Одним из пионеров в области солнечных парусов был физик Роберт Форвард. Ещё в начале 60-х годов, когда человечество только-только делало первые шаги в космос, он предложил использовать для разгона космических аппаратов не тяжёлое топливо, а энергию света. Огромное, тоньше фольги полотно, улавливающее фотоны света и разгоняющее аппарат, как парусник, подгоняемый попутным ветром. Фантастика? Как бы не так! Форвард доказал, что это вполне реально, и его идеи легли в основу современных проектов солнечных парусов.
Но некоторые учёные пошли ещё дальше. А что, если использовать не просто солнечный свет, а мощные, сфокусированные лазерные лучи? А ещё лучше – рентгеновские лазеры. Ведь чем больше энергии получает парус, тем быстрее летит космический корабль. Идея, надо сказать, заманчивая, и в 1966 году венгерский физик Дьёрдь Маркс решил разобраться в ней более подробно.
Рентгеновский звёздный экспресс: грандиозные планы Дьёрдя Маркса
Дьёрдь Маркс, профессор теоретической физики в Будапештском университете, был страстно увлечён идеей межзвёздных путешествий. Он перечитал кучу книг и статей на эту тему, изучил все "подводные камни" и препятствия. Одной из главных проблем, конечно, был вопрос энергии. Как разогнать корабль до скорости, достаточной, чтобы добраться до другой звезды за разумное время?
И тут на помощь пришла идея с лазерными парусами. Маркс провел расчеты и опубликовал статью "Межзвездный корабль, движимый земным лазерным лучом” в журнале Nature, в которой изложил свою концепцию рентгеновского паруса. Его идея заключалась в том, чтобы создать на орбите Земли огромный парус, а на поверхности планеты мощный лазер, который будет его разгонять.
Маркс рассчитал, что для того, чтобы разогнать корабль до значительной доли скорости света, потребуется лазер невероятной мощности и парус размером в несколько квадратных километров.
На мой взгляд, это было похоже на описание из фантастического романа, но Маркс был серьёзен в своих выводах. Он утверждал, что технически это вполне реализуемо, пусть и в отдалённом будущем.
Почему идея Маркса не сработает?
Казалось бы, идея хорошая. Мощный лазер, огромный парус… Что может пойти не так? Как выяснилось, у рентгеновских лучей есть один существенный недостаток, который делает их совершенно непригодными для разгона космических парусов. Об этом рассказал Джим Бенфорд, специалист по микроволновому излучению.
Джим Бенфорд, автор книги "Высокочастотные микроволны" и активный участник проекта Centauri Dreams, посвященного поиску внеземных цивилизаций, сразу же указал на главную проблему идеи Маркса. Дело в том, что рентгеновские лучи обладают очень высокой энергией. И вместо того, чтобы отражаться от поверхности паруса, они будут просто прожигать его насквозь, разрушая материал.
Представьте, что вы светите лазерной указкой на лист бумаги. Если указка достаточно мощная, она просто прожжёт в бумаге дырку. То же самое произойдёт и с парусом под действием рентгеновского лазера. Не самый лучший вариант для межзвёздного корабля, не правда ли?
"Рентгеновские фотоны обладают гораздо большей энергией, чем видимый свет или микроволны, – объясняет Бенфорд. – Вспомните знаменитую формулу E=hν, где E – это энергия фотона, h – постоянная Планка, ν – частота. Энергия рентгеновских фотонов примерно в тысячу раз больше, чем у видимого света, и в миллион раз больше, чем у микроволн. Если они падают на поверхность перпендикулярно [т.е. бьют в парус "в лоб"], то ионизируют атомы, разрушая кристаллическую решетку материала".
В качестве наглядного примера Бенфорд приводит устройство рентгеновских телескопов. Чтобы "поймать" рентгеновские лучи из космоса, учёные используют не обычные зеркала, а сложную систему отражателей. Дело в том, что рентгеновские лучи отражаются от поверхности только под очень малыми углами. И если направить на парус рентгеновский луч под прямым углом, то он просто прошьёт его насквозь, не передав ему практически никакой энергии. А если же светить под очень острым углом, то эффективность такого "разгона" будет ничтожно мала.
"Не существует способа ускорить парус с помощью рентгеновских лучей, – констатирует Бенфорд. – Чтобы рентгеновские лучи отражались, поперечное сечение паруса должно быть расположено под небольшим углом к лучу, а не перпендикулярно ему. Это крайне неэффективно. Скользящее падение означает, что изменяется только небольшая поперечная составляющая вектора скорости фотона, а гораздо большая осевая составляющая остается практически неизменной. На наклонный парус передается очень мало энергии, и она толкает его вбок от луча, а не навстречу ему, как это делают отраженные фотоны при нормальном падении. Таким образом, парус очень слабо ускоряется в направлении рентгеновского луча".
Вердикт учёных: рентгеновские паруса – красивая, но бесполезная идея
Сам Роберт Форвард, кстати, тоже довольно скептически отнесся к идее Маркса. В своей работе "Межзвездное путешествие с использованием световых парусов с лазерным приводом", опубликованной в 1984 году, он написал:
"Концепция межзвездных солнечных парусов, приводимых в движение лазером, была вновь предложена Марксом в 1966 году. Поскольку Маркс не желал рассматривать апертуру лазера более 1 км², он был вынужден предположить использование жесткого рентгеновского излучения для получения дальности действия, необходимой для межзвездных полетов. Невозможность создания как рентгеновского лазера, так и легкого паруса, отражающего это излучение, привела Маркса к крайне пессимистичному выводу о реализуемости этой концепции. Если бы Маркс был готов рассмотреть большую апертуру передатчика, то его лазерные частоты и требования к парусу были бы гораздо проще".
Идею Маркса критиковали и другие ученые. Например, Дж. Л. Реддинг из Университета Бишопа в Квебеке в том же году опубликовал ответ на статью Маркса, в котором указал на неточности в его расчетах. А У. Е. Моекель из Исследовательского центра NASA им. Льюиса в Кливленде в своей работе "Движение за счет лазерных лучей", опубликованной в 1972 году, проанализировал возможность использования лазерного луча для разгона релятивистских зондов массой 100 тонн. Он пришел к выводу, что для этого потребуется рентгеновский лазер мощностью 1 000 000 000 000 ватт, что на тот момент было технически нереализуемо.
Так что же, мечта о межзвёздных путешествиях так и останется мечтой?
Конечно, нет! Несмотря на то, что идея с рентгеновскими парусами оказалась несостоятельной, учёные продолжают искать новые, более перспективные способы разгона космических аппаратов до релятивистских скоростей. Возможно, уже совсем скоро мы станем свидетелями новых открытий и изобретений, которые приблизят нас к этой цели.