Гипертуннели, кротовые норы, варп-драйв, подпространство, нуль-переход и прочую деритринитацию предлагаю вычеркнуть сразу. Это всё очень здорово, но к нашей суровой действительности не имеет ни малейшего отношения. Даже если вспомнить, что кротовые норы худо-бедно теоретически обосновываются, всерьёз о них поговорить можно будет лет через сто, а то и через двести. Вот тогда - заходите, с удовольствием обсудим. А пока что наука не в курсе дела.
Всерьёз обсуждать имеет смысл только то, что можно, пусть и с натяжками, считать применимым, либо потенциально применимым на практике. Ну и про научную обоснованность конечно же нельзя забывать.
1. Итак, во-первых давайте разберёмся, что мы имеем работающего на сегодняшний день.
1.1 Самым ординарным способом передвижения в космосе являются химические ракетные реактивные двигатели. Они несколько различаются по конструкции и по типам топлива, но суть всегда одна и та же: берём топливо, смешиваем с кислородом, поджигаем (преобразуя химическую энергию в кинетическую) и летим вперёд, выбрасывая назад газообразные продукты горения. Старый проверенный дедовский способ.
Плюс - в относительной простоте, относительной дешевизне и относительно высоком уровне проработанности.
Минус - в относительно малых скоростях и очень малой возможности манёвра. Топливо заканчивается быстро, какую скорость успел набрать в самом начале полёта, с такой и чеши себе дальше. Срок работы исчисляется секундами, иногда минутами. Ни затормозить, ни сманеврировать лишний раз нельзя. Конечно, современные аппараты не летят совсем уж "по рельсам", какой-то резерв топлива обычно есть, но всё равно возможности очень и очень ограничены.
Самый простой ХРРД:
А вот это, например, ХРРД от Шаттла:
1.2 Электрические ракетные реактивные двигатели. Нельзя сказать, что идея свежая, но разработки продолжаются, регулярно появляются всё более и более экзотичные новинки, которые довольно часто пускают в дело. За пять десятилетий активных экспериментов семейство ЭРД успело хорошенько разрастись вширь, на сегодняшний день существуют: ионные, плазменные, импульсные, сильноточные и термические электрические ракетные двигатели.
В качестве источников питания чаще всего используют солнечные батареи. Однако, порой, к электрическому двигателю в качестве источника питания прикручивают и ядерный реактор. Не путать с ядерными двигателями, о которых будет ниже.
Все эти двигатели, несмотря на разнообразие, всё равно в основе своей используют реактивное движение, то есть работают по принципу "а давайте чего-нибудь посильнее выкинем сзади, чтобы бодрее летелось вперёд". Отличие от химических двигателей заключается в том, что вместо банального поджигания керосина, электрический двигатель извращается с рабочим телом как-то иначе. Например, разгоняет в электрическом поле ионизированный газ или испаряет в электрическом разряде твёрдое тело.
Минус электрических двигателей в том, что развить тягу достаточную, чтобы оторваться от Земли, на сегодняшний день они не могут. То есть двигатели, говоря простым языком, слабенькие. Взлетать всё равно приходится "на химии".
Зато у них есть и неоспоримый плюс. И заключается он в экономичности, а значит - во времени работы. Если химический РД вырабатывает своё топливо за несколько минут (после чего аппарат летит по инерции, используя гравитационные манёвры), то ЭРД работают днями. И неделями. А иногда и месяцами. Да чего уж там, ионный двигатель на межпланетной станции Deep Space 1 честно отпахал три года. И ему не приходилось возвращаться на дозаправку.
Смекаете? Химический двигатель работает недолго и сразу набирает максимальную скорость. Потом - всё, ускоряться только если за счёт гравитационной пращи (манёвр вокруг какого-то крупного объекта). ЭРД же, чтобы развить такую же скорость, которую химический набрал за несколько минут, потребуется, например (условно) три месяца. А может даже год, не суть важно. Аппарат, разгонявшийся химическим двигателем, за это время успеет улететь довольно далеко. Но вот условные три месяца прошли, аппарат с ЭРД набрал ту же скорость, с которой всё это время чешет аппарат с давно потухшим химическим двигателем. Но ЭРД-то продолжает работать. Ещё через три месяца он летит уже вдвое быстрее, и прекращать свою работу не собирается. При этом он имеет свободу манёвра и в любой момент может скорректировать свой полёт. В космосе летают годами, а в перспективе - десятилетиями, там играют долговременные ставки.
А ещё ЭРД весьма компактны и экономичны, они не требуют таскать с собой дополнительную цистерну топлива. Это значит, что их можно ставить на весьма скромные спутники Земли, позволяя им перемещаться с орбиты на орбиту своим ходом, что снижает зависимость от точности выведения и от тормозящего воздействия атмосферы. Вы его, главное, от поверхности оторвите, вверх подбросьте, а там уж он сам на ионном движке куда ему надо доползёт.
Ионный двигатель:
1.3 Ну и, наконец, последнее, что у нас сегодня есть из относительно работоспособного. Ядерный ракетный двигатель, тоже реактивный, как все предыдущие. Суть, как вы понимаете, в том же самом. Берём рабочее тело (жидкий водород - дёшево и сердито), разогреваем и выкидываем его сзади. Только вместо того, чтобы что-то поджечь, разогнать электрическим полем или испарить электрической дугой, мы греем жидкость на ядерном реакторе до газообразного состояния. Почти как паровоз.
Штука довольно спорная как по экономическим, так и по экологическим причинам. Потенциально эти двигатели могут совмещать положительные стороны химического и электрического двигателей. СССР и США разрабатывали ЯРДы начиная с середины ХХ века вплоть до испытания наземных прототипов. Разработки ведутся и сегодня.
Схема работы яррд:
Отчётливый минус абсолютно всех типов реактивных двигателей: по космическим меркам они медленные. Со скрипом их хватает для изучения внутренних, ближайших к Земле планет (внутренними считаются планеты внутри главного пояса астероидов), но уже к Юпитеру приходится тащиться годами. Так могут летать автоматические аппараты, но таскать человека (а вместе с ним все системы жизнеобеспечения) уже представляется совершенно бестолковым занятием.
Даже за несколько человеческих жизней на подобных движках до других звёзд нам не добраться, поскольку счёт пойдёт на десятки тысяч лет. При самом оптимистичном сценарии - на тысячелетия. Sad but true.
Теперь давайте поговорим о самом интересном. О том, чего у нас нет. Этот раздел мой внутренний бюрократ требует разделить на две части: "нет и скорее всего не будет" и "нет, но очень может быть".
2. За прошедшие десятилетия было выдумано (и хотя бы частично научно обосновано) много всего интересного, что пока ещё не было реализовано. Сначала обсудим то, что с высокой долей вероятности не появится никогда по экономическим причинам, либо потому что наука ушла вперёд и концепция утратила былую свежесть.
2.1 Ядерно-импульсный двигатель на ядерных бомбах. Суть заключается в простой и логичной идее: если под хвостом у корабля взорвать бомбу, она отвесит ему такой космический пендель, что корабль скоренько куда-то полетит. Старая, ещё пятидесятых годов концепция, до сих пор являющаяся самым реалистичным и самым жизнеспособным способом межзвёздного (ну и межпланетного в частности) перелёта.
С точки зрения науки нет никаких причин, чтобы эта штука не работала. К сожалению, есть причины экономические. В том или ином виде идея разрабатывалась с пятидесятых годов. Довольно быстро стало понятно, что одной бомбой там не отделаться и взрывать придётся много. Много и часто. По очень оптимистичным прикидкам, лет за 120-140 можно добраться до ближайшей к нам системы (тройная α Центавра ABC), если весь этот срок ежесекундно (!) подрывать несколько ядерных зарядов. Как вы понимаете, такой запас можно собрать за довольно долгий срок и только лишь дружно напрягшись всем человечеством. А потом ещё будет проблема поднять всё это хозяйство на орбиту и там собрать, на это понадобились бы тысячи носителей несуществующего уже сверхтяжёлого класса, вроде "Энергии" или "Сатурн-5".
2.2 Прямоточный термоядерный ракетный двигатель. Он же - "межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда". Принцип движения тот же что у остальных реактивных двигателей, описанных в первой части. Отличие заключается в том, что современные двигатели расходуют то топливо, которое везут с собой. Прямоточный же двигатель скорее напоминает воздушный реактивный двигатель тем, что рабочее тело он не везёт в канистре, а добывает снаружи, из-за борта.
В качестве рабочего тела предлагалось использовать водород, захватываемый из пространства. Сначала собирать водород предполагалось гигантской воронкой, однако довольно скоро стало очевидно, что таскать такую дуру по космосу не представляется целесообразным. Тогда пришли к решению: собирать водород с помощью электромагнитного поля диаметром в несколько тысяч километров.
Ну то есть корабль электромагнитным пылесосом собирает перед собой водород (а он там таки есть в межзвёздном пространстве), нагревает его ТЯРДом и выбрасывает сзади. Это вариант первый. Вторым вариантом было не выбрасывать водород, а использовать в качестве непосредственно топлива для ТЯРДа.
Из существенных (и очень заманчивых) плюсов - возможность идти с постоянным ускорением (читай - не болтаться внутри корабля в невесомости) и практически полная топливная автономность.
Основной минус в том, что в окрестностях нашей системы количество межзвёздного газа очень невелико. Меньше, чем в других местах. Причиной послужил относительно недавний взрыв сверхновой в окрестностях Солнца, "сдувший" потенциальное топливо.
Максимальная скорость, развиваемая подобным прямоточником, составит не более 0,119c = 35,7 тыс. км/с. Причина в том, что встречные атомы, которые он должен улавливать, будут его же и тормозить своим импульсом.
Естественно, надо понимать следующее. Это голая теория. Причём теория родом из шестидесятых годов. И несмотря на то, что теоретические работы над данной концепцией всё ещё ведутся, у неё куча слабых сторон и масса недоработок. Сегодня мы уже понимаем, что как минимум система захвата рабочего тела должна быть более совершенной. Ну и конечно же, в настоящее время такой двигатель промышленно невоспроизводим (основная проблема - всё та же система захвата, то бишь "пылесос").
Вот как-то так мог бы выглядеть корабль с ПТЯРДом:
2.3 Фотонные двигатели. Тут я постараюсь покороче, поскольку этот концепт уже приближается к границе между действительностью и фантастикой. Он ещё вроде как по эту сторону реальности, но если ядерно-импульсный двигатель (п. 2.1) пришлось бы строить всей планетой лет сто, фотонный двигатель при нынешнем уровне развития нам просто недоступен. Никак.
Суть фотонного двигателя в том, что реактивная тяга создаётся истекающими фотонами света (они имеют импульс). Если упрощать, то это сверхмощный фонарик, отталкивающийся собственным лучом. Теоретически, в отличии от всех упомянутых выше тошнотиков, такой двигатель мог бы приблизиться к скорости света.
Придумано два типа фотонных двигателей: аннигиляционный и двигатель на магнитных монополях.
Для работы аннигиляционного фотонного двигателя требуется антивещество. Возможно (!), при его взаимодействии с обыкновенным веществом будет происходить реакция, почти полностью превращающая их в излучение. Беда в том, что антивещество - самая дорогая субстанция на Земле, примерной стоимостью 62,5 триллиона долларов за грамм. Высокая стоимость вызвана серьёзной нехваткой запасов антивещества. Цитирую Вики: "В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого учёные охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды." Как вы догадываетесь, для полёта этого, мягко говоря, недостаточно.
Схема работы аннигиляционного фотонного двигателя:
С фотонным двигателем на магнитных монополях тоже засада. Монополи - гипотетические элементарные частицы, которые чем дальше, тем более гипотетическими становятся. Их упорно ищут, применяя Большой адронный коллайдер (такой большой и такой адронный!) к различным предметам, но эффекта пока что никакого. То бишь полный ноль. Более того, некоторые современные теории вообще не предполагают существования в природе магнитных монополей. Очень печально, потому что добывать и хранить их могло бы быть проще, чем антивещество. А могло бы и не быть. Это - передний край науки, где происходит самое интересное, а потому никто пока ни в чём не уверен.
3. Вот и пришло время для самого вкусного! Кто дочитал, тот - молодец. Наконец-то мы дошли до двигателей, которые во-первых должны реально работать, во-вторых не требуют для своего создания предварительного порабощения всей планеты.
3.1 Солнечный (световой) парус. Красивая и даже в каком-то смысле романтичная идея начала (!) ХХ века, понемногу претворяющаяся в жизнь. Автор - советский физик Фридрих Цаандер, предположивший возможность такого способа перемещения в 1920 году.
Парус использует давление фотонов света стороннего источника (вместо того чтобы светить самому, как это предполагается в фотонном двигателе), например - звезды или лазера.
В качестве основного двигателя парус пока не был использован ни разу, однако испытания ведутся многими странами. Первым аппаратом, развернувшим парус, стал российский "Прогресс" в 1993 году. Однако это было испытание самого процесса разворачивания, движение при этом не совершалось. Первым аппаратом, использовавшим парус по прямому назначению, стал японский IKAROS в 2010 году.
Главный плюс - парусу не требуется топливо. Главный минус - парусу нужен свет.
Давление света Солнца к границам Солнечной системы уменьшается до ничтожных величин, по этой причине использование такого двигателя (а точнее - движителя) будет иметь свои особенности. Между внутренними планетами, скорее всего, перемещаться можно будет вполне эффективно. А вот для перелётов к границам системы, вероятно, разгоняться придётся от самого Солнца (где давление света максимально), в определённый момент сворачивая парус, чтобы он не начинал выполнять роль солнечного тормоза и не мешал маневрировать.
Относительно свежая идея, не опробованная пока что на практике - светить в парус удаляющегося корабля лазером. Если вывести такой лазер на орбиту (чтобы не мешала атмосфера Земли), если поставить их много, если подобрать источник питания, способный долговременно давать требуемую мощность, ну и наконец, если хорошенько прицелиться, то вполне реально отправить некий аппарат даже к соседним звёздам.
Сегодняшние лазеры не позволяют отправить к соседней звезде ничего серьёзнее нескольких граммов. Сегодняшняя электроника не позволяет запихнуть в эти граммы хотя бы камеру и передающее устройство. Сегодняшняя политическая обстановка не позволяет устанавливать на орбите сверхмощные лазеры, потому что если их развернуть вниз, получится орбитальная боевая платформа, которую можно на кого-нибудь нацелить.
Но. Лазерные технологии развиваются, электроника развивается. Даже сами разгонные лазеры можно ставить не на орбите, а на обратной стороне Луны - оттуда они не будут угрожать Земле, зато в случае инопланетного вторжения сможем отстреливаться :). Шутки-шутками, но тема действительно очень и очень любопытная.
В 2016 году группа состоятельных ребят, включающая Юрия Мильнера и Марка Цукерберга, скинулись на общую сумму в 100 000 000$ на развитие этой вот идеи с разгонными лазерами и отправкой микроаппаратов к многострадальной α Центавра ABC. Вряд ли они всерьёз рассчитывают отбить свои вложения, поэтому огромное спасибо за бескорыстный вклад в науку. Впрочем, нельзя также исключать, что им просто нужен предлог для строительства гигантского лазера.
Проект называется "Breakthrough Starshot", ведут его очень титулованные граждане, в том числе Хоккинг, Перлмуттер и Рис. Рассчитывают достичь 1/5 скорости света и, соответственно, лет за двадцать "допихать" лазером аппарат (а точнее - стаю мелких аппаратов) до соседней системы. В июне 2017 года состоялся успешный вывод на низкую околоземную орбиту первых рабочих прототипов нанозондов — чипов размером 3,5 на 3,5 см и весом около 1 грамма, несущих на себе солнечную панель, микропроцессор, датчик и систему связи.
Небольшой парус, развёрнутый на стенде в лаборатории NASA (учёные мужики в правом верхнем углу для масштаба):
3.2 Электрический парус. Не путать с солнечным! Тоже парус, только вместо фотонов света он улавливает солнечный ветер - поток ионизированных частиц. Совсем новьё, финская идея 2006 года. В 2013 году в университете Хельсинки создан первый рабочий прототип.
Двигатель состоит из сети длинных тонких алюминиевых тросов с положительным потенциалом и электронной пушки. Электронная пушка создает луч электронов, направленный против движения космического корабля, из-за чего тросы приобретают положительный заряд. Создаётся электрическое поле, тормозящее ионы солнечного ветра. Ударяясь на средней скорости порядка 468 км/с, они передают свой импульс парусу и приводят в движение космический корабль.
Точные характеристики окончательно не ясны, все ждут ходовых испытаний. В целом выглядит весьма перспективно, хотя понятно, что для того чтобы набрать пристойную скорость, общая длина этих вот усов должна составлять хотя бы 2000 километров, при толщине 25 – 50 мкм.
Если сравнивать с солнечным, то главное преимущество подобного паруса в возможности двигаться по направлению к источнику направленных частиц (а не только от него). Кроме того, такой парус проще в производстве и удобнее в эксплуатации: длинный тонкий ус развернуть куда легче, чем натягивать сплошное полотно. Очевидно также, что он куда меньше боится постороннего космического мусора. Но вот сила разгона будет раз в 200 меньше чем у солнечного паруса аналогичной площади.
Художественное изображение электрического паруса:
3.3 Термоядерные ракетные двигатели. Гигантский межпланетный пылесос, описанный в пункте 2.2, по сути своей - частный случай такого двигателя. Но тот проект всё-таки фантастичен. А вот если отбросить всю экзотику с прямоточностью и сбором пролетающего мимо водорода, тогда становится похоже на правду.
На сегодняшний день мы имеем научное обоснование двух типов ТЯРДов: импульсный и на основе реактора с магнитным удержанием плазмы.
Суть импульсного ТЯРДа в том, что управляемая термоядерная реакция происходит в импульсном режиме, при периодическом ионно-пучковом обжатии и разогреве топливных «таблеток». Получается что-то отдалённо напоминающее проект из пункта 2.1, когда под кораблём предлагалось взрывать ядерные бомбы. Только там предполагалось использование энергии распада ядер, а в обсуждаемом проекте речь идёт о синтезе.
ТЯРД с магнитным удержанием плазмы выходит несколько компактнее. Термоядерное топливо (предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов) подаётся в магнитную ловушку реактора, где происходит постоянная управляемая реакция термоядерного синтеза. Плазма, полученная в ходе термоядерного горения, направляется магнитными направляющими в сопло и создаёт реактивную тягу.
Любопытное дополнение с Вики: "Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек."
Единственное внятное изображение ТЯРДа с магнитным удержанием, которое мне удалось найти на просторах:
Рабочих образцов термоядерных двигателей (да и реакторов) на сегодняшний день не существует. Однако разработки ведутся весьма широко. С высокой долей вероятности именно эти двигатели - наше будущее. С точки зрения науки нет никаких причин для того, чтобы их нельзя было бы создать. Причём говорить тут можно не о каком-то гипотетическом будущем, а о вполне достижимом. При оптимистичном сценарии появления первых ТЯРДов можно ждать уже на нашем веку. Вероятно, именно с этими двигателями мы станем осваивать Солнечную систему.
Ну, пожалуй что, that's all, folks! Кажется, это всё что есть более-менее обоснованного, о чём сегодня можно рассуждать всерьёз.
