

Удельный импульс и эффективность двигателя

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.

Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.

Тип двигателя (Удельный импульс)

Твердотопливный (250)

Жидкостный (450)

Ионный (3000)

Плазменный VASIMR (1000-30 000)

Атомный (800-1000)

Термоядерный прямоточный (2500-200 000)

Ядерный импульсный (10 000-1 000 000)

На антиматерии (1 000 000-10 000 000)

(В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.)

Космический лифт

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.

Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.

Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов — построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова — взять хотя бы сказку «Джек и бобовое зернышко»; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.

(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно поэтому долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.

Первым из ученых, кто всерьез заинтересовался проблемой космического лифта, стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 г. под впечатлением от Эйфелевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосе «звездным замком». Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.

В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли — с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.

Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 г. вышел роман Артура Кларка «Фонтаны рая», а в 1982 г. — роман Роберта Хайнлайна «Пятница». Но поскольку прогресс в этом направлении застопорился, о ней забыли.

Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 г. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гг., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше необходимого минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.

Б 1999 г. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.

В настоящее время доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.

Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. В настоящее время самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длине не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее необходимо, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.

Вторая проблема заключается в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института, если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.

Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателей к разработке космического лифта, NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 г. корабль SpaceShipOne. Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.

Чтобы выиграть первый из них, команда исследователей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стреле подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосе.

Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса —стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 г. — первом году конкурса — премия не была присуждена никому.)

Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.

Кроме того, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами — ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.

Гравитационный маневр

Существует еще один способ разогнать объект до скорости, близкой к скорости света, — воспользоваться «эффектом пращи». При отправке космических зондов к другим планетам NASA иногда заставляет их совершить маневр вокруг соседней планеты, чтобы, воспользовавшись «эффектом пращи», дополнительно разогнать аппарат. Так NASA экономит ценное ракетное топливо. Именно таким образом аппарату «Вояджер-2» удалось долететь до Нептуна, орбита которого лежит у самого края Солнечной системы.

Фримен Дайсон, физик из Принстона, выдвинул интересное предложение. Если когда-нибудь в далеком будущем человечеству удастся обнаружить в космосе две нейтронные звезды, обращающиеся вокруг общего центра с большой скоростью, то земной корабль, пролетев совсем рядом с одной из этих звезд, может за счет гравитационного маневра набрать скорость, равную чуть ли не трети скорости света. В результате корабль разогнался бы до околосветовых скоростей за счет гравитации. Теоретически такое может получиться.

Другие ученые предлагают воспользоваться для этой цели нашим собственным светилом. Этим методом воспользовался, к примеру, экипаж звездолета «Энтерпрайз» в фильме «Звездный путь IV: Путешествие домой». Угнав корабль клингонов, экипаж «Энтерпрайза» направил его по близкой к Солнцу траектории, чтобы пробить световой барьер и вернуться назад во времени. В фильме «Когда сталкиваются миры» Земле угрожает столкновение с астероидом. Чтобы бежать с обреченной планеты, ученые сооружают гигантскую конструкцию вроде американских горок. Съезжая с горки, ракетный корабль набирает огромную скорость, затем разворот внизу на малом радиусе — и вперед, в космос.

Только на самом деле ни один из этих способов разогнаться при помощи гравитации не сработает. (Закон сохранения энергии говорит о том, что тележка на американских горках, разгоняясь на спуске и замедляясь на подъеме, оказывается наверху ровно с той же скоростью, что и в самом начале — никакого приращения энергии не происходит. Точно так же, обернувшись вокруг неподвижного Солнца, мы закончим ровно с той же скоростью, с какой начали маневр.) Метод Дайсона с двумя нейтронными звездами в принципе мог бы сработать, но только потому, что нейтронные звезды быстро движутся. Космический аппарат, использующий гравитационный маневр, получает приращение энергии за счет движения планеты или звезды. Если они неподвижны, подобный маневр ничего не даст.

А предложение Дайсона, хотя и может сработать, ничем не поможет сегодняшним земным ученым — ведь для того, чтобы наведаться к быстро вращающимся нейтронным звездам, потребуется для начала построить звездолет.

Из пушки в небеса

Еще один хитроумный способ вывести корабль в космос и разогнать до фантастических скоростей — выстрелить им из рельсовой электромагнитной «пушки», которую описывали в своих произведениях Артур Кларк и другие авторы-фантасты. В настоящее время этот проект всерьез рассматривается как возможная часть противоракетного щита программы «звездных войн».

Способ заключается в том, чтобы вместо ракетного топлива или пороха использовать для разгона ракеты до высоких скоростей энергию электромагнетизма.

В простейшем случае рельсовая пушка представляет собой два параллельных провода или рельса; реактивный снаряд, или ракета, «сидит» на обоих рельсах, образуя U-образную конфигурацию. Еще Майкл Фарадей знал, что на рамку с электрическим током в магнитном поле действует сила. (Вообще говоря, на этом принципе работают все электродвигатели.) Если пропустить через рельсы и снаряд электрический ток силой в миллионы ампер, вокруг всей системы возникнет чрезвычайно мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, погонит снаряд по рельсам, разгонит его до громадной скорости и вышвырнет в пространство с оконечности рельсовой системы.

Во время испытаний рельсовые электромагнитные пушки успешно выстреливали металлические объекты с громадными скоростями, разгоняя их на очень короткой дистанции. Что замечательно, в теории обычная рельсовая пушка способна выстреливать металлический снаряд со скоростью 8 км/с; этого достаточно, чтобы вывести его на околоземную орбиту. В принципе весь ракетный флот NASA можно было бы заменить рельсовыми пушками, которые прямо с поверхности Земли выстреливали бы полезный груз на орбиту.

Рельсовая пушка имеет существенные преимущества по отношению к химическим пушкам и ракетам. Когда вы стреляете из ружья, максимальная скорость, с которой расширяющиеся газы способны вытолкнуть пулю из ствола, ограничена скоростью распространения ударной волны. Жюль Берн в классическом романе «С Земли на Луну» выстрелил снаряд с астронавтами к Луне при помощи пороха, но на самом деле несложно подсчитать, что максимальная скорость, которую может придать снаряду пороховой заряд, во много раз меньше скорости, необходимой для полета к Луне. Рельсовая же пушка не использует взрывное расширение газов и потому никак не зависит от скорости распространения ударной волны.

Но у рельсовой пушки свои проблемы. Объекты на ней ускоряются так быстро, что они, как правило, сплющиваются из-за столкновения... с воздухом. Полезный груз оказывается сильно деформированным в процессе «выстрела» из дула рельсовой пушки, потому что когда снаряд врезается в воздух, это все равно как если бы он ударился о кирпичную стенку. Кроме того, при разгоне снаряд испытывает громадное ускорение, которое само по себе способно сильно деформировать груз. Рельсы необходимо регулярно заменять, так как снаряд при движении также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой пушке смертельны для людей; человеческие кости просто не выдержат подобного ускорения и разрушатся.

Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы, снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет испытывать громадные перегрузки, способные повредить и деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка — антипод лазерного паруса, который набирает скорость постепенно в течение долгого времени. Ограничения рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию.

Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам, стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так, один из проектов предусматривает строительство в открытом космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстояния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную энергию, а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света. При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые корабли-роботы.

Опасности космического путешествия

Конечно, космическое путешествие — не загородный пикник, В пилотируемых полетах к Марсу или еще дальше человека поджидают страшные опасности. Миллионы лет жизнь на Земле развивалась под надежной защитой: озоновый слой предохраняет планету от ультрафиолетовых лучей, магнитное поле защищает от солнечных вспышек и космической радиации, а толстая атмосфера прикрывает от метеоров, которые успевают сгореть в ее толще. Умеренные температуры и колебания атмосферного давления кажутся нам естественными. Но в глубоком космосе нам придется лицом к лицу столкнуться с тем фактом, что большая часть Вселенной находится в состоянии хаоса; придется столкнуться со смертельно опасными радиационными поясами и метеоритными роями.

Первая проблема продолжительного космического путешествия, которую необходимо решить, — это невесомость. Проведенные русскими долговременные исследования невесомости показали, что тело человека в космосе теряет необходимые для жизни минералы и химические вещества гораздо быстрее, чем ожидалось. Не спасает даже жесткая программа физических упражнений: после года на орбитальной станции кости и мышцы русских космонавтов так атрофируются, что после возвращения на Землю они оказываются в состоянии только ползать, как младенцы, и то с трудом^²⁹. Похоже, что непременными следствиями продолжительного пребывания в невесомости во время космического перелета являются атрофия мышц, изнашивание опорно-двигательной системы, снижение уровня производства красных кровяных телец, снижение иммунного ответа, ослабление сердечно-сосудистой деятельности.

Полет к Марсу, который может продлиться от нескольких месяцев до года, находится у самого предела выносливости наших астронавтов. В длительных полетах к ближайшим звездам эта проблема может оказаться фатальной. Возможно, ради сохранения жизни экипажа звездолетам будущего придется вращаться, создавая за счет центробежных сил искусственное тяготение. Такое требование сильно усложнит проектирование и поднимет стоимость звездолета.

Вторая проблема заключается в том, что из-за присутствия в пространстве метеоритов, движущихся со скоростями в десятки километров в секунду, придется, возможно, оборудовать космические корабли дополнительной защитой. Тщательное обследование корпуса шаттлов выявило признаки попадания нескольких крошечных, но чреватых смертельной опасностью метеоритов. Очень может быть, что на космических кораблях будущего придется устраивать специальное помещение для экипажа и снабжать его двойной защитой.

Уровень радиации в глубоком космосе гораздо выше, чем предполагалось ранее. Так, за время 11-летнего цикла солнечные вспышки способны послать к Земле громадное количество смертельно опасной плазмы. Именно это явление не раз вынуждало астронавтов на космической станции искать дополнительной защиты против потенциально опасного налета субатомных частиц, а прогулка в открытом космосе в такой момент была бы смертельной. (Даже во время обычного трансатлантического перелета из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк, к примеру, мы подвергаемся действию излучения интенсивностью примерно 1 мбэр/ч. За время перелета каждый пассажир получает почти такую же дозу радиации, как при рентгеновском снимке зуба.) В глубоком космосе, где нас уже не защищают ни атмосфера Земли, ни ее магнитное поле, радиация может превратиться в серьезную проблему.

Временное прекращение жизненных функций

Что бы мы ни говорили о полете к звездам, какие бы проекты ни разрабатывали, одно обстоятельство остается неизменным: даже если мы сумеем построить звездолет, на дорогу до ближайших звезд нам потребуются десятилетия, а то и столетия. Для подобного полета потребуется несколько поколений экипажа, и к месту назначения доберутся лишь потомки тех, кто отправился в путь.

Одно из решений этой проблемы, фигурирующее в таких фильмах, как «Чужой» и «Планета обезьян», — подвергнуть космических путешественников анабиозу; это означает осторожно и медленно снизить температуру тела до такого уровня, на котором почти прекращается отправление всех жизненных функций. Некоторые животные проделывают подобную операцию каждый год во время зимней спячки. Некоторые рыбы и лягушки спокойно вмерзают в лед, а потом, когда температура повышается, оттаивают и оживают.

Биологи, занимавшиеся изучением этого интересного явления, считают, что такие животные способны создавать в своем теле естественный «антифриз», который заметно снижает температуру замерзания воды. У рыб таким естественным антифризом служат определенные протеины, у лягушек — глюкоза. Обогатив кровь этими протеинами, рыба может жить зимой в Арктике при температуре -2 °С. Лягушки развили у себя способность поддерживать высокий уровень глюкозы, предотвращая таким образом формирование ледяных кристаллов. Снаружи их тела могут казаться промороженными насквозь, но на самом деле внутри они не промерзают; все органы сохраняют способность функционировать, хотя и в замедленном темпе.

Но с млекопитающими все далеко не так просто. При промерзании человеческого тела внутри клеток начинают формироваться кристаллы льда. По мере роста они протыкают и разрушают стенки клетки. (Возможно, знаменитостям, которые захотели сохранить свои головы и тела после смерти замороженными в жидком азоте, следовало бы еще раз задуматься.)

Тем не менее в последнее время наметился некоторый прогресс в работе с млекопитающими, которые в природе не впадают в спячку, — с такими животными, как мыши и собаки. В 2005 г, ученые из Университета Питсбурга сумели вернуть к жизни собак после того, как из них полностью выкачали кровь и заменили ее на специальную очень холодную жидкость. Проведя в состоянии клинической смерти три часа, собаки ожили, как только им снова запустили сердца. (Хотя большинство собак после этой процедуры остались здоровыми, у некоторых мозг оказался поврежден.)

В этом же году ученые поместили мышей в камеру, заполненную сероводородом и успешно снизили на 6 часов температуру их тел до 13 °С. Скорость метаболизма мышей упала в десять раз. В 2006 г. доктора из Главного массачусетского госпиталя в Бостоне ввели мышей и свиней в состояние замедленной жизнедеятельности, или анабиоза, также при помощи сероводорода.

В будущем подобная процедура, вполне возможно, станет спасать жизнь пострадавшим в серьезных катастрофах или от сердечного приступа, т. е. в тех случаях, когда дорога каждая секунда. Не исключено, что анабиоз даст врачам возможность «останавливать время», а пациентам — дождаться необходимой помощи. Но пройдут десятилетия, прежде чем эту методику можно будет применить к астронавтам-людям, тем более что им, возможно, придется провести в состоянии анабиоза не одно столетие.

Нанокорабли

Существует еще несколько способов, пока не опробованных и известных лишь в теории, которые в принципе могут дать нам возможность добраться до звезд. Одно из многообещающих предложений — отправить к звездам беспилотные зонды, созданные с применением нанотехнологий. Все предыдущее обсуждение основывалось на предположении о том, что звездолеты непременно должны быть чудовищными машинами, потребляющими громадные количества энергии и способные нести к звездам большой экипаж; примерно так выглядит звездолет «Энтерпрайз» в сериале «Звездный путь».

Но гораздо более реальным представляется другой путь развития. Разумнее, вероятно, сначала отправить к далеким звездам миниатюрные зонды со скоростями, близкими к скорости света. Как мы уже упоминали, в будущем, с развитием нанотехнологий, должна появиться возможность создавать крошечные космические корабли, в состав которых войдут машины атомного и молекулярного размеров. К примеру, ионы обладают чрезвычайно малой массой, поэтому их можно без труда разогнать до скорости, близкой к скорости света, для этого будет достаточно обычной сети электропитания, какую можно найти в любой лаборатории. Чтобы отправить в космос ионы на почти световой скорости, не нужно строить гигантские реактивные ракеты, достаточно разогнать их при помощи мощного электромагнитного поля. Это означает, что, если поместить ионизированный нанобот в электрическое поле, его можно без труда разогнать до околосветовой скорости. После этого нанобот уже самостоятельно отправится к звездам, ведь в космосе нет трения и тормозить его будет нечему. Таким способом решаются многие проблемы, неизбежные для крупных звездолетов. Не исключено, что отправить к ближайшим звездам беспилотные умные корабли-наноботы окажется многократно дешевле, чем строить и запускать громадный звездолет с экипажем людей.

Нанокорабли можно направить к ближайшим звездам или, как предложил Джеральд Нордли, отставной инженер ВВС в области астронавтики, использовать для создания давления на солнечный парус и дополнительного его разгона. Нордли говорит: «Если целое созвездие кораблей размером с булавочную головку будет лететь строем и поддерживать между собой связь, их можно будет разгонять буквально карманным фонариком».

Но и у нанозвездолетов могут обнаружиться свои проблемы. Так, в открытом космосе они могут сбиться с курса от воздействия электрических и магнитных полей. Чтобы предотвратить это, их придется заранее, еще на Земле, заряжать до высокого потенциала; в этом случае их будет не так-то просто сбить с пути. Во-вторых, нам, возможно, придется послать не один миллион кораблей-наноботов, чтобы хоть горстка их могла гарантированно долететь до цели. Может показаться, что отправлять на исследование ближайших звезд целые рои нано-звездолетов очень расточительно, но звездолеты эти должны быть дешевыми, а массовое автоматическое производство, вероятно, позволит выпускать их миллиардами; при этом до цели долетит лишь малая часть запущенных наноботов.

Можно ли сказать, как примерно будут выглядеть нанокорабли? Дэниел Голдин, бывший глава NASA, представлял себе флотилии космических кораблей размером с банку кока-колы. Другие говорили о кораблях размером с иголку. Пентагон изучает возможность создания «умной пыли» — мелких пылевидных устройств с крохотными датчиками, которые можно было бы распылять над полем боя, чтобы непрерывно снабжать командиров достоверной информацией. Не исключено, что в будущем такую «умную пыль» можно будет послать к ближайшим звездам.

Скорее всего, электрические схемы пылевидных наноботов будут изготовлены при помощи той же технологии травления, которая используется в производстве полупроводников; эта технология позволяет создавать электронные компоненты размером не больше 30 нм, или приблизительно 150 атомов в поперечнике. Наноботы можно запускать с Луны при помощи рельсовых пушек — или даже при помощи ускорителей частиц, которые без труда разгоняют элементарные частицы до околосветовых скоростей. Наноботы должны быть настолько дешевыми, что в космос их можно будет запускать миллионами.

Добравшись до ближайшей звездной системы, наноботы могли бы сесть на какую-нибудь пустынную луну. Гравитация на ней небольшая, и наноботы смогут без труда садиться и взлетать. На мертвой луне, как правило, ничего не происходит, а стабильная обстановка идеальна для создания оперативной базы. Обосновавшись на спутнике, нанобот сможет построить из местных материалов нанофабрику и соорудить мощную радиостанцию, способную направить мощный луч и передать информацию на Землю. Нанофабрика может быть также рассчитана на производство миллионов копий самого нанобота для подробного исследования этой звездной системы и полета к ближайшим звездам. Таким образом, процесс повторится. Автоматическим звездолетам нет нужды возвращаться обратно; им достаточно передать на Землю собранную информацию.

Только что описанный нанобот иногда еще называют зондом фон Неймана в честь прославленного математика Джона фон Неймана, который разработал математический аппарат самовоспроизводящейся машины Тьюринга. В принципе такие самовоспроизводящиеся космические корабли-наноботы способны исследовать всю Галактику, а не только близлежащие звезды. Со временем могла бы образоваться сфера из триллионов таких роботов, которые экспоненциально размножались бы по мере увеличения радиуса сферы; расширение сферы при этом шло бы с околосветовой скоростью. За несколько сотен тысяч лет наноботы внутри этой расширяющейся сферы колонизировали бы всю Галактику.

Очень серьезно к идее нанозвездолетов относится, к примеру, инженер-электрик Брайан Гилкрист из Университета Мичигана. Недавно он получил от Института перспективных концепций NASA грант размером 500 000 долл. на проработку идеи строительства нанокораблей с двигателем не крупнее бактерии. Он рассчитывает использовать все ту же технологию травления, заимствованную из полупроводниковой промышленности, для создания флотилии из нескольких миллионов нанокораблей. Двигаться эти корабли будут за счет выбрасывания крошечных наночастиц размером всего несколько десятков нанометров. Эти наночастицы предполагается разгонять в электрическом поле — точно так же, как делается в ионном двигателе. Но каждая наночастица весит в тысячи раз больше иона, поэтому и тяга у такого двигателя будет значительно больше, чем у обычного ионного. Таким образом, двигатели нанокораблей будут обладать всеми преимуществами ионных двигателей, но значительно большей тягой. Гилкрист уже начал травить кое-какие детали для своих нанокораблей. На данный момент ему удается разместить 10 000 отдельных «двигателей» на одном кремниевом чипе размером в один сантиметр. Первоначально он планирует разослать свою флотилию по Солнечной системе и таким образом проверить эффективность нанокораблей. Но со временем они могут составить часть первой земной флотилии, которая отправится к звездам.

Проект Гилкриста — одно из нескольких футуристических предложений, которые в настоящее время рассматривает NASA. После нескольких десятилетий бездействия NASA вновь обратилось к различным проектам межзвездных путешествий — от вполне реальных до совершенно фантастичных. С начала 1990-х NASA принимает у себя ежегодный Семинар по исследованиям в области перспективных космических двигателей, во время которого несколько команд серьезных инженеров и физиков разбирают предложенные проекты по косточкам. Еще более серьезные задачи ставит перед собой программа прорывных физических принципов, цель которой — исследовать загадочный мир квантовой физики в приложении к идее межзвездных путешествий. Ученые не пришли к единому мнению, но по большей части их усилия сосредоточены на самых успешных и продвинутых на данный момент проектах: лазерных парусах и различных вариантах термоядерных двигателей.

Учитывая медленное, но верное продвижение в разработках космических аппаратов, разумно предположить, что первый беспилотный зонд того или иного сорта может отправиться к ближайшим звездам еще в этом столетии или, возможно, в начале следующего, а значит, путешествие к звездам следует классифицировать как невозможность I класса.

Однако самый многообещающий, возможно, вариант звездного корабля предполагает использование антивещества. В настоящий момент этот проект больше напоминает научную фантастику, но не будем забывать, что антивещество уже получено на Земле; не исключено, что когда-нибудь такой звездолет станет самым перспективным вариантом для отправки к звездам первой настоящей экспедиции.