Космическое путешествие: Межзвёздный перелет. Межзвездные перелеты: несбыточная мечта или реальная перспектива
Дайте космонавту и герою Космонавта и Героя April 5th, 2016
Александр Мисуркин - уникальный космонавт. Он провел 167 суток на орбите, из них 20 часов в открытом космосе, и в числе экипажа "Союза" впервые пролетел по "короткой схеме" от Байконура до МКС за 6 часов. Но его уникальность не в этом, а в том, что даже спустя два года после полета он не имеет звания "летчик-космонавт". Он летчик - налет более тысячи часов. Он космонавт. Но не летчик-космонавт. И не Герой, хотя после первого полета сейчас все космонавты получают Золотую Звезду. Про него просто... забыли.
О почти детективной истории того как Звезда обошла героя рассказано на сайте "Новостей космонавтики". Ситуация складывается странная: вроде бы все заинтересованные участники присуждения награды в курсе о ситуации, и никто не против. Александр не бил морды командиру взвода Звездного десанта, не дебоширил на ночных улицах Звездного городка, и не купался в фонтанах на День космонавтики. Однако, все представления к награде неотвратимо терялись в недрах многоступенчатой бюрократической машины. Поначалу какие-то объективные причины для проволочек были: по данным ГИБДД их экипаж на орбите превысил первую космическую и был оштрафован.
Примерно через полгода, то есть весной 2014 г., кадровики ЦПК и РКК «Энергия» наконец подготовили единое представление экипажа к наградам: Сашу Мисуркина - к званию Героя Российской Федерации, Павла Виноградова - к ордену «За заслуги перед Отечеством» III степени - и согласно принятому порядку отправили на согласование в администрацию Московской области.
К концу лета это представление вернулось в отдел кадров «Энергии» по той причине, что у П. В. Виноградова обнаружился неоплаченный штраф за превышение скорости в июне 2013г. (Павел в это время был в космосе и летел со скоростью почти 8км/с. Неужели ГИБДД стало размещать радары на орбите?) Дело затягивалось. Чтобы не задерживать награждение Мисуркина, кадровики по просьбе Павла Владимировича сделали отдельные представления на каждого из них, и документы Мисуркина снова были отосланы в администрацию области. Виноградову же, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки, пришлось оплатить штраф и написать «оправдательное» письмо на имя губернатора области А. Ю. Воробьёва с обещанием исправиться и никогда больше «не нарушать».
Но впоследствии никаких вразумительных объяснений наградного игнора не поступало. Скорее всего ситуацию усугубила реформа Роскосмоса : создание ОРКК, перерождение Федерального космического агентства в госкорпорацию. И сейчас, нужная бумага лежит на чьем-нибудь столе под грудой новых документов или прежний владелец кабинета не успел подписать, а прошедший ему на смену чиновник не стал разбираться в старых бумагах. В общем, всякое бывает. И в текущей ситуации мы можем либо негодовать от равнодушия бюрократии, либо что-то предпринять.
Я предлагаю подписать онлайн-письмо новому главе Роскосмоса . Не знаю будет ли какой эффект, иногда петиции работают, иногда нет. Мы можем по крайней мере попытаться, заодно выразив свое уважение космонавту, не дожидаясь официальных церемоний.
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
Как только на город опускается тьма, мы поднимаем головы вверх и смотрим на звёзды. Они ведь есть, хоть и где-то далеко. Такие призрачные и настолько реальные одновременно. Смогут ли люди когда-то отправятся к этим сгусткам энергии или навсегда останутся прикованными к поверхности родной планеты?
Чего мы добились в покорении Вселенной?
На сегодняшний день у человека весьма сомнительные достижения в плане освоения космоса:
- Не было ни одной пилотируемой мисси к другой планете;
- Нога человека ступила только на спутник Земли и никуда более;
- На ближайшее время нет даже запланированных программ по покорению нашей звёздной системы;
- Подавляющее большинство космических стартов связано с запуском грузов на околоземную орбиту;
- В окружающем пространстве действует не более десятка исследовательских зондов, посылающих информацию на Землю.
Выходит, что где-то полвека назад человечество думало покорять Луну, но уже на том этапе ретировалось к границам собственной орбиты. Мы запустили международную станцию и периодически доставляем туда космонавтов и всё им необходимое.
Ещё о спутниках можно упомянуть - да здравствует надёжный интернет и навигация. И метеорология ещё, куда без неё. Но ведь всё это лишь игрушки - мы лишь вплотную подобрались к самому космическому пространству, но так и не решились сделать хоть ещё один шаг вперёд.
Почему сворачиваются исследовательские миссии
Как ни странно, космические программы, это очень дорогое удовольствие :
- Почти никакой финансовой отдачи космические агентства не получают;
- Большинство ракет и кораблей строятся для всего одного использования;
- Учитывая необходимый уровень качества и надёжности - производство одной ракеты обходится в десятки миллионов долларов;
- Сами путешествия в космосе - прямая угроза для жизни космонавтов, что добавляет дополнительные риски;
- Полученная теоретическая информация далеко не всегда имеет практическое применение на Земле.
Короче говоря - готовить космонавтов слишком долго и дорого, а ещё каждый из них может погибнуть в любой момент. Корабль неудачно стартовал, и вся команда сгорела в огромном огненном шаре - перспектива вполне реальная, такое уже случалось.
Да и сами корабли, вместе с ракетоносителями, не только дорого стоят, но ещё и отправляются на свалку истории уже после первого пуска. Представьте, что вы летите на частном самолёте. Каждый раз на новом, ведь после посадки воздушное судно самоуничтожается или это происходит при самой посадке, а вы вынуждены приземляться в спасательной капсуле. Долго сможете полетать, в таких условиях, когда постоянно необходимо покупать не самые дешёвые в мире самолёты?
Непреодолимый барьер
Но это всё лирика, ведь основной ограничитель заключается в другом ‒ до ближайшей звезды несколько световых лет. Чтобы было понятно - свет движется с максимальной скоростью, которая только существует во Вселенной. И даже у него уйдёт несколько лет на преодоление этого маршрута.
Сегодня лишь «Вояджер» является единственным рукотворным предметом, покинувшем пределы Солнечной системы. На это у него ушло порядка 40 лет и это лишь выход за пределы системы, на достижение другой уйдут десятки тысяч лет, при нынешних скоростях. К сожалению, человек смертен и попросту не может ждать столько времени. Цивилизации на Земле существуют примерно столько же, сколько придётся лететь .
Можно заявить, что проблема заключается лишь в текущем уровне развития. И это действительно так, но понимание пришло много десятков лет назад, и за это время не было сделано ничего для разрешения сложившейся ситуации. Да, имеются огромные межзвёздные пространства, но не существует никакого технического решения для их преодоления. И в обозримом будущем, откровенно говоря, они и не появятся.
Физики активно эксплуатируют теорию «кротовых дыр», о том, что отдалённые точки в пространстве могут соприкасаться при определённых условиях. Только на практике ни одной такой кротовой дыры мы так и не обнаружили, да и вероятность подобного «подарка» именно в нашей звёздной системе - не особо велика.
Первые шаги в вопросах колонизации
Теоретически, для достижения любой цели необходимо хоть что-то делать, а не сидеть на месте. Первыми шагами в освоении космоса может быть покорение Марса - планета вполне пригодна для существования, в условиях закрытых ферм и при наличии скафандров. Во всяком случае, до масштабного изменения климата, создания атмосферы и прочих проектов, которые на данный момент кажутся нереальными.
Для начала необходимо создать хоть какой-то форпост в космосе. Можно сказать, что уже сейчас существует станция на орбите, где постоянно обитают астронавты. Но опять-таки, это слишком близко к поверхности Земли. Речь идёт о Луне, а в идеале - о Марсе. Именно с покорения этой планеты может начаться экспансия человечества в другие миры. При условии, что колоссальные пустоты в межзвёздном пространстве будут хоть как-то преодолены.
Прогресс и романтика
Всего несколько столетий назад человек считал, что на облаках расположен рай. За такой незначительный промежуток времени представление об окружающей действительности значительно изменилось и учёные создали множество механизмов, которые наши предки даже представить себе не могли.
Возможно, это ожидает и наших потомков - удивление тем фактом, почему мы сами так поздно додумались до тех или иных технологий.
Свет звёзд: этот образ используется как в романтической литературе, так и в фантастике. Неизменно одно заявление - мы видим отражение, частицу прошлого и свет умерших миров. В этом есть доля правды, если учесть, что от далёких звёзд свет может идти десятки тысяч лет. Но разве это способно остановить стремление человечества к покорению окружающего пространства?
Фантасты дали нам образ - гигантские корабли, движущиеся в межзвёздном пространстве на протяжении десятилетий и даже столетий. Пассажиры, спящие в условиях анабиоза. Для них это путешествие происходит не только в пространстве, но и во времени. Возможно, когда-то будет реализовано нечто подобное. Но скорее всего, учитывая уровень технологий и низкую заинтересованность - космос останется непокорённым.
Мы родились слишком рано, чтобы осваивать звёзды. За будущие поколения говорить сложно, но на своем веку мы вряд ли увидим значимых открытий в этой области. Разве что, если вдруг произойдёт контакт с внеземной цивилизацией.
Видео: что будет, если все население Земли поднимется?
В данном ролике Лев Прокопьев расскажет, что может произойти, если все люди на планеты одновременно покинут Землю:
Если астронавт будет изучать события, происходящие на покинутой им Земле, то он убедится, что и там все процессы, в том числе и жизнь людей, текут в 1,8 раза медленнее. Как же так? Казалось бы, что для наблюдателя на ракете процессы на Земле должны течь быстрее по отношению к процессам, текущим на ракете. Но этого не происходит. Если ракета летит равномерно и прямолинейно относительно Земли, тогда относительно ракеты Земля будет двигаться с той же скоростью в противоположную сторону. Следовательно, наблюдатели на Земле и на ракете полностью равноправны, И хотя для земного наблюдателя время на ракете течет медленнее, для астронавта медленнее будет течь земное время.
Может показаться, что тогда нельзя избежать противоречия. Когда ракета вернется на Землю, кто окажется прожившим меньше времени: космический путешественник или житель Земли?
На самом деле никакого противоречия нет. Просто в наших рассуждениях упущено одно важное обстоятельство. Чтобы вернуться на Землю, астронавты непременно должны включить двигатели ракеты, развернуть ее и направить к Земле. Во время действия двигателей ракета движется ускоренно и не является инерциальной системой. Законы специальной теории относительности в это время для нее неприменимы. Земной наблюдатель не испытывал никаких ускорений, его система инерциальна все время, и законы специальной теории относительности в ней справедливы, поэтому его вывод о том, что по возвращении межзвездные путешественники окажутся моложе своих сверстников на Земле, правилен.
На ракете же, когда она движется ускоренно, будут действовать законы общей теории относительности, которая позволяет рассматривать не только прямолинейное и равномерное движение, но и ускоренное.
Оказывается, на течение времени влияет не только движение тел, но и близость тяготеющих масс. В сильном поле , то есть там, где потенциал тяготения велик (например на ), время течет медленнее, чем на Земле.
ЛЕТИМ К ПРОКСИМЕ ЦЕНТАВРА
Рассмотрим конкретный пример полета фотонной ракеты к Проксимё Центавра, с которого мы начали наш рассказ. Предположим, что на ракете есть точные часы и мощный передатчик, посылающий сигналы времени на Землю. Наблюдатели на Земле, учтя время распространения радиосигналов от ракеты до Земли, могут следить за течением времени на ракете.
Пусть ракета набирает скорость и тормозится так, что ускорение, которое будет действовать на все предметы внутри ракеты, будет равно ускорению силы тяжести на поверхности Земли. Это наиболее целесообразно с точки зрения удобства экипажа. Попробуем проследить вместе с наблюдателями на Земле за ходом часов на ракете. Пока ракета наберет скорость, часы на ней будут идти все медленнее и к моменту выключения двигателей на ракете отсчитают на 0,3 года меньше, чем земные часы. Дальше ракета летит по инерции; часы на ней идут для земного наблюдателя в 1,8 раза медленнее, чем его собственные. На участке торможения ракеты ход ее часов для земного наблюдателя будет постепенно ускоряться. Астронавты высаживаются на планете системы Проксимы
Центавра. Пока они исследуют эту систему, их часы идут синхронно с земными часами. Затем астронавты отправляются в обратный путь, и картина изменения хода часов на ракете повторяется в обратном порядке. После возвращения космических путешественников по часам на Земле пройдет 13,5 года, а по часам ракеты - 9,3 года, то есть астронавты отсчитают на 4 с лишним года меньше.
Отправимся теперь вместе с астронавтами в космическое путешествие, и радиосигналами с Земли будем следить из ракеты за ходом земных часов. Когда ракета движется ускоренно, в ее системе будет действовать сила, вызванная ускорением и эквивалентная силе тяготения. Но там, где потенциал тяготения больше, часы идут медленнее. Разность потенциалов зависит от величины силы и расстояния между точками, причем потенциал увеличивается в ту сторону, куда направлена сила. Сила, действующая на предметы в ракете, противоположна направлению ее ускорения (вспомните, что при отправлении поезда эта сила толкает нас назад). При разгоне ракеты во время вылета эта сила направлена от ракеты к Земле. Следовательно, потенциал этой силы больше в точке расположения земных часов, и часы замедляют свой ход по сравнению с часами на ракете.
Но этот эффект незначителен, так как расстояние между отлетающей ракетой и Землей еще невелико. Незначительны поэтому и разность потенциалов и замедление хода часов. При полете с выключенными двигателями часы на Земле для астронавтов идут медленнее ракетных и к концу этого участка отстанут от них на 1,25 года. Наконец, при торможении у Проксимы Центавра сила, вызванная ускорением, имеет направление от Земли к ракете. Потенциал теперь больше в точке, занимаемой ракетными часами, и земные часы идут быстрее ракетных. При этом, хотя сила, вызванная ускорением, осталась прежней, но расстояние между часами огромно, а значит, огромна и разность потенциалов и, следовательно, разность хода часов. Для астронавтов часы на Земле начинают так спешить, что очень быстро ликвидируют свое отставание за время предыдущих этапов полета и уходят вперед. Для астронавтов земные часы в это время идут почти в 4 раза быстрее ракетных.
На обратном пути картина хода часов повторяется в обратном порядке.
Итог получается тот же. Когда ракета вернется на Землю, по земным часам пройдет 13,5 года, по ракетным - 9,3 года. Как видим, картина течения времени для астронавтов была совсем иной, чем для жителей Земли, но, тем не менее, никаких противоречий не получается.
К ТУМАННОСТИ АНДРОМЕДЫ
И все-таки, несмотря на всю увлекательность такого путешествия, может показаться, что дальше ближайших соседей Солнца человек все равно полететь не может: на полет, например, к звезде Бетельгейзе и обратно, даже со скоростью 250 000 км/сек., не хватит, человеческой жизни.
Значит ли отсюда, что наши потомки не смогут осуществить мечту героев романа И. Ефремова «Туманность » и добраться до других галактик? Немецкий физик Э. Зенгер дает на этот вопрос положительный ответ. До туманности Андромеды, находящейся в 1,5 миллиона световых лет от нас, можно, оказывается, долететь за 27 собственных лет.
Для этого нужно, чтобы ракета полпути летела с ускорением, а полпути - с торможением. Наибольшая скорость будет тогда достигнута, конечно, на середине пути. И чем больше расстояние до цели путешествия, тем ближе будет скорость ракеты к скорости света, а значит, тем больше будет замедление времени на ракете. Собственное время полета будет зависеть в этом случае только от расстояния. И вот оказывается, что полет до центра нашей Галактики займет при таком режиме 19,8 собственных года, что соответствует 30 000 земных лет, а полет до туманности Андромеды - 27,2 собственных года, или 1,5 миллиона земных лет. Столько же потребуется и на обратный путь.
Конечно, герои Ефремова не отказались бы за 27 собственных или «зависимых» лет добраться до туманности Андромеды. Но мы не учли расхода «горючего» - запасов элементарных частиц. Отношение начальной и конечной массы ракеты составит в этом случае 2,5 триллиона! Из 2,5 миллиона тонн начальной массы до туманности Андромеды долетит… 1 грамм. А если предусмотреть и обратное возвращение, то это число (2,5 триллиона) надо еще возвести в квадрат. К тому же на Земле за это время пройдет 3 миллиона лет…
Есть ли смысл отправляться в такой полет? На это ответит будущее…
КОГДА ЖЕ ЭТО БУДЕТ?
Вернемся из наших воображаемых путешествий на реальную, сегодняшнюю Землю и попытаемся ответить на самый трудный вопрос: когда человек сможет полететь к звездам?
Ответить на этот вопрос нелегко. Ведь трудности предстоит преодолеть немалые. Фотонная ракета - это пока только принцип двигателя. Кроме того, не надо забывать о межзвездном газе, который при движении ракеты с субсветовой скоростью превратится в поток частиц высоких энергий, подобный самым жестким космическим лучам. Придется считаться и с сопротивлением межзвездного газа.
Конечно, вряд ли можно ожидать, что уже в текущем столетии люди полетят к другим звездам: нам хватит работы и в солнечной системе, да и на нашей родной планете еще немало важных дел, не так ли?
Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.
Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship,
который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.
Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.
Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ
Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.
Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.
Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.
«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».
Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.
Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.
По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад - столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?
Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.
КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ
Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.
Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.
Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.
Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.
Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).
ПОРВАЛИ ПАРУС!
Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...
Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.
В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.
Итак, преимущество солнечного парусника - отсутствие топлива на борту, недостатки - уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?
Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).
СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.
Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:
- рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
- резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
КРОТОВАЯ НОРА
Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.
Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.
Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.
ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ
Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.
Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.
Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.
Ирина ГРОМОВА
