Любой фильм научной фантастики демонстрирует впечатляющую картину путешествия среди звёзд: космический аппарат включает «гиперпривод», световые линии начинают мелькать мимо иллюминаторов, и спустя считанные минуты команда наслаждается видом чужого мира.
Кажется, будто главное препятствие заключается лишь в создании двигателя, способного разгоняться до околосветовых скоростей. Однако специалисты прекрасно понимают: настоящая угроза лежит вовсе не в преодолении расстояний, а в веществе, скрытом между небесными телами — в межзвёздной пыли.
Настоящий враг — это не пустота
Важно осознать: космос не является абсолютной пустотой. Хотя он близок к состоянию вакуума по земным меркам, в масштабе вселенной пространство наполнено веществом — межзвёздной средой.
Она состоит преимущественно из чрезвычайно разреженного газа, содержащего отдельные атомы водорода и гелия, чья плотность составляет около одного атома на кубический сантиметр. Оставшийся процент среды представлен твёрдыми частицами — микроскопическими крупинками пыли, мелкими льдинками и минеральными включениями.
Для космического аппарата типа советского «Бурана», перемещавшегося по земной орбите со скоростью порядка 8 км/с, этот фон оставался незаметным. Всё резко меняется, когда речь идёт о движении на релятивистских скоростях, сопоставимых со скоростью света. Каждая встреченная частица превращается в потенциальный снаряд, угрожающий целостности судна.
Граммовая песчинка равна взрыву бомбового заряда
Законы физики неумолимы. Даже простая формула кинетической энергии показывает: при удвоении скорости её значение увеличивается в четыре раза. Если же речь идёт о движениях вблизи световой скорости, прирост кинетической энергии приобретает катастрофическое значение.
Рассмотрим пример. Пусть гипотетический корабль движется к ближайшему нашему соседу — Проксиме Центавра — на умеренной по меркам фантастики скорости в 10% от скорости света. Предположим, что на его пути возникает типичная песчинка весом в один грамм
(0.001кг). Применяем простую школьную формулу:
Полученное число громоздко, поэтому переведём его в привычную величину — тротиловый эквивалент. Взрыв одной тонны тротила высвобождает приблизительно 4.2 миллиарда Джоулей. Значит, столкновение с граммом песка эквивалентно детонации заряда мощностью около 107 тонн тротила!
А ведь существует ещё и водород. Уже на скорости 20% от световой каждый отдельный протон производит воздействие аналогичное взаимодействию элементарных частиц внутри Большого адронного коллайдера.
Бомбардировка корпуса корабля таким образом создаёт каскады жесткого излучения — гамма-квантов и рентгеновского спектра, повреждая бортовую технику и подвергая опасности экипаж.
Реальность vs кинематограф
Фантастические фильмы («Звёздный путь», «Звёздные войны») обходятся решением проблемы простым способом — невидимым защитным полем, известным как дефлектор. К сожалению, в реальной жизни всё значительно сложнее.
Проект Breakthrough Starshot, задуманный Юрием Мильнером совместно со Стивеном Хокингом, столкнулся именно с этим вопросом. Цель инициативы — запуск миниатюрных аппаратов к системе Альфа Центавра, разгонных лучом наземного лазера до 20% скорости света. Основной задачей стало обеспечение выживания кораблей при столкновениях с космической пылью.
Какие существуют подходы к защите?
Физический экран
Простейший вариант — поставить впереди судна массивный защитный барьер. Идеальным примером выступает щит Уиппла — слоистая конструкция, предназначенная для уничтожения мелких объектов путём их разрушения на молекулярном уровне. Однако подобная защита неэффективна против крупных фрагментов, особенно при высоких скоростях, поскольку масса необходимого экрана должна исчисляться десятками тысяч тонн.
Магнитный или электростатический щит
Создание мощного поля вокруг аппарата позволит отклонять заряженные частицы вроде протонов и ядер гелия. Этот метод способен защитить от радиационного воздействия, однако совершенно бессилен против нейтральных частиц пыли.
Лазерная метла
Ещё одно перспективное предложение предполагает установку на борту корабля мощных лазеров, уничтожающих любые препятствия на пути следования устройства. Главная трудность будущих межзвёздных миссий заключается вовсе не в недостаточной мощности двигателей, а в способности пережить сами условия полёта на огромной скорости. Пока учёные не решат вопрос «космического мусора», разговоры о покорении дальних миров останутся исключительно плодом воображения.
Сначала нужен надёжный «танк», выдерживающий жёсткое излучение и удары частиц, а уж потом можно задуматься о строительстве ускорителя.