Группа ученых предложила новый способ космических путешествий, который может сделать полеты к другим звездным системам возможными при жизни одного поколения людей. В основе метода — пучки электронов, разогнанных почти до световой скорости.
Джефф Грисон, технический директор компании Electric Sky и председатель фонда Tau Zero, объясняет, что главная проблема в достижении других звезд заключается в огромных расстояниях. Ближайшая к нам звездная система Альфа Центавра находится в 4,3 световых года — это примерно в 2000 раз дальше, чем смог улететь космический аппарат "Вояджер-1", самый далекий из созданных человеком объектов в космосе.
Исследование, которое провели Грисон и физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Геррит Брухауг, опубликовано в журнале Acta Astronautica. По словам ученых, современные химические ракеты, даже с дополнительным ускорением от пролета мимо планет или Солнца, не могут разогнаться до скоростей, необходимых для межзвездных перелетов.
Главная проблема в том, как передать космическому кораблю достаточно энергии эффективным и доступным способом. На борту слишком мало места для топлива или аккумуляторов, которые понадобились бы для разгона. При этом, по словам ученых, научные организации не готовы финансировать миссии продолжительностью более 30 лет — слишком долго придется ждать результатов.
Раньше физики в основном рассматривали для столь дальних полетов лазерные лучи, состоящие из фотонов. Среди самых перспективных идей — лазерные межзвездные прямоточные двигатели и лазерные паруса. Прямоточные двигатели должны сжимать водород из межзвездного пространства, получая энергию от лазерного луча с Земли. Лазерные паруса используют импульс фотонов, чтобы толкать корабль вперед.
Однако у обеих концепций есть серьезные недостатки. Прямоточным двигателям мешает слишком низкая плотность межзвездной среды и огромные требования к энергии для термоядерного синтеза. Лазерные паруса проще по конструкции, но сложно сохранять точность наведения луча и его интенсивность на таких огромных расстояниях.
Электроны же гораздо легче разогнать почти до скорости света, и у них есть уникальные преимущества. Но главная проблема в том, что они имеют отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга, поэтому луч рассеивается. Но Грисон и Брухауг нашли способ это предотвратить.
На релятивистских скоростях, близких к скорости света, время течет медленнее, поэтому электронный луч не успевает рассеяться и остается сфокусированным. Кроме того, космос не пуст — в нем есть очень разреженная ионизированная газовая плазма. Когда электронный луч проходит через нее, он отталкивает легкие электроны, а тяжелые ионы остаются позади.
Таким образом создается магнитное поле. Оно формирует силу, которая стягивает луч, не давая ему рассеиваться. Этот эффект называется "релятивистским пинчем". По расчетам ученых, такой луч может передать достаточно энергии, чтобы разогнать зонд массой 1000 кг (как "Вояджер-1") до 10% скорости света. Это позволит достичь Альфы Центавра за 40 лет вместо нынешних 70 тысяч.
Грисон отмечает, что такие сжатые релятивистские пучки уже существуют в космосе — например, в струях заряженных частиц, которые выбрасывают черные дыры. Но остается много вопросов: можно ли искусственно создать такие условия, не разрушит ли магнитное поле Солнца луч, как его запустить.
Ученые предлагают разместить корабль-генератор луча рядом с Солнцем, где интенсивный солнечный свет обеспечит необходимую энергию. Но передача энергии — только половина задачи. Нужно еще преобразовать ее в движение корабля, выбрасывая какое-то рабочее тело. При этом процесс должен выделять минимум тепла, иначе корабль расплавится.
Грисон признает: у команды есть некоторые идеи по поводу преобразования энергии луча в движение корабля, но пока они остаются чисто гипотетическими и требуют дополнительной проработки.
Для проверки теории необходимо провести компьютерное моделирование и космические эксперименты. Например, спутник мог бы направить луч на Луну, чтобы проверить расчеты. По сравнению с лазерными парусами электронные лучи могут работать на расстояниях в 10 тысяч раз больших и разгонять более тяжелые корабли. Это важно, поскольку для лазерных систем рассматривают аппараты массой всего несколько граммов, которым будет сложно передать данные на Землю.
Исследователи подчеркивают, что стоимость создания мощного луча напрямую зависит от необходимой мощности. Поэтому подход с релятивистским электронным лучом может оказаться значительно доступнее альтернатив. У более тяжелых аппаратов массой в десятки килограммов будет достаточно места для источников питания, научных приборов и систем связи, необходимых для обмена информацией.
Технология передачи энергии на большие расстояния может найти применение не только в межзвездных полетах, но и внутри Солнечной системы, например, для передачи энергии от Солнца к другим объектам вроде Луны.