Межзвёздные путешествия остаются уделом научной фантастики, но прорыв может оказаться близок, если мы согласимся на компромиссы в наших представлениях о них.
Майкл Пек побеседовал с экспертами о возможности достижения космическим аппаратом звёзд до конца столетия.
Дата – 31 декабря 2099 года, последний день ХХI века. Место – Проксима Центавра, красный карлик, запрятанный в углу галактики Млечный Путь. Металлический цилиндр, прикреплённый к устройству, похожему на зонтик, приближается к звезде со скоростью, равной одной пятой скорости света. В то время как он проносится мимо, крошечная антенна передаёт поток данных. Через четыре с небольшим года первые снимки другой звезды, снятые с близкого расстояния, достигают Земли. Тысячелетиями об этом можно было только мечтать. Когда древние смотрели на звёзды, они видели лицо бога. Когда астрономы вглядывались ввысь, они восхищались чудесами космоса. Но всегда эти сверкающие точки казались недостижимыми, слишком далекими, чтобы люди смогли до них добраться. Однако, новые технологии и научные исследования говорят, что путешествия к звёздам могут быть достижимы, хотя и не так просто, как показано в «Звёздном Пути». Первый межзвёздный полёт может теоретически начаться в середине века, с использованием технологий, которые не так уж значительно превосходят нынешние.
“Я полагаю, что можно послать аппарат размером с банку кока-колы к звёздам,“ – говорит Кельвин Лонг, британский инженер и исполнительный директор Инициативы по межзвёздным исследованиям – частного филиала Британского межпланетного общества. Лонг представляет зонд, приводимый в движение лазерными лучами, отражёнными от легкого паруса. Так как космический корабль маленький, то потребуется сравнительно небольшое количество энергии, чтобы ускорить его до скорости, равной 20% скорости света. Если запустить его около 2050 года, то он сможет достичь Проксимы Центавра к концу века, оборудованный различными инструментами для наблюдения ближайшего соседа Земли, а также соседних экзопланет.
Путешествующая между звёзд банка кока-колы – это, конечно не космический корабль «Энтерпрайз», но это практическое решение, которое окажется необходимым, чтобы противостоять обескураживающим препятствиям к межзвёздным путешествиям. Каждый любитель научной фантастики знает, никогда не было недостатка в идеях, касающихся межзвёздных полётов, начиная от лазерной реактивной тяги до термоядерной энергии и фотонных ракет. Проблема всегда была в том, как отделить факты и возможности от мечтаний и заблуждений. Лонг из нового поколения исследователей, которые пытаются привнести современную точность в область, где когда-то господствовали футуристы.
“Многие люди, которые занимаются межзвёздными полётами видят перед собой слишком общую картину,“ – говорит Лонг. “Проблема с общей картиной в том, что вы теряете связь с сутью того, что является на самом деле осуществимым.
Рассмотрение проблемы
Автоматическая межпланетная станция (АМС) НАСА «Вояджер-1» в настоящее время покидает Солнечную систему со скоростью 17 км/с. АМС «Новые горизонты» направляется к поясу Койпера со скоростью 14,4 км/с. Такая скорость кажется большой, если не принимать в расчёт расстояния. Проксима Центавра, ближайшая к нам звезда находится на расстоянии 4,3 световых года. Если зонд отправить к звезде со скоростью «Новых горизонтов», то он прибудет на место через 70000 лет, много времени спустя после смерти его создателей и потери интереса у их потомков. Космический корабль «Апполон-10», который облетел Луну в 1969 году был самым быстрым средством передвижения, которое использовали люди и его скорость была 9,3 км/с. С такой скоростью дорога до Проксимы заняла бы 139 000 лет. Межзвёздный аппарат должен иметь скорость по меньшей мере 10 000 км/с или 3,3% от скорости света, как считает Лонг – участник команды, которая выиграла в 2011 году конкурс DARPA «100-летний звездолёт» по проектированию межзвёздного корабля.
Вафельный спутник
Один из вариантов – запускать небольшой аппарат. Зонд размером с банку колы, который предлагает Лонг, выглядит огромным по сравнению с космическим аппаратом, разрабатываемого в рамках проекта НАСА в сотрудничестве с несколькими калифорнийскими университетами по использованию направленной энергии для межзвёздных исследований. Цель заключается в применении направленной энергии для отправки «вафельного спутника» к звёздам.
Руководитель проекта, Филип Любин, физик из университета Калифорнии в Санта-Барбаре планирует использовать десятисантиметровый зонд весом в один грамм, почти как маленькая скрепка, прикреплённый к парусу размером в метр (название «вафельный спутник» было дано потому, что разрабатываемый космический корабль представляет собой буквально кремниевую пластину – silicon wafer).
Сначала 50 миллионов лазерных усилителей мощностью 1 кВт и массой 1 кг каждый, будут запущены на орбиту, где они будут соединены вместе как конструктор Лего и составят масштабируемую лазерную решётку длиной, скажем, 10 километров. Как только аппарат займёт позицию возле лазеров, фотоны будут направлены на его парус, толкая корабль как ветер океанские парусники. Таким образом зонд будет разогнан до максимальной скорости в 20% от скорости света, или 60 000 км/с. Оборудованный миниатюрными датчиками и связным оборудованием для отправки данных назад на Землю, он сможет достигнуть Альфу Центавра, систему из трёх звёзд – Альфы Центавра А, Альфы Центавра В и Проксимы Центавра – примерно за 20 лет.
Зонд весом в 1 грамм – звучит не слишком впечатляюще, по сравнению с конструкцией других звёздных кораблей, но подход с использованием направленной энергии имеет свои преимущества. Космический корабль не должен тащить с собой двигательную установку, что позволяет уменьшить размеры аппарата. Система может запускать корабли любого размера под парусом, хотя чем больше размер, тем меньше скорость. Зонды небольших размеров можно запускать миллионами и сравнительно недорого. “Можно запускать зонд каждые пять или десять минут,” – говорит Любин.
Но важнее всего, что использование направленной энергии опирается на твёрдый фундамент современных науки и технологии, таких как лазеры и орбитальные конструкции. “Это сильно отличается от призывов к использованию червоточин, фотонных двигателей или термоядерного привода,” – говорит Любин.
Термояд
Но другие продолжают заниматься экзотикой. В одном из вариантов предлагается приступить к использованию того же самого процесса, который зажигает Проксиму Центавра и нашу собственную звезду. В 70-е годы прошлого века учёные и инженеры, работавшие по проекту Британского межпланетного общества «Дедал», выполнили серьёзную попытку сконструировать космический корабль, который мог бы достичь звезды Барнарда, находящейся на расстоянии 5,9 световых лет. Конструкторы в конце концов остановились на термоядерном приводе, в котором электронные пучки наводились бы на низкотемпературные топливные таблетки из дейтерия и гелия-3 и, нагревая их, создавали условия для начала термоядерной реакции. Расширяющаяся плазма вытекала бы из открытой части камеры реактора через сопло и создавала тягу, разгоняя корабль до скорости около 12% от скорости света, как рассказывает Роб Суинни, британский исследователь, участник проекта «Икар» – частной группы, основанной в 2009 году, чтобы возродить мечту проекта «Дедал».
Лонг предсказывает, что это будет корабль массой до нескольких тысяч тонн и экипажем в несколько сотен человек. Корабль по проекту «Дедал» предполагает путешествие, продолжительностью в несколько десятилетий, на что накладывает ограничение продолжительность человеческой жизни. Поэтому Лонг предлагает корабль, способный хотя бы частично преодолеть проблемы межзвёздных расстояний и времени полёта: небольшой корабль, использующий двигатели на антивеществе, с экипажем из двенадцати человек. Летя со скоростью, составляющей от 30 до 50% скорости света он сможет достичь Альфы Центавра за несколько лет.
В 2013 году в рамках проекта «Икар» было представлено пять эскизных проектов, основанных на различных вариантах термоядерного двигателя, причём каждый корабль представлял из себя сооружение в сотни метров длиной и тысячи тонн весом. Четыре проекта из пяти предполагают использование топливных таблеток и систем охлаждения, а пятый будет использовать плазму, сжимаемую и нагреваемую посредством пинч-эффекта. Корабли будут оборудованы 150 тоннами научной аппаратуры, включая мини-зонды и полетят со скоростью 5% от скорости света. Предполагается, что они достигнут Альфы Центавра за 100 лет.
“В общем, технологии термоядерного синтеза, которые мы исследовали, позволяют совершить столетнее путешествие к Альфе Центавра в недалёком будущем, но не в ближайшие годы,” – говорит Суинни.
Термояд – не единственная теоретическая возможность для межзвёздных перелётов, но Суинни утверждает, что это лучший кандидат для осуществления цели проекта, если использовать современные технологии или технологии ближайшего будущего.
“Химические, ионные и плазменные двигатели, в принципе, не отвечают требованиям,” – говорит он. “Антивещество – дело не ближайшего будущего, а любые гиперпространственные двигатели или другие способы путешествия со сверхсветовой скоростью находятся за пределами реальности, если не теоретической физики.
Антивещество
Однако, другие учёные изучают возможность использования антивещества. Один из них — Эрик Дэвис, физик из Института перспективных исследований в Остине, штат Техас. В двигателях на антивеществе — получивших известность, благодаря Star Trek – смешиваются частицы вещества и антивещества, такие как протоны и анти-протоны, которые идентичны, но имеют противоположные электрические заряды.
«Когда антивещество встречается с веществом, происходит их аннигиляция с выделением энергии,» – объясняется в статье НАСА за 2006 год, обсуждающей возможность использования космических кораблей на антивеществе для отправки астронавтов на Марс. «Полное превращение в энергию — вот, что делает антивещество таким мощным. Даже в ядерных реакциях, которые со значительным отрывом занимают второе место по мощности, только 3% массы вещества преобразуется в энергию.»
Фактически, в статье НАСА утверждается, что нескольких десятых миллиграмма антивещества — один миллиграмм — это одна тысячная веса конфеты M&M – было бы достаточно для того, чтобы отправить корабль на Марс.Дэвис говорит, что для межзвёздных перелётов двигатель на антивеществе был бы настолько эффективен, что корабль смог бы путешествовать почти со скоростью света и полёт до Альфы Центавра занял бы всего пять лет.
Лонг представляет себе огромные космические аппараты, летящие со скоростью от 10 до 20% скорости света, под воздействием термоядерных двигателей или двигателей в которых антивещество является катализатором термоядерной реакции (антивещество вводится в термоядерный двигатель).
Дэвис, однако, указывает, что ключевые моменты упущены: “Две проблемы, которые должны быть решены, прежде чем ракеты на антивеществе начнут использоваться – это производство антивещества в больших количествах и его хранение,” – говорит он.
Существует ещё одна, самая экзотическая концепция: кротовые норы(или червоточины), те гиперпространственные туннели в которых объект, входя с одного конца, появляется в другом в отдалённой точке пространства. Дэвис, который изучает физические явления, стоящие за этим понятием, говорит, что кротовые норы могут быть созданы отрицательной энергией вакуума, которую он описывает как “созданную форму квантовой энергии вакуума, производимой квантовыми полями элементарных частиц и силами их взаимодействия.”
Дэвис полагает, что проходимые кротовые норы представляют собой туннель, протяженностью в несколько астрономических единиц, который должен преодолеть космический корабль. Хотя это и не означает, что путешествие через червоточину будет мгновенным, но оно представляет собой способ преодоления эйнштейновского запрета на сверхсветовые скорости. “Путешественники будут передвигаться через червоточину со скоростью гораздо меньше скорости света, но для внешнего наблюдателя, они преодолеют расстояние между точкой отправления и точкой прибытия со скоростью большей, чем скорость света,” – говорит Дэвис.
А что если основной целью является не путешествие с большой скоростью, а перемещение большого количества людей? Для этого сценария, как представляет Лонг, потребуется колоссальный “мировой корабль”, гигантских размеров судно, перевозящее миллионы людей со скоростью, составляющей от одного до трёх процентов от скорости света. Такой массивный корабль может приводиться в движение ядерным импульсным двигателем в котором тщательно контролируемые ядерные взрывы создают тягу (концепция использовалась в конце 50-х годов в проекте “Орион”, разрабатываемым американским правительством и частными фирмами).
Частные исследования
В конечном счёте, несмотря на все перечисленные идеи, не существует такого вида силовой установки, который бы явно превосходил все остальные.
“Мы никогда даже не отправляли ничего на релятивистских скоростях,” – отмечает бывший астронавт НАСА Мэй Джемисон (Mae Jemison), которая летала в качестве специалиста на космическом челноке в 1992 году. В настоящее время она возглавляет фонд «100-летний звездолёт», ведущий своё происхождение от одноимённого проекта DARPA (хотя DARPA больше не финансирует проект).
Организация, которую возглавляет Джемисон старается заложить основания для осуществления в будущем межзвёздного перелёта.
“Все говорят, что давайте разработаем технический план полёта. Но ничего не получается, потому что мы не знаем куда мы собираемся и как туда попасть.”
Именно поэтому проект Джемисон, который финансируется из частных источников, фокусируется не на проектировании конкретного межзвездный корабля с конкретной датой запуска, а на развитии фундаментальных возможностей, которые позволят людям — если они так решат — запустить пилотируемую межзвездную экспедицию в 2112 году. Эти возможности должны охватывать все аспекты, начиная от типа двигателя, заканчивая питанием экипажа и созданием одежды, которую можно использовать в течение многих лет без замены.
Джемисон прогнозирует, что межзвёздный полёт будет представлять из себя постепенный процесс, который может включать в себя такие этапы как построение лунной базы.
“Это не надо представлять, как Альфа Центавра или всё пропало,” – шутит она. Лонг говорит, что как только люди смогут путешествовать к внешним планетам нашей солнечной системы, они будут на полпути к достижению возможности осуществления межзвёздного путешествия.
Мотивация
Существует так много вариантов для осуществления межзвёздных путешествий и многие из этих вариантов трудноосуществимы или дороги, поэтому критики говорят, что необходимо начать с фундаментального вопроса: Зачем?
Стен Оденвальд, отставной астроном НАСА, который в 2015 году написал книгу “Межзвёздное путешествие: Справочник Астронома”, утверждает, что просто путешествие к другой звезде лишено смысла.
“Существует три простых вопроса, которые движут любое исследование: Куда мы идём, что мы будем там делать и какая Как от этого польза?” – говорит он.
Как полагает Остенвальд, в системе Альфы Центавра, скорее всего, нет планет земного типа и нет ничего такого, исследование чего имело бы научное значение, способное оправдать расходование сотен миллиардов долларов. Для публики, поддержка долгосрочного проекта, не приносящего немедленной выгоды, должна оправдываться чем-то большим, чем демонстрация флага на чужой планете. Чтобы заинтересовать налогоплательщиков, на этой планете надо найти жизнь.
“Это будет лучшей мотивацией для первого межзвёздного зонда?” – предсказывает Остенвальд. “Там будет цель, о которой мы знаем, причина, чтобы туда добраться, и перспективу обнаружить там что-нибудь захватывающее.
Для Джемисон, само предприятие стоит затраченных усилий, независимо от того, будет обнаружено что-либо, или нет.
“Самое невероятное в межзвёздном путешествии –это те задачи, которые оно ставит перед нами,” – говорит она. – И решение некоторых из них фундаментально изменит жизнь здесь, на Земле.
Aerospace America April 2016
