Давайте порассуждаем о возможности космических путешествий человека к другим звездным системам.
В последнее десятилетие активно обсуждался новый тип двигателя, способного приводить в движение космические корабли будущего, который был разработан в 2000 году британским ученым Роджером Шойером: EmDrive, также известный как радиочастотный резонансный двигатель. Это двигатель, который использует микроволны, генерируемые в магнетроне, для приведения себя в движение; ему не нужно топливо, только источник электричества. Проблема с проектом Шойера, как отмечают его критики, заключается в том, что он нарушает один из самых священных принципов физики - принцип сохранения линейного импульса, который определяется как произведение массы на скорость. Законы физики гласят, что если корабль стартует из состояния покоя, то произведение его массы на скорость должно быть равно произведению массы на скорость газов, выбрасываемых двигателем. Но если в этом случае ничего не выбрасывается, как же он будет двигаться?
С 2014 года НАСА и Дрезденский технологический университет проводят эксперименты, чтобы проверить, может ли такой двигатель работать, но результаты неубедительны: последние испытания, проведенные в 2021 году, показывают, что прежние положительные результаты неубедительны. Последние испытания, проведенные в 2021 году, показывают, что ранее полученные положительные результаты объясняются экспериментальными ошибками, но все еще предстоит выяснить. Но если это действительно работает, станет ли такая двигательная система способной доставить нас к звездам? Сторонники этой идеи не сомневаются. Более того, некоторые уже провели расчеты: с двигателем EmDrive, способным развивать скорость 9,4% от скорости света - что кажется вполне осуществимым, - мы могли бы достичь Марса за 70 дней, за 9 месяцев долететь до Сатурна и за 130 лет до Альфы Центавра, ближайшей к нам звездной системы, расположенной на расстоянии 4,3 световых лет.
Для работы двигателя - необходимо электричество равное источнику микроволн - космический корабль должен нести ядерную электростанцию мощностью от 1 до 100 мегаватт, что не очень сложно с технологической точки зрения. Интерес к этому новому типу двигателей охватил Китай и Англию, где уже проводятся новые эксперименты.
Мечта о межзвездных путешествиях
Мы должны понимать эту иллюзию: с 1980-х годов лишь немногие предложения по двигателям увидели свет. Именно поэтому в 2011 году Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) пообещало вложить полмиллиарда долларов в развитие технологий, необходимых для межзвездных путешествий. Однако не все ученые согласны с этими инвестициями; многие считают это пустой тратой денег и вспоминают слова одного из пионеров радиоастрономии Эдварда Перселла, сказанные им в 1960 году: "Вся эта история с путешествиями по Вселенной в скафандрах - за исключением локальных исследований - должна вернуться туда, откуда она пришла: к коробкам с хлопьями".
Основная проблема космических путешествий заключается в огромных расстояниях, которые необходимо преодолеть. Мы запустили десятки космических аппаратов, большинство из которых были беспилотными, и самый далекий из них - "Вояджер-1". Хотя он начал свое путешествие в межзвездную среду 25 августа 2012 года, сейчас он находится на расстоянии чуть более 18 световых часов от нас, что составляет менее 1/2000 расстояния до ближайшей звезды, Проксимы Центавра, находящейся на расстоянии 4,2 световых лет. Зонду "Вояджер" потребовалось 38 лет, чтобы добраться до того места, где он сейчас находится, и ему потребуется 40 000 лет, чтобы приблизиться к звезде: в частности, он будет находиться на расстоянии 1,6 светового года от звезды с неинтересным названием Gliese 455, в 17 световых годах от нас.
Путешествовать между звездами не так просто, как это представляется в научной фантастике. Чтобы иметь представление о проблемах, которые необходимо преодолеть, предположим, что мы хотим отправить пилотируемую миссию к ближайшей звезде, Проксиме Центавра. Первое, что нам нужно сделать, - это совершить путешествие за разумное время. Это означает, что космический корабль должен стабильно разгоняться как минимум первую половину пути, а затем постепенно замедляться во второй половине. Для астронавтов, которые будут испытывать на себе последствия этого путешествия, лучше всего, если ускорение космического корабля будет таким же, как у поверхности Земли, около 9,8 м/с^2: таким образом, тело астронавтов будет чувствовать себя как на поверхности Земли, и мы сможем избежать всех проблем со здоровьем, связанных с жизнью в невесомости. В случае с путешествием к Проксиме это означает, что максимальная скорость, которую достигнет космический корабль, составит 95 % от скорости света: если смотреть с Земли, то путешествие займет 5,8 года, но из-за релятивистских эффектов движения на околосветовых скоростях (время в космическом корабле идет медленнее, чем на нашей планете) для астронавтов оно продлится всего 3,5 года.
Проблемы, которые необходимо преодолеть
Неплохой вариант, не так ли? Конечно, тут-то и появляются детали, которые в итоге портят хорошую историю. Первая из них заключается в том, что корабль должен быть чем-то приведен в движение. Предположим, что его общая масса равна массе старого космического шаттла - 2000 тонн. Из этого следует, что энергия, необходимая для доставки корабля к Проксиме Центавра, составляет 780 000 эксаджоулей (экса - приставка к триллиону). Это колоссальная цифра: мировое потребление энергии в 2020 году составило 556,63 эксаджоуля, а значит, чтобы доставить этот маленький корабль к Проксиме, нам нужно потратить чуть более 1400 раз больше энергии, чем потребляет весь мир. Проблема ясна: откуда взять столько энергии?
Но на этом проблема не заканчивается. Топливо тоже имеет массу, поэтому его нужно добавить к общей массе; это означает, что нам нужно больше топлива, чтобы перемещать, как это ни парадоксально, топливо. Это классический порочный круг: чем больше масса, тем больше потребность в топливе. А добавленная масса будет в миллионы или миллиарды раз превышать собственный вес корабля, что еще больше усиливает иронию: большая часть топлива корабля будет использована для перемещения массы топлива.
Мы можем подумать, что один из способов уменьшить количество перевозимого топлива - это повысить эффективность двигателя, чтобы он преобразовывал больше топлива в полезную энергию. Однако даже если бы нам удалось найти систему со 100-процентным КПД, что практически невозможно, количество необходимого топлива более чем в 4,5 раза превысило бы вес космического корабля. Путешествие в том виде, в котором мы его себе представляем, становится невыполнимым.
Единственное решение - снизить ускорение, чтобы уменьшить расход топлива. Конечно, это увеличит продолжительность путешествия. Если принять за правило, что топливо при взлете должно весить меньше, чем космический корабль, то ускорение составит 0,0018 м/с^2, что меньше ускорения, развиваемого спринтерами в беге на 100 метров. При таком ускорении путешествие займет 97 лет: астронавты вряд ли доберутся до Проксимы живыми.
И это без учета других базовых вопросов, таких как то, что астронавтам нужно питаться. Если предположить, что они смогут выжить на эквиваленте 900 г мяса и литра воды в день, и если только два астронавта отправятся на нашем космическом корабле в 97-летнее путешествие, то общий вес продуктов питания составит 135 тонн, и это без учета воды, необходимой для ежедневного омовения. Даже при наличии эффективной системы переработки отходов, такой как на Международной космической станции (МКС), это все равно очень большой вес. Все это говорит о том, что нынешние ракетные топлива не являются ни экономически эффективными, ни полезными для космических путешествий. Новые идеи просто необходимы.
Создание других форм двигателей
В 1946 году математик и писатель-фантаст Станислав Улам предложил необычный способ приведения в движение, названный ядерным импульсом. Представьте себе плоскую поверхность, покрытую тонким слоем графита. В космосе на расстоянии нескольких десятков метров от "тарелки" взрывается ядерная бомба - ровно настолько, чтобы не разрушить ее. В результате обломки взрыва столкнутся с тарелкой, отскочат от нее, и из-за столкновения тарелка полетит вперед.
В 1973-1978 годах команда из 13 человек из Британского планетарного общества подхватила идею Улама и разработала проект "Дедал" - 450-тонный автоматический зонд, который должен был достичь звезды Барнарда, расположенной в 50 световых годах от нас, со скоростью 12 % от скорости света благодаря 250 внутренним термоядерным микровзрывам в секунду.
Проект "Дедал" стал наследником аналогичного проекта с использованием бомб ядерного деления - проекта "Орион". В период с 1958 по 1965 год команда из 40 человек с бюджетом в 11 миллионов долларов теоретически и практически исследовала возможности создания межзвездного космического корабля. Они даже дошли до того, что построили испытательный аппарат под названием "Пут-Пут", который с помощью пяти зарядов химических взрывчатых веществ поднялся на высоту 60 метров - на то же расстояние, что и первая ракета на жидком топливе, запущенная Годдардом 16 марта 1926 года. В 1968 году физик Фримен Дайсон, участвовавший в создании "Ориона", предложил использовать бомбы ядерного синтеза для достижения скоростей порядка 750-15 000 км/с. Вскоре после этого, в 1969-1971 годах, Артур П. Фраас предложил систему Blascon. Ее принцип работы был также прост: инициировать ядерные микровзрывы с помощью высокоинтенсивного лазера или электронной струи для расплавления небольших плазменных гранул. Другими словами, в космический корабль должен быть встроен двигатель ядерного синтеза. Однако проблема с ним та же, что и с обычными космическими аппаратами: он должен нести топливо, что означает дополнительный вес. Нельзя ли разработать двигатель, которому, как это ни парадоксально, не нужно нести топливо? Такой двигатель есть, и называется он "солнечная навигация": как ветер приводит в движение корабли, так и звездный свет может однажды привести в движение новый космический корабль.
Солнечная навигация
Может показаться странным, что свет оказывает эффективное давление на объекты, но это так: солнечный парус - это не что иное, как зеркало с высокой отражающей способностью: когда фотоны света попадают на него, они передают импульс, необходимый для движения аппарата. Таким образом, для того чтобы 1 килограмм увеличивал свою скорость на 30 км/ч каждую секунду, необходим парус площадью 1 км^2: речь идет о действительно огромных парусах.
Первым, кто предложил солнечный парус, был Карл Уайли в 1951 году в журнале Astounding Science Fiction. Семь лет спустя физик Ричард Гарвин опубликовал первую техническую статью на эту тему, которая заканчивалась такими словами: "Метод приведения в движение имеет незначительную стоимость и, возможно, более мощный, чем многие конкурирующие схемы". 12 августа 1960 года спутник связи Echo-1 непреднамеренно продемонстрировал, что солнечная навигация может быть осуществима: давление солнечного света на спутник, представляющий собой шар диаметром 30 м с высокой отражательной способностью, привело к тому, что ближайшая к Земле точка его орбиты оказалась в пределах 500 км.
Основные компоненты солнечной навигации можно найти на наших кухнях: алюминиевая фольга и тонкий пластик, в который мы заворачиваем продукты. Алюминий - это отражающий материал, а пластик - прочная конструкция, на которую он крепится. Например, алюминизированный майлар - хороший материал для солнечного парусника. Единственная проблема заключается в том, что монтаж огромных парусов невозможен на Земле, только в космосе: только так он может быть свободен от деформаций и напряжений, вызванных силой тяжести. Кроме того, из-за размеров паруса его толщина должна быть максимально уменьшена, чтобы он не был слишком массивным, тем более что солнечное давление больше похоже на легкий бриз, чем на ураганный ветер. Таким образом, ширина, получение которой не представляет особых технологических проблем, составляет одну тысячную микрона: настолько мала, что четыре атома алюминия могут уместиться в ряд. При этом, стартуя с одной десятой расстояния между Землей и Солнцем, тысячетонный космический корабль с круговым парусом радиусом более 2 000 километров сможет развивать скорость 2 300 км/с, что составляет почти один процент от скорости света. Но есть проблема: алюминий становится прозрачным, когда его толщина падает ниже сотых долей микрона. Чтобы получить парус, подобный приведенному выше, его придется перфорировать отверстиями размером не более полумикрона.
Другая беда в том, что этот тип движителя бесполезен, если мы движемся среди звезд: до нас не доходит достаточно света, чтобы привести нас в движение. Чтобы использовать его в качестве межзвездного топлива, Роберт Форвард предложил использовать на орбите лазеры, которые будут стрелять прямо по солнечному парусу. Таким образом, тысячетонный космический корабль с парусом радиусом 242 километра разогнался бы до 15 % скорости света всего за два месяца. Лазер, в свою очередь, должен обладать внушительной мощностью: 240 тераватт, что примерно в 20 раз больше электроэнергии, вырабатываемой всем человечеством за год. При скорости света в 15 % космический корабль достигнет Проксимы Центавра за 29 лет.
Идея солнечной навигации проста: использовать то, что окружает космический корабль, для его движения. С этой мыслью Роберт Буссард, работая в Лос-Аламосской национальной лаборатории, в 1960-х годах придумал свой движитель Рамджет. Принцип прост: с помощью электромагнитного поля космический аппарат улавливает водород из межзвездной среды, необходимый для работы реактора ядерного синтеза. Предполагая площадь сбора 4000 км^2, тысячетонный космический корабль мог бы достичь ускорения, подобного земному, в типичной области межзвездного газа, где на кубический метр приходится миллион атомов водорода. Единственная проблема - а она, похоже, всегда есть - заключается в том, что магнитное поле, необходимое для сбора водорода, должно быть в 100 раз сильнее, чем те, что существуют сегодня. Не говоря уже о том, что мы уже полвека пытаемся создать термоядерный реактор, который работал бы дольше нескольких минут.
Двигатель на антиматерии
Двигатель, граничащий с научной фантастикой, - это двигатель на антиматерии, детище одного из величайших провидцев межпланетных путешествий, американского физика Роберта Л. Форварда. Антиматерия - это зеркальное отражение материи, из которой мы состоим. Когда частица антивещества, например антипротон, встречается с соответствующей частицей материи, они полностью аннигилируют. Другими словами, 100 % массы высвобождается в виде энергии: если мы уничтожим один килограмм материи одним килограммом антиматерии, то получим энергию, эквивалентную 40 миллионам тонн тротила. Исходя из этого, теоретическим пределом скорости для такого двигателя является скорость света. Но не все так просто. Сорок процентов этой энергии выделяется в виде смертоносного гамма-излучения, а это значит, что обитаемая зона космического корабля должна быть сильно экранирована, чтобы не убить астронавтов, что значительно увеличивает мертвый груз, который необходимо транспортировать. Кроме того, антиматерия не растет на деревьях, ее нужно производить, и в настоящее время количество энергии, необходимое для получения одного килограмма антиматерии, в миллион раз превышает энергию, выделяемую при аннигиляции этой антиматерии в ракете. Если вы отдаете больше, чем получаете, потери неминуемы.
И больше нет никаких идей: обычное топливо, электрическая тяга, ядерные ракеты или ракеты на антивеществе. Однако важно четко понимать, что настоящая проблема космических путешествий не технологическая, а та, которую физики и инженеры долгое время игнорировали: человеческий фактор.
Проблемы и опасности, которые могут коснуться астронавтов
Для создания космического корабля, который проведет в космосе больше года, требуется не только хорошая двигательная установка. Вы не можете держать членов экипажа в перчатках, не имея ничего, чем можно было бы заняться, и не имея никаких развлечений. Что будут делать астронавты со своими днями и ночами, которые всегда одинаковы? Как бы романтично ни звучали космические путешествия, скука и однообразие - злейшие враги. А как уберечь астронавтов от опасности космической радиации или разрушительного воздействия микрогравитации на кости и мышцы? Как уберечь их от нехватки еды и воды? А как насчет психологического стресса от жизни в космосе вдали от Земли? А как насчет еды - можете ли вы представить, что будете питаться "пищей астронавтов" на протяжении десятилетий?
В общем, самой страшной проблемой, с которой столкнутся астронавты, будет вездесущая космическая радиация; она настолько страшна, что пока Космический центр НАСА имени Джонсона не изучит проблему достаточно подробно, решение о том, отправлять ли пилотируемую миссию на Марс, не будет принято.
Это путешествие займет 2,5 года - почти в шесть раз дольше, чем астронавты проводят на космической станции, и дольше, чем рекордсмен, россиянин Валерий Поляков, который провел на "Мире" почти 438 дней. Больше всего биомедиков НАСА беспокоят "неизвестные неизвестные" - проблемы, вызванные космической радиацией, о существовании которых мы не знаем. Например, та, что возникла у врача и астронавта Майкла Р. Барратта во время его шестимесячной миссии в 2009 году. Однажды он заметил, что ему стало трудно видеть предметы вблизи: он стал дальнозорким. Он также обнаружил признаки воспаления зрительного нерва и появление пятен на сетчатке.
Кроме того, будут ли астронавты готовы провести несколько лет в крошечном космическом корабле? Чтобы пролить свет на это неизвестное, в июне 2010 года ЕКА и российский Институт медико-биологических проблем отправили шесть человек в 520-дневную миссию на Марс. Конечно, это была ненастоящая миссия, но исследователей интересовал эффект от длительной изоляции и стресса, который с ней связан. Во время путешествия на Марс проблем не возникло, так как у них было много дел, и они с нетерпением ждали новых приключений, но возвращение домой? Это было совсем другое дело. Короче говоря, астронавтам было скучно до безумия, а дни казались неделями. А ведь они знали, что по ту сторону двери их корабля находятся помещения российского института. Вопрос в том, что будет, когда по ту сторону окажется лишь пустота и темнота?
