Как добраться до звезд, не нарушая законов физики
Сегодняшние космические аппараты преодолевают силу земного тяготения с помощью химического топлива и даже могут, использовав для разгона гравитационные маневры, выйти за пределы гелиосферы. Этого, конечно, мало для далеких межзвездных перелетов, но возможны ли они в принципе? Мы попросили Бориса Штерна, физика и писателя-фантаста (а также одного из критиков проекта Starshot), рассказать о том, как, не нарушая законов физики, можно было бы развить скорость, достаточную для путешествия к звездам.
Пропасть, отделяющая нас от других планетных систем, чудовищна, но человек не был бы человеком, если бы пристально не присматривался к ней. Где-то там, за дальним ее краем, может быть жизнь, планеты, пригодные для заселения в далеком будущем.
Судя по всему, жизнь — редчайший феномен во Вселенной. Не является ли распространение жизни главной целью Homo sapiens? Для этого надо преодолеть пропасть, но преодолима ли она в реальности, а не в фантазиях?
Есть разные иллюстративные приемы, показывающие весь ужас нашей изоляции. Например, такой.
Уменьшим все в 10 миллиардов раз — на 10 порядков величины. Солнце станет размером с апельсин, Земля — песчинкой в 15 метрах от Солнца. Скорость света будет 3 сантиметра в секунду. И где будет ближайшая звезда? Примерно на том же расстоянии, что Иркутск от Москвы.
Свет доползет туда за четыре с небольшим года, «Вояджер-2» (более быстрый, чем «Вояджер-1»), двигаясь со скоростью 6 миллиметров в час (в рамках модели с апельсином), улетит на такое расстояние за сотню тысяч лет. Это ближайшая звезда Проксима Центавра, где есть планета — скорее всего, непригодная для обитания.
А где ближайшая пригодная? Прикидки, сделанные по данным космического телескопа «Кеплер», дают оценку 15–20 световых лет, то есть в 4–5 раз дальше. И это очень оптимистичный результат. Конечно, такая планета может оказаться и у Альфа Центавра (там двойная система, что неблагоприятно), но вероятность этого явно недостаточна, чтобы полагаться на такую удачу.
Можно ли передвигаться в пространстве на порядки быстрее, чем «Вояджеры»? Скорость «Вояджера-2» — около 16 километров в секунду, что составляет 5 × 10-5 от скорости света. Передвижение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, но до предела остается еще более 4 порядков.
Можно ли существенно увеличить скорость аппаратов в рамках существующих технологий, то есть с помощью химического топлива?
На самом деле с помощью одного лишь химического топлива очень трудно достичь даже той скорости, какую держат «Вояджеры», вылетев из Солнечной системы. Ведь надо не просто разогнать корабль, надо еще преодолеть гравитационный потенциал Солнца.
Если бы корабли разгонялись у Земли, им бы пришлось придать скорость около 30 километров в секунду, притом что скорость истечения газов в сопле ракеты почти на порядок меньше. Это потребовало бы наличия многих ступеней уже в космосе и безумных затрат.
В данном случае значительную часть работы проделали Юпитер с Сатурном, использованные в гравитационных маневрах «Вояджеров».
А нельзя ли с помощью гравитационных маневров выжать больше, скажем, еще порядок величины по скорости? К сожалению, нет. Планеты-гиганты движутся слишком медленно, а внутренние планеты — слишком легкие. Результат ускорения «Вояджеров» — не предел, но недалек от него. В их случае была использована редкая благоприятная конфигурация планет.
Невозможно «футболить» корабль от одной планеты к другой, накапливая скорость, — при относительной скорости, превышающей первую космическую для данной планеты, маневр теряет эффективность. Реальный предел скорости, достижимой с помощью химического топлива вместе с гравитационными маневрами, — 10-4 скорости света.
Есть еще вариант разгона у Солнца с помощью эффекта Оберта: подойдя к Солнцу по сильно вытянутой орбите из далекого афелия, включаем двигатель в перигелии и получаем конечное приращение скорости в √2Δv V, где V — орбитальная скорость, Δv — приращение скорости.
Если взять радикальный случай пролета на 10 радиусах Солнца (V = 200 километров в секунду, равновесная температура ~ 3000 градусов Цельсия) и добиться приращения скорости 4 километра в секунду, то получим около 40 километров в секунду на бесконечности. Опять те же 10-4 скорости света!
На большее приращение скорости с химическим топливом рассчитывать трудно, не забудем, что корабль перед этим забрался в далекий афелий.
Можно ли, не нарушая законов природы и пользуясь доступными источниками энергии, сократить время межзвездного перелета на порядки? Зайдем с другого конца — с самых дерзновенных идей.
Наиболее радикальная из них, не нарушающая законов природы с порога, — фотонный двигатель на антивеществе. В принципе, если бы мы имели антивещество, то, казалось бы, могли бы эффективно конвертировать энергию его аннигиляции в световой луч (через нагрев тугоплавкой оболочки и фокусировку обычным параболическим зеркалом).
Теоретически так можно было бы достичь, скажем, половины скорости света, хотя тут есть и обратная сторона, связанная с бомбардировкой корабля атомами межзвездной среды.
Если взять корабль массой 100 тонн, то в идеальном случае для его разгона потребуется всего 30 тонн антивещества и столько же аннигилирующего вещества. Правда, разгоняться придется медленно: при радиусе тугоплавкой (4000 кельвинов) оболочки 10 метров, максимально допустимой мощности 30 гигаватт, силе 0,3 ньютона и ускорении 3 × 10-6 сантиметра в секунду за секунду время разгона до половины скорости света составит 10000 лет.
Довольно, скажем так, не быстро. Можно было бы обойтись без твердой оболочки, например использовать магнитную бутылку с плазмой, но и тогда возникнут ограничения на предельную мощность из-за величины поля, предельной стойкости окружающих конструкций и тому подобных причин.
Но главное препятствие на пути создания фотонного звездолета состоит в том, что коэффициент полезного действия в производстве антивещества — порядка одной миллиардной. Причем какая-то часть этой малости неустранима. КПД производства антипротонов составляет порядка одной стотысячной — необходимо вместе родить три антикварка, причем им надо еще объединиться в одну частицу. Потом антипротоны требуется собрать в пучок, охладить и замедлить.
И даже если удастся добиться КПД на уровне одной миллионной, производство антивещества в количестве, достаточном для разгона корабля до 0,5 скорости света, вызовет экологическую катастрофу на Земле. Требуемая энергия для наработки антивещества для разгона 100-тонного корабля до 0,5 скорости света при КПД 10-6 эквивалентна теплу, получаемому всей Землей от Солнца за 100 лет.
Гораздо выше КПД производства позитронов — проценты. Но как их хранить, ведь объемный заряд — страшная вещь? Теоретически можно просчитать варианты: перемешать их с электронами, не давая аннигилировать; использовать какую-то комбинацию магнитного поля и когерентного электромагнитного излучения.
Но все это представимо, пока речь идет о лабораторных условиях и малых количествах. Хранить же тонны или центнеры позитронов в космосе — совершенно монструозное и едва ли осуществимое в реальности предприятие.
А если пойти по пути Жюля Верна и вместо того, чтобы прибегать к ракетному принципу, выстрелить космическим аппаратом в направлении ближайшей звезды? Сегодня подобный проект существует под названием Starshot, соответствующие разработки в их начальной стадии профинансировал Юрий Мильнер.
В общих чертах проект заключается в следующем: берем массив плотно упакованных фазируемых лазеров размером километр на километр, подаем на него мощность 50 гигаватт, после чего узким пучком (расходимость 10-9) ускоряем маленький зонд весом 1 грамм с парусом площадью 4 квадратных метра и весом еще 1 грамм.
По идее, ускорение должно составить 30 000g, время ускорения — 200 секунд, путь ускорения — 6 миллионов километров, конечная скорость — 20 процентов скорости света. По прилете к Альфе или Проксиме Центавра парус превращается в линзу Френеля и передает на землю некую информацию.
Идея, как представляется, технологически неосуществима. Достаточно, например, того, что даже высочайшей отражательной способности поверхности паруса будет недостаточно, чтобы предотвратить мгновенное испарение «звездолета». Дискуссию с Мильнером и автором идеи Филипом Любиным на этот счет публиковал на своем сайте «Троицкий вариант».
Примерно то же самое можно сказать и про другие варианты выстрела (например, электромагнитной пушкой). Длина «ствола» в проекте Starshot составляет 6 миллионов километров, и нет никаких предпосылок к тому, чтобы в случае с электромагнитной пушкой она оказалась бы меньше для достижения той же скорости.
Проект, по замыслу противоположный вышеописанному, которым еще полвека назад увлекался блестящий физик-теоретик Фримен Дайсон, — взрыволет. Работает он следующим образом: если снабдить корабль толстой защитной плитой и взрывать за ней одну за другой водородные бомбы, то реактивная сила придаст кораблю необходимое ускорение. Предполагается, что так можно будет достичь скорости в 10 процентов от скорости света.
Однако давайте посчитаем. Энерговыделение при термоядерном синтезе дейтерия и трития составляет 17,6 мегаэлектронвольт, или 0,37 процента от mc2 реагирующих частиц. Если всю эту энергию пустить в аккуратно сформированный пучок, получим скорость 0,086 скорости света.
Однако усредненная по массе скорость продуктов термоядерного синтеза (нейтрон и альфа-частица) составляет всего 0,031 скорости света, потому что она неравномерно распределяется между нейтроном и альфа-частицей.
Хуже того: из продуктов реакции невозможно сформировать пучок, в лучшем случае его можно перехватить огромной плитой, но не отразить. Из-за этого эффективная скорость дополнительно делится на 4, так как разлет изотропен, а нам нужна проекция скорости на направление движения, и остается всего 0,8 процента скорости света.
Получить 10 процентов скорости света можно только с помощью огромного превосходства массы бомб над массой плиты и корабля. Из формулы Циолковского V = v ln (M начальное / M конечное) получается, что нам потребуется М начальное > 10 0000 M конечного, причем конечная масса включает в себя и вес плиты, а тут сотней тонн уже не отделаться.
Более реальные — и ощутимые — результаты может принести ядерная энергия, поскольку ядерный реактор — хорошо управляемое устройство. При делении ядра урана выделяется около 200 мегаэлектронвольт энергии. Само ядро урана весит чуть больше 200 гигаэлектронвольт, то есть выделяется около 0,001 от массы покоя топлива.
Это почти в 4 раза меньше, чем в термоядерном синтезе, зато энергия, выделенная в атомном реакторе, куда более удобна для использования. Она через тепло переводится в электричество (на Земле — с помощью паровых турбин, в космосе — через термоэлектрические преобразователи), потом передается реактивной струе с помощью ионных или плазменных двигателей.
Скорость истечения струи легко регулируется и может быть любой. При стопроцентном КПД оптимальная скорость реактивной струи из продуктов ядерного горения считается по формуле: √0,002с2 (где с — скорость света), то есть 4,5 процента скорости света.
Конечно, стопроцентных КПД не бывает, поэтому возьмем одну четверть — в надежде на скорый прогресс в технологии термоэлектрических преобразователей. Тогда оптимальная скорость истечения уменьшается в 2 раза, примерно до 7000 километров в секунду.
Двигатель можно взять, например, ионный (правда, это не очень эффективно, если рабочим веществом будет отработанное топливо) или плазменный, использующий скрещенные электрическое и магнитное поля — в обоих типах двигателя легко регулировать скорость истечения.
Итак, чего же можно добиться при таком энергетическом выходе?
Допустим, масса корабля с реактором и двигателем — 100 тонн, как и в вышеприведенном примере, а рабочее вещество — отработанное топливо. Пусть корабль должен тормозить, а максимальная скорость достигает скромных 2 процентов от скорости света. С учетом торможения это будет эквивалентно разгону до 0,04 скорости света, или 12 000 километров в секунду.
Из формулы Циолковского имеем М топлива = [exp(12000/7000)-1]M корабля = 450 тонн. Это чистый уран-235. В общем, хотя подобный проект был бы сопряжен с большими техническими сложностями и финансовыми затратами, он не безнадежен.
В связи с этим можно сказать пару слов о стратегии и возможной технике межзвездного перелета на ядерном топливе. Если корабль должен тормозить (а если нет — от него немного толку), то наиболее надежный и щадящий режим для него — работа на постоянной умеренной мощности от старта до финиша.
Это означает, что сначала происходит медленный разгон, потом — медленное торможение. Переход от одного режима к другому может осуществляться посредством простого разворота корабля вокруг поперечной оси. Тогда средняя скорость при указанных выше параметрах будет в два раза меньше — 0,01 скорости света.
В таком полете все будет происходить очень плавно. Ускорение — десятки микрон в секунду за секунду, тяга — меньше килограмма, мощность реактора — десятки мегаватт. Но только так и можно пересечь пропасть шириной в десяток световых лет.
В таком проекте нет ничего технологически невозможного. В космосе у него имеются и свои преимущества — например, не потребуется биологическая защита вокруг реактора — всю полезную нагрузку можно выпустить далеко «на ниточке», не нужна перегрузка ТВЭлов — их можно сделать в виде стержней километровой длины, медленно протягивающихся через каналы в реакторе. Правда, такому двигателю понадобится охлаждение, а значит, очень большие радиаторы.
Итак, полет со скоростью тысячи километров в секунду вполне реален. Однако зададимся вопросом: а есть ли разница — лететь сто тысяч или тысячу лет? Это все равно намного превышает срок жизни человека — так куда спешить?
На самом деле разница есть, и немалая. Через сто тысяч лет к месту назначения прилетит мертвая болванка. Космос — весьма агрессивная среда, интенсивность облучения заряженными частицами там на порядок выше, чем под радиационными поясами Земли.
Человек выдержит в открытом космосе пару лет с заметным ущербом для здоровья. Бактерии, простейшие и замороженные эмбрионы — существенно дольше, но вряд ли перенесут хотя бы вековой перелет. Электроника тоже страдает от космических лучей, хотя и в меньшей степени.
Фон заряженных частиц можно подавить примерно на три порядка с помощью сверхпроводящего соленоида (примерные параметры — критическое поле сверхпроводника 10 тесла и радиус соленоида 10 метров). Сейчас для этого не хватает высокотемпературного (20–30 кельвинов) сверхпроводника с большим значением критического поля, но его создание, видимо, не за горами.
Даже если эффективность его защиты будет вдвое ниже, чем по нашей оценке, то тысячелетний перелет будет сопровождаться двухлетней дозой облучения. Это значит, что к ближайшим планетам, пригодным для обитания, прилетит живой корабль — без экипажа, конечно, но с работающей электроникой, роботами и жизнеспособными семенами, спорами и эмбрионами.
Смогут ли вообще какие-то устройства проработать тысячу лет? Пока еще никто не ставил перед учеными и инженерами подобных задач. Но если такая задача будет поставлена, ее, скорее всего, удастся решить, и никакие тысячелетние эксперименты для этого не понадобятся. «Вояджеры», например, работают уже 40 лет без сорокалетних экспериментов.
Трудно представить себе, чтобы такой проект, результатами которого смогут (если смогут) воспользоваться далекие неведомые потомки, стал реальностью прямо в наши дни. Однако необходимо заметить, что его реализация может дать важные вспомогательные результаты уже в обозримой перспективе.
Речь идет о полетах в пределах Солнечной системы. Атомный тягач — ключ к настоящему ее освоению. Конкретные параметры такого корабля могут отличаться от тех, что необходимы для межзвездных перелетов (потребуется бóльшая тяга, возможность дозаправки рабочим веществом), но принцип тот же.
Такой тягач может работать в космосе десятилетиями, совершая рейсы в два конца, таская как пилотируемые корабли, так и автоматические станции, не опускаясь глубоко в гравитационный потенциал планет. Разработка таких двигателей идет, причем и в России, но, к сожалению, медленнее, чем хотелось бы.
Борис Штерн