Пока человечество нежится в лучах славы после беспрецедентного успеха миссии «Артемида-2», которая впервые за 54 года вернула людей к Луне и забросила их так далеко от Земли, как никогда прежде, многие из нас невольно начинают грезить о большем. Как биологический вид, мы мечтаем не просто вернуться на Луну, но и отправиться туда, где еще не ступала нога человека: к другим планетам, звездным системам и, чем черт не шутит, другим галактикам. Но если мы всерьез собираемся отправить людей за пределы Солнечной системы, нам придется решить несколько фундаментальных проблем. А именно: огромные расстояния, время в пути, скорость и, самое главное, эффективность топлива.
Межзвездные расстояния чудовищно велики даже по сравнению с теми огромными дистанциями, к которым мы привыкли в нашей Солнечной системе. С нынешними ракетными технологиями нам потребовались бы сотни человеческих жизней, чтобы добраться хотя бы до ближайшей звезды. И всё потому, что мы жестко ограничены в скорости, которая, в свою очередь, упирается в эффективность нашего топлива.
Химические ракеты используют весьма эффективные (для Земли) виды топлива — вроде жидкого кислорода и жидкого водорода, — но превращают в чистую энергию менее одной миллионной доли массы покоя этого топлива. Если бы мы перешли на ядерные двигатели (расщепление ядра), мы смогли бы выжимать в энергию около одной тысячной доли массы покоя (0,1%). А ядерный синтез позволил бы нам превращать в энергию уже около одной сотой (0,7%) массы топлива. Звучит неплохо, но для полета к звездам этого всё равно мало.
Абсолютный чемпион по топливной эффективности — это аннигиляция материи и антиматерии. Ее КПД — 100%. Если мы не откроем какой-нибудь новый закон физики, то только антиматерия способна дать нам ту мощность, которая необходима для реалистичных межзвездных путешествий.
Но чтобы использовать антиматерию как ракетное топливо, нам придется решить три колоссальные проблемы. Без этого ни один человек ни к каким звездам не полетит.
1. Создание антиматерии.
В лабораторных условиях мы уже умеем это делать. И хотя на создание антиматерии уходит в разы больше энергии, чем мы в итоге получаем от ее аннигиляции, это не главная беда. Проблема в том, что нам нужны гигантские объемы. Если собрать всю антиматерию, когда-либо произведенную во всех лабораториях за всю историю Земли, вы получите жалкий микрограмм. Для межзвездного путешествия нам понадобятся объемы в миллионы раз больше.
2. Хранение антиматерии.
То самое свойство, которое делает антиматерию идеальным топливом — ее страсть к мгновенной аннигиляции при контакте с любой обычной материей, — делает ее же невероятно опасной в хранении. Нам нужно как-то научиться держать эту нестабильную субстанцию в безопасном виде, а затем аккуратно подавать ее в камеру для контролируемой аннигиляции с равным количеством обычной материи.
3. Использование энергии аннигиляции.
Предположим, мы решили первые две проблемы. Теперь нам нужно превратить эту сумасшедшую энергию в полезную тягу: в идеале — направить частицы, образовавшиеся после аннигиляции, в сторону, противоположную той, куда мы хотим направить корабль.
Давайте разберем эти головные боли чуть подробнее.
Как делать антиматерию, мы знаем: просто сталкиваем частицы друг с другом на высоких энергиях. Например, самый простой способ получить антипротон — столкнуть два обычных протона на такой сумасшедшей скорости, чтобы после столкновения осталось достаточно «лишней» энергии (по старой доброй формуле Эйнштейна E=mc²) для создания новой пары «протон-антипротон». Протонов у нас хоть отбавляй, так что их не жалко, а вот антипротоны — это как раз то сокровище, за которым мы охотимся. Дальше мы используем электрические и магнитные поля, чтобы захватывать их и удерживать, иначе они мгновенно аннигилируют с первым попавшимся протоном.
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе — это место самых высокоэнергетических столкновений протонов. Но для создания антипротонов лучше использовать столкновения с меньшей энергией. Почему? Потому что антипротон, рожденный в мощном столкновении, будет обладать огромной кинетической энергией (читай: будет носиться как угорелый). Его будет невероятно сложно поймать, удержать и не дать ему врезаться во что-нибудь, содержащее протон. Кстати, предшественник БАКа — Теватрон в Фермилабе — как раз специализировался на создании пучков антипротонов для столкновения с протонами, что привело к потрясающим открытиям в конце XX века (включая истинный кварк).
С хранением антиматерии в лабораториях мы тоже разобрались. Для этого используются электрические и магнитные поля, которые искривляют траекторию заряженных частиц. Если вы знаете массу, заряд и кинетическую энергию создаваемой антиматерии, вы можете использовать эти поля, чтобы хранить ее хоть целую вечность. Сначала частицы замедляют, затем создают внутри полости почти идеальный вакуум (место, где нет никакой обычной материи, кроме стенок контейнера). Внутри устанавливают квадрупольные электрические поля и однородные магнитные поля, которые удерживают частицы с одинаковой массой и зарядом прямо по центру, не давая им касаться стенок. Эта хитрая штука называется ловушкой Пеннинга.
Но есть один нюанс: ловушки Пеннинга работают только в том случае, если частиц немного. Если их станет слишком много, взаимное отталкивание (они же все одинаково заряжены!) всё равно вытолкнет их к стенкам контейнера, и ваша драгоценная антиматерия, которую вы с таким трудом добыли, просто исчезнет во вспышке света.
Да, недавно мы совершили невероятный прорыв — впервые успешно перевезли антиматерию в грузовике! Но правда в том, что в транспортируемой ловушке Пеннинга было всего 82 антипротона. При этом сама ловушка весила больше тонны (хотя это была самая компактная крупномасштабная ловушка в истории). Для хранения одного килограмма антиматерии потребовалось бы более 10^27 антипротонов. Такое количество в подобную установку не впихнешь при всем желании.
В конечном итоге нам придется придумать другой подход к хранению. И свет в конце тоннеля забрезжил благодаря эксперименту ALPHA-g, который проводился в 2010-х и 2020-х годах.
Цели эксперимента были амбициозными:
- создать большое количество нейтральных антиатомов;
- зафиксировать их так, чтобы они не аннигилировали со стенками;
- отпустить их, чтобы проверить, как на них действует гравитация Земли;
- и измерить, падают ли они вниз (как предсказывали теоретики), падают ли вверх (что открыло бы путь к варп-двигателям) или делают что-то совсем странное.
Эксперимент ALPHA-g увенчался успехом! Он не только доказал, что антиматерия подчиняется гравитации точно так же, как обычная материя, но и показал, что антиатомы можно создавать, контролировать и хранить (по крайней мере, временно). Чтобы использовать это для космических полетов, нам нужно найти способ создавать огромное количество антиатомов и хранить их в сжатом состоянии, где бы они не бились о стенки и могли лежать годами.
Пока что ловушки Пеннинга и антиатомные эксперименты — это лишь первые уверенные шаги. Нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы превратить эту научную фантастику в научный факт.
Допустим, мы научились создавать и хранить антиматерию тоннами. Теперь нам нужно придумать, как подавать крошечные порции этой субстанции в «двигатель», смешивая ее с таким же количеством обычной материи. При столкновении они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию в виде фотонов (всё по той же формуле Эйнштейна E=mc², только в обратном порядке). И тут возникает новая проблема: что делать с этими высокоэнергетическими гамма-фотонами? Если ничего не предпринять, они просто врежутся в стенки вашего корабля, ионизируя атомы и разрушая всё вокруг, вместо того чтобы создавать тягу.
Решение неожиданно пришло из астрономии. Астрономы не используют обычные зеркала для наблюдения за гамма-лучами и рентгеновским излучением — эти лучи просто прошли бы сквозь зеркало или поглотились им. Вместо этого они строят цилиндры с зеркалами, установленными под очень острыми (скользящими) углами. Это позволяет контролировать направление высокоэнергетических фотонов. Если мы расположим серию таких зеркал из правильного материала в хвосте корабля, мы сможем перенаправить фотоны от аннигиляции наружу. По законам физики, выброс фотонов назад создаст тягу вперед.
И вот оно — мы наконец-то превратили аннигиляцию в тягу со стопроцентным КПД! В данном случае эффективность означает, что 100% вашего топлива (где 50% — материя и 50% — антиматерия) преобразуется в полезную энергию для ускорения корабля.
Вот вам примерный план поездки к соседней звезде:
- берем большую, тяжелую традиционную ракету и выводим капсулу с экипажем, запасами материи/антиматерии и аннигиляционным двигателем на орбиту Земли (если нужно, делаем несколько ходок);
- затем начинаем плавно ускоряться в сторону пункта назначения, пока не достигнем нужной скорости;
- затем выключаем двигатели и летим по инерции;
- на полпути разворачиваем корабль задом наперед;
- летим по инерции, пока не придет время тормозить;
- и, наконец, плавно замедляемся с той же силой, с которой ускорялись, пока не прибудем на место.
Если мы будем ускоряться с силой 1g (земная гравитация, 9,8 м/с²) первую половину пути, а затем развернемся и будем с такой же силой тормозить вторую половину, полет до ближайшей звезды займет не сотни тысяч лет, а всего пару десятилетий. Это достаточно быстро, чтобы экипаж добрался живым (правда, обратный билет в эту стоимость не входит).
Но даже если мы совершим чудо и выполним все вышеописанные пункты — наработаем антиматерию, научимся ее хранить, построим двигатель и выведем всё это на орбиту, — нас ждет еще одна гигантская проблема.
Речь идет о банальном количестве топлива, необходимого для межзвездного путешествия. Представим, что наш полезный груз весит всего 500 кг (сюда входят сами астронавты, их еда, вода и оборудование). Чтобы ускорять эту скромную капсулу с силой 1 g, нам нужно аннигилировать совсем немного топлива: 16 миллиграммов (8 мг материи и 8 мг антиматерии).
Звучит здорово, да? Вот только этого хватит ровно на одну секунду ускорения!
Хотите разгоняться дольше? Готовьте топливо. Один грамм материи и один грамм антиматерии дадут вам целых две минуты ускорения. С 300 граммами материи и 300 граммами антиматерии вы получите 10 часов разгона, что разгонит вас до сумасшедших 368 км/с (более 1,3 миллиона км/ч). Это в два раза быстрее солнечного зонда «Паркер», который на сегодняшний день является самым быстрым космическим аппаратом, когда-либо созданным человечеством.
Но чтобы добраться даже до ближайшей звезды за разумное время, нужно лететь намного быстрее. Расстояния там измеряются световыми годами, а ближайшая к нам система находится более чем в четырех световых годах. Чтобы долететь туда за пару десятилетий, нам нужно разогнаться как минимум до 20% скорости света. И это сложнее, чем кажется.
Конечно, вы можете сесть за калькулятор и подсчитать, что для разгона до 20% скорости света (около 60 000 км/с) нашей 500-килограммовой капсуле потребуется около 50 кг антиматерии и 50 кг обычной материи. Разгон займет около 10 недель. Затем вы будете лететь по инерции примерно 20–25 лет, пока астронавты будут пытаться не сойти с ума в этой тесной консервной банке. А потом вам понадобится еще 50 кг антиматерии и 50 кг материи, чтобы затормозить и аккуратно «припарковаться» в системе Альфа Центавра.
Только 100-процентный КПД аннигиляции позволяет избежать катастрофической проблемы всех остальных двигателей: необходимости тащить с собой миллионы тонн топлива.
Это максимум, который позволяет нам закон сохранения энергии (по крайней мере, в рамках современной физики). Следующий по эффективности вариант после аннигиляции — это ядерный синтез (как на Солнце), но он дает лишь 0,7% КПД. Вместо 100 кг антиматерии для разгона 500-килограммового груза вам понадобятся тысячи тонн (миллионы килограммов) водорода и постоянно работающий термоядерный реактор. И вам придется постоянно извлекать и выбрасывать за борт отработанное топливо (гелий). Помните: вам нужно разгонять и тормозить не только сам груз, который прибудет в пункт назначения. Вам придется разгонять и тормозить всё неиспользованное топливо на каждом этапе пути.
При любых методах, кроме аннигиляции, вы неизбежно будете впустую тратить более 99% стартовой массы. Это значит, что львиная доля вашего «топлива» просто висит мертвым грузом, который нужно тащить за собой. Аннигиляция материи и антиматерии — единственный вариант межзвездного путешествия, при котором бóльшая часть массы корабля — это полезный груз, а не топливо. А скорость истечения выхлопных газов (поскольку они состоят из чистых фотонов) достигает абсолютного максимума: скорости света.
Нам предстоит совершить немыслимое количество научных прорывов. Но из всех известных нам источников топлива только антиматерия способна превратить нашу мечту о межзвездной цивилизации в реальность.