Сегодняшние космические аппараты преодолевают силу земного тяготения с помощью химического топлива и даже могут, использовав для разгона гравитационные маневры, выйти за пределы гелиосферы. Этого, конечно, мало для далеких межзвездных перелетов, но возможны ли они в принципе? Мы попросили Бориса Штерна, физика и писателя-фантаста (а также одного из критиков проекта Starshot), рассказать о том, как, не нарушая законов физики, можно было бы развить скорость, достаточную для путешествия к звездам.
Пропасть, отделяющая нас от других планетных систем, чудовищна, но человек не был бы человеком, если бы пристально не присматривался к ней. Где-то там, за дальним ее краем, может быть жизнь, планеты, пригодные для заселения в далеком будущем.
Судя по всему, жизнь — редчайший феномен во Вселенной. Не является ли распространение жизни главной целью Homo sapiens? Для этого надо преодолеть пропасть, но преодолима ли она в реальности, а не в фантазиях?
От апельсина до Иркутска
Есть разные иллюстративные приемы, показывающие весь ужас нашей изоляции. Например, такой.
Уменьшим все в 10 миллиардов раз — на 10 порядков величины. Солнце станет размером с апельсин, Земля — песчинкой в 15 метрах от Солнца. Скорость света будет 3 сантиметра в секунду. И где будет ближайшая звезда? Примерно на том же расстоянии, что Иркутск от Москвы.
Свет доползет туда за четыре с небольшим года, «Вояджер-2» (более быстрый, чем «Вояджер-1»), двигаясь со скоростью 6 миллиметров в час (в рамках модели с апельсином), улетит на такое расстояние за сотню тысяч лет. Это ближайшая звезда Проксима Центавра, где есть планета — скорее всего, непригодная для обитания.
А где ближайшая пригодная? Прикидки, сделанные по данным космического телескопа «Кеплер», дают оценку 15–20 световых лет, то есть в 4–5 раз дальше. И это очень оптимистичный результат. Конечно, такая планета может оказаться и у Альфа Центавра (там двойная система, что неблагоприятно), но вероятность этого явно недостаточна, чтобы полагаться на такую удачу.
Можно ли передвигаться в пространстве на порядки быстрее, чем «Вояджеры»? Скорость «Вояджера-2» — около 16 километров в секунду, что составляет 5 × 10-5 от скорости света. Передвижение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, но до предела остается еще более 4 порядков.
Можно ли существенно увеличить скорость аппаратов в рамках существующих технологий, то есть с помощью химического топлива?
На самом деле с помощью одного лишь химического топлива очень трудно достичь даже той скорости, какую держат «Вояджеры», вылетев из Солнечной системы. Ведь надо не просто разогнать корабль, надо еще преодолеть гравитационный потенциал Солнца.
Если бы корабли разгонялись у Земли, им бы пришлось придать скорость около 30 километров в секунду, притом что скорость истечения газов в сопле ракеты почти на порядок меньше. Это потребовало бы наличия многих ступеней уже в космосе и безумных затрат.
В данном случае значительную часть работы проделали Юпитер с Сатурном, использованные в гравитационных маневрах «Вояджеров».
Гравитационный маневр
А нельзя ли с помощью гравитационных маневров выжать больше, скажем, еще порядок величины по скорости? К сожалению, нет. Планеты-гиганты движутся слишком медленно, а внутренние планеты — слишком легкие. Результат ускорения «Вояджеров» — не предел, но недалек от него. В их случае была использована редкая благоприятная конфигурация планет.
Невозможно «футболить» корабль от одной планеты к другой, накапливая скорость, — при относительной скорости, превышающей первую космическую для данной планеты, маневр теряет эффективность. Реальный предел скорости, достижимой с помощью химического топлива вместе с гравитационными маневрами, — 10-4 скорости света.
Есть еще вариант разгона у Солнца с помощью эффекта Оберта: подойдя к Солнцу по сильно вытянутой орбите из далекого афелия, включаем двигатель в перигелии и получаем конечное приращение скорости в √2Δv V, где V — орбитальная скорость, Δv — приращение скорости.
Если взять радикальный случай пролета на 10 радиусах Солнца (V = 200 километров в секунду, равновесная температура ~ 3000 градусов Цельсия) и добиться приращения скорости 4 километра в секунду, то получим около 40 километров в секунду на бесконечности. Опять те же 10-4 скорости света!
На большее приращение скорости с химическим топливом рассчитывать трудно, не забудем, что корабль перед этим забрался в далекий афелий.
Фотонный звездолет
Можно ли, не нарушая законов природы и пользуясь доступными источниками энергии, сократить время межзвездного перелета на порядки? Зайдем с другого конца — с самых дерзновенных идей.
Наиболее радикальная из них, не нарушающая законов природы с порога, — фотонный двигатель на антивеществе. В принципе, если бы мы имели антивещество, то, казалось бы, могли бы эффективно конвертировать энергию его аннигиляции в световой луч (через нагрев тугоплавкой оболочки и фокусировку обычным параболическим зеркалом).
Теоретически так можно было бы достичь, скажем, половины скорости света, хотя тут есть и обратная сторона, связанная с бомбардировкой корабля атомами межзвездной среды.
Если взять корабль массой 100 тонн, то в идеальном случае для его разгона потребуется всего 30 тонн антивещества и столько же аннигилирующего вещества. Правда, разгоняться придется медленно: при радиусе тугоплавкой (4000 кельвинов) оболочки 10 метров, максимально допустимой мощности 30 гигаватт, силе 0,3 ньютона и ускорении 3 × 10-6 сантиметра в секунду за секунду время разгона до половины скорости света составит 10000 лет.
Довольно, скажем так, не быстро. Можно было бы обойтись без твердой оболочки, например использовать магнитную бутылку с плазмой, но и тогда возникнут ограничения на предельную мощность из-за величины поля, предельной стойкости окружающих конструкций и тому подобных причин.
В середине 2000-х годов специалисты NASA прорабатывали проект корабля, где антиматерия (позитроны) использовалась в качестве топлива для позитронного реактора, чье рабочее тело из жидкого водорода нагревалось, а затем формировало реактивную струю. Расчеты показывали, что путешествие на Марс на таком корабле могло бы занимать всего 45 дней.
NASA
|
