Межзвёздные путешествия остаются одной из самых амбициозных целей человечества. Расстояния в десятки триллионов километров, колоссальные энергетические затраты и ограничения современных двигателей делают эту задачу невероятно сложной. Однако учёные и инженеры разрабатывают технологии, которые могут превратить фантастику в реальность. Пока, правда, лишь в теории, но ведь когда-то и человека в космос отправляли только на бумаге и атомная бомба была лишь гипотетический. В общем, давайте смотреть, что есть на сегодняшний день.
Термоядерные двигатели
В термоядерном синтезе лёгкие атомные ядра (например, дейтерий и тритий) сливаются, выделяя колоссальную энергию — так «горят» звёзды. В двигателе эта энергия будет направлена на создание реактивной струи плазмы, которая толкает корабль.
Эффективность такого двигателя даже сложно представить: 1 грамм термоядерного топлива даёт в 10 млн раз больше энергии, чем 1 грамм бензина. Пока, правда, ни одного работающего термоядерного двигателя нет, но были попытки.
Проект Daedalus, представленный в 1970-е представлял из себя беспилотный зонд массой 54 000 тонн. Предполагалось использовать микровзрывы термоядерных капсул (дейтерий + гелий-3) магнитными полями. Каждый взрыв создавал импульс, разгоняя корабль до 12% скорости света (36 000 км/с). Полет к звезде Барнарда (6 световых лет) занял бы 50 лет.
В настоящее же время существует проект ITER (строится с 2010 года). Это экспериментальный реактор для демонстрации управляемого синтеза. Хотя цель — энергетика Земли, успех ITER ускорит создание компактных реакторов для космоса.
Но почему до сих пор нет ни одного термоядерного двигателя, если первый серьёзный проект был ещё аж в 70-ых? Полвека прошло, а воз и ныне там. Дело в том, что для синтеза нужна температура в 150 млн °C. Плазму удерживают магнитными полями, но даже малейшая нестабильность разрушает процесс. Пока рекорд по удержанию плазмы принадлежит французам — 1337 секунд. На втором месте китайцы — 1066 секунд.
Но и в том и другом случае речь идёт об удержании плазмы при сравнительно небольших температурах порядка 50 миллионов градусов, а это в 2-3 раза меньше, чем нужно для самоподдерживающейся реакции, но главное — плотность удерживаемой плазмы недостаточна, поэтому даже если очень долго удерживать такую плазму, толку от неё не будет никакого.
А ещё термоядерные реакции генерируют нейтроны, повреждающие корпус корабля, поэтому нужна будет многослойная защита, которую только предстоит разработать.
И вот ещё одна проблема — где взять гелий-3? На Земле его почти нет, но зато его много в лунном реголите, поэтому сначала нужно освоить добычу на естественном спутнике Земли.
Если удастся решить все эти проблемы, термоядерные корабли смогут достигать ближайших звёзд за 50-100 лет. И если честно, сейчас это самый реалистичный вариант для пилотируемых миссий. Но есть и другие.
Солнечные и лазерные паруса
Принцип работы прост и аналогичен парусным судам. Только вместо ветра свет. Фотоны света, ударяясь в зеркальную поверхность паруса, передают ему импульс. Давление света ничтожно, поэтому на Земле такой парусник не сдвинется с места, далее если будет весить, как пёрышко, но в вакууме космоса при долгом воздействии оно может разогнать лёгкий аппарат до высоких скоростей, потому что там практически нет сопротивления.
Лазерные паруса ещё эффективнее. Мощный лазерный луч с Земли или орбиты может «давить» на парус, как ветер на яхту. И реальные примеры такого взаимодействия есть.
В 2010 году японский зонд IKAROS с солнечным парусом 14×14 метров за полгода разогнался от давления света до 400 м/с (это 1440 км/ч). Скорость, конечно, маловат для межзвездных путешествий, но эксперимент доказал, что технология работает. К тому же понятно, что, если сделать паруса гораздо больше и "бить" в них лазером, скорость будет больше.
А компания Breakthrough Starshot планирует отправить флот нанозондов (размером с чип) к Альфе Центавра (4.37 световых года). Каждый зонд будет иметь парус 4×4 м. Лазерная матрица мощностью 100 ГВт (как 100 атомных реакторов!) за 10 минут разгонит их до 20% скорости света, а потом уже скорость будет поддерживаться солнечными фотонами. Полет займёт 20 лет.к Альфе Центавре полёт запланирован на 2030-е года, а испытания в 2017 прошли успешно.
Плюсы космических парусников очевидны. Во-первых, не нужно топливо, во-вторых, долговечность, потому что нет движущихся частей.
Однако есть и сложности. Например, для лазерного разгона нужна энергия целой страны. Те самые 100 ГВт, о которых шла речь выше — это 1% текущей установленной мощности электростанций мира. К тому же луч должен попасть в парус размером с поле для гольфа на расстоянии в миллионы километров — это сложно. При этом для развития большой скорости аппарат должен быть максимально лёгким, но прочным, потому что на скорости 60 000 км/с даже пылинка разрушит аппарат.
Всё это делает лазерные паруса перспективными лишь для отправки мини-зондов. Однако и в этом случае стоимость проекта будет оцениваться миллиардами долларов.
Антиматерия
Когда обычные люди слышат про антиматерию, они обычно спрашивают: «А это ещё что такое?» Поэтому рассказываю. При контакте вещества и антиматерии происходит аннигиляция: их масса полностью превращается в энергию (по формуле E=mc²). Например, 1 грамм антиматерии + 1 грамм вещества = взрыв мощностью 43 килотонн (вдвое сильнее бомбы в Хиросиме). В общем, вещь, безусловно, крутая.
Есть даже проект NASA «Антипротонный двигатель», который предполагает использование антипротонов для инициирования ядерных реакций. Например, микродозы антиматерии (нанограммы) будут поджигать термоядерное топливо, повышая эффективность.
Звучит сложно, непонятно и пока что очень маловероятно, потому как единственное место, где производят антиматерию — Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN). Но и там за год получают ~1 нанограмм антипротонов (на один грамм ушло бы 10 млрд лет).
Вот если бы удалось создать «фабрики антиматерии» на орбите (используя солнечную энергию), технология стала бы реальной и очень удобной, потому как 1 кг антиматерии = 180 петаджоулей (столько энергии человечество потребляет за 2 часа). А для полёта к Марсу хватило бы миллиграмма антивещества. Но пока это лишь мечты. На Земле же современные ускорители тратят больше энергии, чем получают антиматерии.
Ещё одна сложность в хранении антиматерии. Античастицы должны находиться в магнитной ловушке при температуре −270°C (это очень близко к абсолютному нулю). При этом любой контакт со стенками камеры — взрыв, мощность которого будет гигантской. Ну и стоимость пока заоблачная: 1 грамм антиматерии стоит ~$62.5 трлн (по оценкам 2006 года, сейчас в разы дороже) — больше мирового ВВП, но если не абстрагироваться от технологических ограничений, то стоимость 1 грамма антиматерии будет практически бесконечной.
Варп-двигатель
Ещё в 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре построил теорию, согласно которой космический корабль не нужно разгонять до скоростей, близких к скорости света, нужно просто искривить сжать пространство перед кораблём и расширить позади, создавая «пузырь» искривлённого пространства-времени. Внутри пузыря скорость остаётся досветовой, но сам пузырь может перемещаться быстрее света.
Звучит как основа для нового научно-фантастического фильма (или просто фантастического?), но некоторые учёные, например, в NASA Eagleworks изучают «невозможные» технологии, и в 2021 году они заявили о создании микроскопического искривления в вакууме (на квантовом уровне), но результаты спорны.
Для создания пузыря нужна материя с отрицательной энергией (предсказана квантовой теорией поля). Её существование не доказано, но «эффект Казимира» (не будем вдаваться в подробности) даёт слабые аналоги. Если все эти «но» и «если» удастся обойти, то теоретически эта технология позволит преодолевать световой барьер — это прям вообще фантастика какая-то! При этом никаких вам перегрузок, потому что внутри пузыря гравитация почти нулевая.
Как в понимаете, пока что это всё теория. Никто не знает, возможно ли такое реально или нет. Однако, даже если варп-двигатель возможен, для него по расчётам 2012 года нужна энергия, эквивалентная массе Юпитера (∼10^27 кг) в пересчёте по формуле E=mc². Современные модели снизили оценку до массы Луны, но это всё равно невероятное число в 6.57⋅10^39 Дж. Чтоб вы понимали, насколько это много, вся энергия, излучаемая Солнцем за год — 1.2⋅10^34 Дж. То есть, для варп-двигателя потребуется в 500 000 раз больше энергии, чем Солнце выделяет за год.
При этом даже если каким-то образом найти такую энергию, возможны нарушения причинности, то есть путешествия в прошлое. Но что самое интересное — учёные, несмотря на полную практическую нереализуемость проекта, изучают и исследуют его. Как говорится, не понадобится для межзвёздных путешествий, пригодится для чего-то другого, например, в квантовых вычислениях.
Вместо вывода
Что в итоге? Идеи у человечества есть, но часто не хватает ресурсов. при этом ни одна технология не решит всех проблем. Но если их объединить, то лазерные паруса отправят роботов-разведчиков к ближайшим звёздам, термоядерные корабли доставят людей в соседние звёздные системы, а антиматерия и варп-двигатели могли бы быть помощниками в открытии новых галактик.
Но даже одна миссия требует триллионов долларов и международного сотрудничества, при этом даже при наборе 20% скорости света полёт к Альфе Центавре займёт 20 лет, так что помимо самих кораблей нужны систем анабиоза и поколенческие миссии. И кто в конце концов, если что, будет отвечать за контакт с другими мирами?
Если было интересно, ставь лайк, подписывайся на мой Телеграм, чтобы не пропустить новые посты, а ниже я подобрал для вас ещё кое-что интересное про космос: