Проекты межзвездных экспедиций
Проект «Орион»
Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн
В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона . Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА . В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет» .
В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.
На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия . По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
Аннигиляционные двигатели
Основными проблемами, которые выделяются учёными и инженерами, анализировавшими конструкции аннигиляционных ракет (англ.), являются получение нужного количества антивещества, его хранение, а также фокусировка потока частиц в нужном направлении. Указывается, что современное состояние науки и техники даже теоретически не позволяет создавать подобные конструкции.
Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде
Основная составляющая массы современных ракет - это масса топлива, необходимого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно сократить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.
Корабли поколений
Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений » (например, по типу колоний О"Нейла). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера , способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.
Сверхсветовое движение
Примечания
См. также
Источники
- Колесников Ю. В. Вам строить звездолёты. М., 1990. 207 с. ISBN 5-08-000617-X.
- http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Лекция о межзвездных полетах, об ускорении на 100 км/сек возле звезд
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Межзвёздные полёты" в других словарях:
Межзвёздный полёт путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Четыре автоматические станции Пионер 10, Пионер 11, Вояджер 1, Вояджер 2 достигли третьей космической скорости и покинули солнечную… … Википедия
Межзвёздные полёты путешествия между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Полеты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике. Четыре автоматические станции Пионер 10, Пионер 11, Вояджер 1, Вояджер 2… … Википедия
Если использовать существующие технологии, времени, чтобы отправить ученых и астронавтов в межзвездную миссию, потребуется очень и очень много. Путешествие будет мучительно долгим (даже по космическим меркам). Если мы хотим осуществить такое путешествие хотя бы за одну жизнь, ну или за поколение, нам нужны более радикальные (читай: сугубо теоретические) меры. И если червоточины и подпространственные двигатели на текущий момент являются абсолютно фантастическими, много лет существовали другие идеи, в реализацию которых мы верим.
Ядерная силовая установка
Ядерная силовая установка - это теоретически возможный «двигатель» для быстрого космического путешествия. Концепцию первоначально предложил Станислав Улам в 1946 году, польско-американский математик, принимавший участие в Манхэттенском проекте, а предварительные расчеты сделали Ф. Райнес и Улам в 1947 году. Проект «Орион» был запущен в 1958 году и просуществовал до 1963-го.
Под руководством Теда Тейлора из General Atomics и физика Фримена Дайсона из Института перспективных исследований в Принстоне, «Орион» должен был использовать силу импульсных ядерных взрывов, чтобы обеспечить огромную тягу с очень высоким удельным импульсом.
В двух словах, проект «Орион» включает крупный космический аппарат, который набирает скорость за счет поддержки термоядерных боеголовок, выбрасывая бомбы позади и ускоряясь за счет взрывной волны, которая уходит в расположенный сзади «пушер», панель для толчка. После каждого толчка сила взрыва поглощается этой панелью и преобразуется в движение вперед.
Хотя по современным меркам эту конструкцию сложно назвать элегантной, преимущество концепции в том, что она обеспечивает высокую удельную тягу - то есть извлекает максимальное количество энергии из источника топлива (в данном случае ядерных бомб) при минимальных затратах. Кроме того, эта концепция может теоретически разгонять очень высокие скорости, по некоторым оценкам, до 5% от скорости света (5,4 х 10 7 км/ч).
Конечно, у этого проекта имеются неизбежные минусы. С одной стороны, корабль такого размера будет крайне дорого строить. По оценкам, которые сделал Дайсон в 1968 году, космический аппарат «Орион» на водородных бомбах весил бы от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн. И по крайней мере три четверти этого веса будут приходиться на ядерные бомбы, каждая из которых весит примерно одну тонну.
Скромные подсчеты Дайсона показали, что общая стоимость строительства «Ориона» составила бы 367 миллиардов долларов. С поправкой на инфляцию, эта сумма выливается в 2,5 триллиона долларов, это довольно много. Даже при самых скромных оценкам, аппарат будет крайне дорогим в производстве.
Есть еще небольшая проблема радиации, которую он будет излучать, не говоря уж о ядерных отходах. Считается, что именно по этой причине проект был свернут в рамках договора о частичном запрете испытаний от 1963 года, когда мировые правительства стремились ограничить ядерные испытания и остановить чрезмерный выброс радиоактивных осадков в атмосферу планеты.
Ракеты на ядерном синтезе
Другая возможность использования ядерной энергии заключается в термоядерных реакциях для получения тяги. В рамках этой концепции, энергия должна создаваться во время воспламенения гранул смеси дейтерия и гелия-3 в реакционной камере инерционным удержанием с использованием электронных лучей (подобно тому, что делают в Национальном комплексе зажигания в Калифорнии). Такой термоядерный реактор взрывал бы 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму, которая затем перенаправлялась бы в сопло, создавая тягу.
Подобно ракете, которая полагается на ядерный реактор, эта концепция обладает преимуществами с точки зрения эффективности топлива и удельного импульса. По оценке, скорость должна достигать 10 600 км/ч, что намного превышает пределы скорости обычных ракет. Более того, эта технология активно изучалась в течение последних нескольких десятилетий, и было сделано много предложений.
Например, между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество провело исследование возможности проекта «Дедал». Опираясь на современные знания и технологии термоядерного синтеза, ученые призвали к строительству двухступенчатого беспилотного научного зонда, который смог бы добраться до звезды Барнарда (5,9 светового года от Земли) за срок человеческой жизни.
Первая ступень, крупнейшая из двух, работала бы в течение 2,05 года и разогнать аппарат до 7,1% скорости света. Затем эта ступень отбрасывается, зажигается вторая, и аппарат разгоняется до 12% скорости света за 1,8 года. Потом двигатель второй ступени отключается, и корабль летит в течение 46 лет.
По оценкам проекта «Дедал», миссии потребовалось бы 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда. Если к Проксиме Центавра, то же судно доберется за 36 лет. Но, конечно, проект включает массу нерешенных вопросов, в частности неразрешимых с использованием современных технологий - и большинство из них до сих пор не решены.
К примеру, на Земле практически нет гелия-3, а значит, его придется добывать в другом месте (вероятнее всего, на Луне). Во-вторых, реакция, которая движет аппарат, требует, чтобы испускаемая энергия значительно превышала энергию, затраченную на запуск реакции. И хотя эксперименты на Земле уже превзошли «точку безубыточности», мы еще далеки от тех объемов энергии, что смогут питать межзвездный аппарат.
В-третьих, остается вопрос стоимости такого судна. Даже по скромным стандартам беспилотного аппарата проекта «Дедал», полностью оборудованный аппарат будет весить 60 000 тонн. Чтобы вы понимали, вес брутто NASA SLS чуть выше 30 метрических тонн, и один только запуск обойдется в 5 миллиардов долларов (по оценкам 2013 года).
Короче говоря, ракету на ядерном синтезе будет не только слишком дорого строить, но и потребуется уровень термоядерного реактора, намного превышающий наши возможности. Icarus Interstellar, международная организация гражданских ученых (некоторые из которых работали в NASA или ЕКА), пытается оживить концепцию с проектом «Икар». Собранная в 2009 году группа надеется сделать движение на синтезе (и другое) возможным в обозримом будущем.
Термоядерный ПВРД
Известный также как ПВРД Буссарда, двигатель впервые предложил физик Роберт Буссард в 1960 году. По своей сути, это улучшение стандартной термоядерной ракеты, которая использует магнитные поля для сжатия водородного топлива до точки запуска синтеза. Но в случае ПВРД, огромная электромагнитная воронка всасывает водород из межзвездной среды и сливает в реактор как топливо.
По мере того как аппарат набирает скорость, реактивная масса попадает в ограничивающее магнитное поле, которое сжимает ее до начала термоядерного синтеза. Затем магнитное поле направляет энергию в сопло ракеты, ускоряя судно. Поскольку никакие топливные баки не будут его замедлять, термоядерный ПВРД может развить скорость порядка 4% световой и отправиться куда угодно в галактику.
Тем не менее у этой миссии есть масса возможных недостатков. К примеру, проблема трения. Космический аппарат полагается на высокую скорость сбора топлива, но вместе с тем будет сталкиваться с большим количеством межзвездного водорода и терять скорость - особенно в плотных регионах галактики. Во-вторых, дейтерия и трития (которые используются в реакторах на Земле) в космосе немного, а синтез обычного водорода, которого много в космосе, пока нам неподвластен.
Впрочем, научная фантастика полюбила эту концепцию. Самым известным примером является, пожалуй, франшиза «Звездный путь», где используются «коллекторы Буссарда». В реальности же наше понимание реакторов синтеза далеко не так прекрасно, как хотелось бы.
Лазерный парус
Солнечные паруса давно считаются эффективным способом покорения Солнечной системы. Помимо того, что они относительно просты и дешевы в изготовлении, у них большой плюс: им не нужно топливо. Вместо использования ракет, нуждающихся в топливе, парус использует давление радиации звезд, чтобы разгонять сверхтонкие зеркала до высоких скоростей.
Тем не менее, в случае межзвездного перелета, такой парус придется подталкивать сфокусированными лучами энергии (лазером или микроволнами), чтобы разгонять до скорости, близкой к световой. Концепцию впервые предложил Роберт Форвард в 1984 году, физик лаборатории Hughes Aircraft.
Его идея сохраняет преимущества солнечного паруса в том, что не требует топлива на борту, а также и в том, что лазерная энергия не рассеивается на расстоянии так же, как и солнечная радиация. Таким образом, хотя лазерному парусу потребуется некоторое время, чтобы разогнаться до околосветовой скорости, он впоследствии будет ограничен только скоростью самого света.
По данным исследования Роберта Фрисби в 2000 году, директора по исследованиям передовых двигательных концепций в Лаборатории реактивного движения NASA, лазерный парус разгонится до половины световой скорости меньше чем за десять лет. Он также рассчитал, что парус диаметром 320 километров мог бы добраться до Проксимы Центавра за 12 лет. Между тем, парус 965 километров в диаметре прибудет на место всего через 9 лет.
Однако строить такой парус придется из передовых композитных материалов, чтобы избежать плавления. Что будет особенно сложно, учитывая размеры паруса. Еще хуже обстоит дело с расходами. По мнению Фрисби, лазерам потребуется стабильный поток в 17 000 тераватт энергии - примерно столько весь мир потребляет за один день.
Двигатель на антиматерии
Любители научной фантастики хорошо знают, что такое антиматерия. Но если вы забыли, антиматерия - это вещество, состоящее из частиц, которые имеют такую же массу, как и обычные частицы, но противоположный заряд. Двигатель на антиматерии - это гипотетический двигатель, в основе которого лежат взаимодействия между материей и антиматерией для генерации энергии, или создания тяги.
Короче говоря, двигатель на антиматерии использует сталкивающиеся между собой частицы водорода и антиводорода. Испущенная в процессе аннигиляции энергия сравнима по объемам с энергией взрыва термоядерной бомбы в сопровождении потока субатомных частиц - пионов и мюонов. Эти частицы, которые движутся со скоростью одной третьей от скорости света, перенаправляются в магнитное сопло и вырабатывают тягу.
Преимущество такого класса ракет в том, что большую часть массы смеси материи/антиматерии можно преобразовать в энергию, что обеспечивает высокую плотность энергии и удельный импульс, превосходящий любую другую ракету. Более того, реакция аннигиляции может разогнать ракету до половины скорости света.
Такой класс ракет будет самым быстрым и самым энергоэффективным из возможных (или невозможных, но предлагаемых). Если обычные химические ракеты требуют тонны топлива, чтобы продвигать космический корабль к месту назначения, двигатель на антиматерии будет делать ту же работу за счет нескольких миллиграмов топлива. Взаимное уничтожение полукилограмма частиц водорода и антиводорода высвобождает больше энергии, чем 10-мегатонная водородная бомба.
Именно по этой причине Институт перспективных концепций NASA исследует эту технологию как возможную для будущих миссий на Марс. К сожалению, если рассматривать миссии к ближайшим звездным системам, сумма необходимого топлива растет в геометрической прогрессии, и расходы становятся астрономическими (и это не каламбур).
Согласно отчету, подготовленному к 39-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference и Exhibit, двухступенчатая ракета на антивеществе потребует больше 815 000 метрических тонн топлива, чтобы добраться до Проксимы Центавра за 40 лет. Это относительно быстро. Но цена…
Хотя один грамм антивещества производит невероятное количество энергии, производство одного только грамма потребует 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и выльется в триллион долларов. В настоящее время общее количество антивещества, которое было создано людьми, составляет меньше 20 нанограммов.
И даже если бы мы могли задешево производить антиматерию, нам потребовался бы массивный корабль, который смог бы удерживать необходимое количество топлива. Согласно докладу доктора Даррела Смита и Джонатана Вебби из Авиационного университета Эмбри-Риддл в штате Аризона, межзвездный корабль с двигателем на антивеществе мог бы набрать скорость в 0,5 световой и достичь Проксимы Центавра чуть больше чем за 8 лет. Тем не менее сам корабль весил бы 400 тонн и потребовал бы 170 тонн топлива из антивещества.
Возможный способ обойти это - создать судно, которое будет создавать антивещество с последующим его использованием в качестве топлива. Эта концепция, известная как Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), была предложена Ричардом Обаузи из Icarus Interstellar. Опираясь на идею переработки на месте, корабль VARIES должен использовать крупные лазеры (запитанные огромными солнечными батареями), создающие частицы антивещества при выстреле в пустой космос.
Подобно концепции с термоядерным ПВРД, это предложение решает проблему перевозки топлива за счет его добычи прямо из космоса. Но опять же, стоимость такого корабля будет чрезвычайно высокой, если строить его нашими современными методами. Мы просто не в силах создавать антивещество в огромных масштабах. А еще нужно решить проблему с радиацией, поскольку аннигиляция материи и антиматерии производит вспышки высокоэнергетических гамма-лучей.
Они не только представляют опасность для экипажа, но и для двигателя, чтобы те не развалились на субатомные частицы под воздействием всей этой радиации. Короче говоря, двигатель на антивеществе совершенно непрактичен с учетом наших современных технологий.
Варп-двигатель Алькубьерре
Любители научной фантастики, без сомнения, знакомы с концепцией варп-двигателя (или двигателя Алькубьерре). Предложенная мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, эта идея была попыткой вообразить мгновенное перемещение в пространстве без нарушения специальной теории относительности Эйнштейна. Если коротко, эта концепция включает растяжение ткани пространства-времени в волну, которая теоретически приведет к тому, что пространство перед объектом будет сжиматься, а позади - расширяться.
Объект внутри этой волны (наш корабль) сможет ехать на этой волне, будучи в «варп-пузыре», со скоростью намного превышающей релятивистскую. Поскольку корабль не движется в самом пузыре, а переносится им, законы относительности и пространства-времени нарушаться не будут. По сути, этот метод не включает движение быстрее скорости света в локальном смысле.
«Быстрее света» он только в том смысле, что корабль может достичь пункта назначения быстрее луча света, путешествующий за пределами варп-пузыря. Если предположить, что космический аппарат будет оснащен системой Алькубьерре, он доберется до Проксимы Центавра меньше чем за 4 года. Поэтому, если говорить о теоретическом межзвездном космическом путешествии, это, безусловно, наиболее перспективная технология в плане скорости.
Разумеется, вся эта концепция чрезвычайно спорная. Среди аргументов против, например, то, что она не принимает во внимание квантовую механику и может быть опровергнута теорией всего (вроде петлевой квантовой гравитации). Расчеты необходимого объема энергии также показали, что варп-двигатель будет непомерно прожорлив. Другие неопределенности включают безопасность такой системы, эффекты пространства-времени в пункте назначения и нарушения причинности.
Тем не менее в 2012 году ученый NASA Гарольд Уайт заявил, что вместе с коллегами начал исследовать возможность создания двигателя Алькубьерре. Уайт заявил, что они построили интерферометр, который будет улавливать пространственные искажения, произведенные расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.
В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля, которые проводились в условиях вакуума. К сожалению, результаты сочли «неубедительными». В долгосрочной перспективе мы можем выяснить, что метрика Алькубьерре нарушает один или несколько фундаментальных законов природы. И даже если его физика окажется верной, нет никаких гарантий, что систему Алькубьерре можно использовать для полетов.
В общем, все как обычно: вы родились слишком рано для путешествия к ближайшей звезде. Тем не менее, если человечество почувствует необходимость построить «межзвездный ковчег», который будет вмещать самоподдерживающееся человеческое общество, добраться до Проксимы Центавра удастся лет за сто. Если мы, конечно, захотим инвестировать в такое мероприятие.
Что касается времени, все доступные методы кажутся крайне ограниченными. И если потратить сотни тысяч лет на путешествие к ближайшей звезде может нас мало интересовать, когда наше собственное выживание стоит на кону, по мере развития космических технологий, методы будут оставаться чрезвычайно непрактичным. К моменту, когда наш ковчег доберется до ближайшей звезды, его технологии станут устаревшими, а самого человечества может уже не существовать.
Так что если мы не осуществим крупный прорыв в сфере синтеза, антиматерии или лазерных технологий, мы будем довольствоваться изучением нашей собственной Солнечной системы.
Сможем ли мы на самом деле добраться до неведомых планет за пределами Солнечной системы? Как это вообще возможно?
Фантасты и кинематографисты, конечно, молодцы, хорошо поработали. В красочные истории, где человек покоряет самые дальние уголки космоса, действительно хочется верить. К сожалению, прежде чем эта картинка станет явью, нам придется преодолеть немало ограничений. Например, законы физики, какими мы их видим сейчас.
Но! В последние годы появилось несколько волонтерских и финансируемых частными лицами организаций (Фонд Tau Zero , проект Icarus , проект Breakthrough Starshot), каждая из которых ставит целью создание транспорта для межзвездных полетов и приблизить человечество к покорению Вселенной. Их надежду и веру в успех укрепляют позитивные новости, например, на орбите звезды Проксима-Центавра планеты размером с Землю.
Создание межзвездного космического аппарата станет одной из тем для обсуждения на Всемирном саммите BBC Future «Идеи, которые меняют мир» в Сиднее в ноябре. Сможет ли человек отправиться в другие галактики? И если да, то какие виды космических кораблей нам для этого понадобятся?
Куда бы нам отправиться?
А куда лететь не стоит? Во Вселенной звезд больше , чем песчинок на Земле — около 70 секстиллионов (это 22 нуля после семерки) — и, по оценкам ученых, миллиарды из них имеют на орбитах от одной до трех планет в так называемой «зоне Златовласки»: на них не слишком холодно и не слишком жарко. В самый раз .
С самого начала и до сих пор лучшим претендентом для первого межзвездного полета является наш ближайший сосед — тройная звездная система Альфа Центавра. Она находится на расстоянии 4,37 световых лет от Земли. В этом году астрономы Европейской южной обсерватории обнаружили планету размером с Землю, вращающуюся вокруг красного карлика Проксима Центавра из этого созвездия. Масса планеты, названной Проксима b, как минимум в 1,3 раза больше земной, и она имеет очень короткий период обращения вокруг своей звезды - всего 11 земных дней. Но все равно эта новость чрезвычайно взволновала астрономов и охотников за экзопланетами, ведь температурный режим Проксимы b подходит для существования воды в жидком виде, а это - серьезный плюс к возможной обитаемости.
Но есть и недостатки: мы не знаем, имеет ли Проксима b атмосферу, и, учитывая ее близость к Проксима Центавра (ближе, чем Меркурий к Солнцу), она, вероятно, будет подвергаться воздействию выбросов звездной плазмы и радиации. И она так заперта приливными силами, что всегда обращена к звезде одной стороной. Это, конечно, может полностью изменить наши представления о дне и ночи.
И как мы туда попадем?
Это вопрос на 64 триллиона долларов. Даже на максимальной скорости, которую позволяют развить современные технологии, нам до Проксимы Б 18 тысяч лет. И высока вероятность, что добравшись до цели мы встретим там… наших потомков в Земли, которые уже колонизировали новую планету и забрали всю славу себе. Поэтому глубокие умы и бездонные карманы ставят себе амбициозную задачу: найти более быстрый способ пересекать огромные расстояния.
Breakthrough Starshot - это космический проект с бюджетом в размере 100 миллионов долларов, он финансируется российским миллиардером Юрием Мильнером. Breakthrough Starshot сосредоточился на создании крошечных беспилотных зондов со световыми парусами, подгоняемых мощным наземным лазером. Идея в том, что космический аппарат достаточно малого веса (едва ли 1 грамм) со световым парусом можно будет регулярно ускорять мощным световым лучом с Земли примерно до скорости в одну пятую от скорости света. Такими темпами нанозонды достигнут Альфа Центавра примерно за 20 лет.
Разработчики проекта Breakthrough Starshot рассчитывают на миниатюризацию всех технологий, ведь крошечный космический зонд должен нести с собой камеру, подруливающие устройства, источник питания, средства связи и навигационное оборудование. Все для того, чтобы по прибытии сообщить: «Смотрите, я здесь. А она совсем не вертится». Миллер надеется, что это сработает и заложит основу для следующего, более сложного этапа межзвездных передвижений: путешествия человека.
А что же варп-двигатели?
Да, в сериале Star Trek это все выглядит очень просто: включил варп-двигатель и полетел быстрее скорости света. Но все, что мы в настоящее время знаем о законах физики, говорит нам: путешествия со скоростью выше скорости света, или даже равной ей, невозможны . Но ученые не сдаются: NASA вдохновилось другим захватывающим двигателем из научной фантастики и запустило проект NASA Evolutionary Xenon Thruster (сокращено NEXT) — ионный двигатель, который сможет ускорять космические корабли до скорости 145 тысяч км/ч, используя лишь одну фракцию топлива для обычной ракеты.
Но даже на таких скоростях мы не сможем улететь далеко от Солнечной системы за одну человеческую жизнь. Пока мы не разберемся, как работать с пространством-временем, межзвездные путешествия будет протекать очень, очень медленно. Возможно, уже пора начать воспринимать то время, которое галактические странники проведут на борту межзвездного корабля, просто как жизнь, а не как поездку на «космическом автобусе» от пункта А к пункту Б.
Как мы выживем в межзвездном путешествии?
Варп-двигатели и ионные моторы - это, конечно, очень круто, но во всем этом будет мало проку, если наши межзвездные странники погибнут от голода, холода, обезвоживания или отсутствия кислорода еще до того, как покинут пределы Солнечной системы. Исследователь Рейчел Армстронг утверждает, что нам пора задумываться о создании настоящей экосистемы для межзвездного человечества.
«Мы переходим от индустриального взгляда к экологическому видению реальности», — заявляет Армстронг.
Армстронг — профессор экспериментальной архитектуры в Университете Ньюкасла в Великобритании — говорит о таком понятии как «worlding»: «Это о пространстве обитания, а не только о дизайне объекта». Сегодня внутри космического корабля или станции все стерильно и выглядит как промышленный объект. Армстронг считает, что вместо этого мы должны подумать об экологической составляющей космических судов: о растениях, которые мы сможем выращивать на борту, и даже о видах почв, которые возьмем с собой. В будущем, как она предполагает , космолеты будут выглядеть как гигантские биомы, полные органической жизни, а не сегодняшние холодные, металлические ящики.
А мы не можем просто проспать всю дорогу?
Криосон и гибернация - это, конечно хорошее решение довольно неприятной проблемы: как сохранить людей живыми во время путешествия, которое длится гораздо дольше, чем сама человеческая жизнь. По крайней мере, в кино так делают . И в мире полно крио-оптимистов: Фонд продления жизни Алькор хранит множество крио-консервированных тел и голов людей, которые надеются, что наши потомки научатся безопасно размораживать людей и избавляться от неизлечимых ныне заболеваний, но в настоящее время таких технологий не существует.
В фильмах типа «Интерстеллар» и в книгах наподобие «Seveneves» Нила Стивенсона озвучивается идея отправить в космос замороженные эмбрионы, которые могли бы пережить даже самый длительный полет, потому что ни есть, ни пить, ни дышать им не нужно. Но это поднимает проблему «курицы и яйца»: кто-то ведь должен ухаживать за этим зарождающимся человечеством в несознательном возрасте.
Так это все реально?
«С самого зарождения человечества мы смотрели на звезды и обращали к ним наши надежды и страхи, тревоги и мечты», — говорит Рэйчел Армстронг .
С запуском новых инженерных проектов, таких как Breakthrough Starshot, «мечта становится реальным экспериментом».
В тысячах фантастических романов описаны гигантские фотонные звездолеты размером с небольшой (или большой) город, уходящие в межзвездный полет с орбиты нашей планеты (реже — с поверхности Земли). Но по замыслу авторов проекта Breakthrough Starshot все будет происходить совсем не так: в один знаменательный день две тысячи какого-то года к одной из ближайших звезд, альфе Центавра, стартует не один и не два, а сразу сотни и тысячи маленьких звездолетиков размером с ноготь и массой в 1 г. И у каждого из них будет тончайший солнечный парус площадью в 16 м 2 , который и понесет звездолет со все возрастающей скоростью вперед — к звездам.
Такелаж. Для сохранения формы паруса предполагается армировать его графеном. Некоторые композитные материалы на основе графена могут сокращаться под действием приложенного электрического напряжения для активного управления. Для стабилизации парус можно раскрутить или придать ему форму обратного конуса для пассивной самостабилизации в поле лазерного излучения. Солнечный парус. Один из главных элементов проекта — солнечный парус площадью в 16 м² и массой всего 1 г. В качестве материала паруса рассматриваются многослойные диэлектрические зеркала, отражающие 99,999% падающего света (по предварительным расчетам этого должно хватить, чтобы парус не расплавился в поле излучения 100-ГВт лазера). Более перспективный подход, позволяющий сделать толщину паруса меньшей длины волны отражаемого света, — это использование в качестве основы паруса монослоя метаматериала с отрицательным показателем преломления (такой материал к тому же имеет наноперфорацию, что еще уменьшает его массу). Второй вариант — это использование материала не с высоким коэффициентом отражения, а с низким коэффициентом поглощения (10−9), такого как оптические материалы для световодов.
«Выстрел к звёздам»
Основой проекта Breakthrough Starshot стала статья профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина «План для межзвездных полетов» (A Roadmap to Interstellar Flight). Основная заявленная цель проекта состоит в том, чтобы сделать межзвездные полеты возможными уже при жизни следующего поколения людей, то есть не через столетия, а через десятилетия.
Полетный план
1. Ракета выводит на околоземную орбиту материнский корабль, содержащий десятки, сотни, тысячи или десятки тысяч зондов. 2. Зонды покидают материнский корабль, разворачивают паруса, ориентируются и занимают стартовую позицию. 3. На Земле начинает работать фазированный массив размерами 1 х 1 км из 20 млн небольших (с апертурой в 20−25 см) лазерных излучателей, фокусирующий лазерный луч на поверхности паруса. 4. Для компенсации атмосферных искажений используются опорные бакены — «искусственные звезды» в верхних слоях атмосферы, на материнском корабле, а также отраженный сигнал от паруса. 5. Зонд разгоняется лазерным лучом в течение нескольких минут до 20% от скорости света, ускорение при этом достигает 30 000 g. На протяжении всего полета, который продлится около 20 лет, лазер периодически отслеживает положение зонда. 6. По прибытии к цели, в систему Альфа Центавра, зонды пытаются обнаружить планеты и сделать их снимки во время пролета. 7. Используя парус как линзу Френеля и лазерный диод в качестве передатчика, зонд ориентируется и передает полученные данные в направлении Земли. 8. Через пять лет на Земле принимают эти данные.
Сразу после официального анонса программы Starshot на авторов проекта обрушилась волна критики со стороны ученых и технических специалистов в различных областях. Критически настроенные эксперты отмечали многочисленные некорректные оценки и просто «белые пятна» в плане программы. Некоторые замечания были приняты во внимание, и план полета был несколько скорректирован в первой итерации.
Итак, межзвездный зонд будет представлять собой космический парусник с электронным модулем StarChip массой 1 г, соединенным сверхпрочными стропами с солнечным парусом площадью 16 м 2 , толщиной 100 нм и массой 1 г. Конечно, света нашего Солнца недостаточно, чтобы разогнать даже столь легкую конструкцию до скоростей, при которых межзвездные путешествия не будут длиться тысячелетиями. Поэтому главная изюминка проекта StarShot — это разгон с помощью мощного лазерного излучения, которое фокусируется на парусе. По оценкам Любина, при мощности лазерного луча 50−100 ГВт ускорение составит около 30 000 g, и за несколько минут зонд достигнет скорости в 20% световой. Полет к альфе Центавра продлится около 20 лет.
Под звёздными парусами
Одна из ключевых деталей проекта — это солнечный парус. В исходном варианте площадь паруса изначально составляла всего 1 м 2 , и из-за этого он мог не выдержать нагрева при разгоне в поле лазерного излучения. Новый вариант использует парус площадью 16 м 2 , так что тепловой режим будет хотя и довольно жестким, но, по предварительным оценкам, не должен расплавить или разрушить парус. Как пишет сам Филип Любин, в качестве основы для паруса планируется использовать не металлизированные покрытия, а полностью диэлектрические многослойные зеркала: «Такие материалы характеризуются умеренным коэффициентом отражения и чрезвычайно низким поглощением. Скажем, оптические стекла для волоконной оптики рассчитаны на большие световые потоки и имеют поглощение порядка двадцати триллионных на 1 мкм толщины». Добиться хорошего коэффициента отражения от диэлектрика при толщине паруса в 100 нм, а это много меньше длины волны, непросто. Но авторы проекта возлагают некоторые надежды на использование новых подходов, таких как монослои метаматериала с отрицательным показателем преломления. «Кроме того, нужно учитывать, что отражение от диэлектрических зеркал настраивается на узкий диапазон длин волн, а по мере ускорения зонда эффект Доплера сдвигает длину волны более чем на 20%, — говорит Любин. — Мы это учитывали, поэтому отражатель будет настроен примерно на двадцатипроцентную ширину полосы излучения. Мы спроектировали такие отражатели. Если необходимо, доступны и отражатели с большей шириной полосы».
Юрий Мильнер, российский бизнесмен и меценат, основатель фонда Breakthrough Initiatives: За последние 15 лет произошли существенные, можно сказать, революционные продвижения по трем технологическим направлениям: миниатюризация электронных компонентов, создание нового поколения материалов, также удешевление и увеличение мощности лазеров. Сочетание этих трех тенденций приводит к теоретической возможности разогнать наноспутник до почти релятивистских скоростей. На первом этапе (5−10 лет) мы планируем провести более углубленное научно-инженерное исследование, чтобы понять, насколько этот проект реализуем. На сайте проекта есть список из примерно 20 серьезных технических проблем, без решения которых мы не сможем идти дальше. Это не окончательный список, но, опираясь на мнение научного совета, мы считаем, что первый этап проекта имеет достаточную мотивацию. Я знаю, что проект звездного паруса подвергается серьезной критике со стороны специалистов, но думаю, что позиция некоторых критически настроенных экспертов связана с не совсем точным пониманием того, что же мы реально предлагаем. Мы финансируем не полет к другой звезде, а вполне реалистичные многоцелевые разработки, связанные с идеей межзвездного зонда лишь общим направлением. Эти технологии найдут применение и для полетов в Солнечной системе, и для защиты от опасных астероидов. Но постановка столь амбициозной стратегической цели, как межзвездный полет, представляется оправданной в том смысле, что развитие технологий за последние 10−20 лет, вероятно, делает реализацию подобного проекта вопросом не веков, как многие предполагали, а скорее — десятилетий.
Лазерная установка
Основная силовая установка звездолета не полетит к звездам — она будет расположена на Земле. Это наземная фазируемая решетка лазерных излучателей размером 1х1 км. Суммарная мощность лазеров должна составлять от 50 до 100 ГВт (это эквивалентно мощности 10−20 Красноярских ГЭС). Предполагается с помощью фазирования (то есть изменения фаз на каждом отдельном излучателе) сфокусировать излучение с длиной волны 1,06 мкм со всей решетки в пятно диаметром несколько метров на расстояниях вплоть до многих миллионов километров (предельная точность фокусировки 10−9 радиана). Но такой фокусировке сильно мешает турбулентная атмосфера, размывающая луч в пятно размером примерно в угловую секунду (10−5 радиана). Улучшения на четыре порядка предполагается достичь с помощью адаптивной оптики (АО), которая будет компенсировать атмосферные искажения. Лучшие системы адаптивной оптики в современных телескопах уменьшают размытие до 30 угловых миллисекунд, то есть до намеченной цели остается еще примерно два с половиной порядка.
Филип Любин в своей статье приводит численные оценки пунктов плана, однако многие ученые и специалисты относятся к этим данным весьма критически. Конечно, для проработки столь амбициозного проекта, как Breakthrough Starshot, требуются годы работы, да и $100 млн — не такая уж и большая сумма для работы подобного масштаба. В особенности это касается наземной инфраструктуры — фазированной решетки лазерных излучателей. Установка такой мощности (50−100 ГВт) потребует гигантского количества энергии, то есть рядом нужно будет построить как минимум десяток крупных электростанций. Помимо этого, потребуется отводить от излучателей огромное количество тепла на протяжении нескольких минут, и как это делать — пока что совсем неясно. Таких вопросов без ответов в проекте Breakthrough Starshot огромное количество, однако пока что работа только началась. «В научный совет нашего проекта входят ведущие специалисты, ученые и инженеры в различных релевантных областях, включая двух нобелевских лауреатов, — говорит Юрий Мильнер. — И я слышал весьма сбалансированные оценки реализуемости этого проекта. При этом мы, безусловно, полагаемся на совокупную экспертизу всех членов нашего научного совета, но в то же время открыты для более широкой научной дискуссии».
«Чтобы победить мелкомасштабную атмосферную турбулентность, фазируемая решетка должна быть разбита на очень мелкие элементы, размер излучающего элемента для нашей длины волны должен составлять не более 20−25 см, — объясняет Филип Любин. — Это минимум 20 млн излучателей, но такое количество меня не пугает. Для обратной связи в системе АО мы планируем использовать много опорных источников — бакенов — и на зонде, и на материнском корабле, и в атмосфере. Кроме того, мы будем отслеживать зонд на пути к цели. Мы также хотим использовать звезды как бакен для настройки фазирования решетки при приеме сигнала от зонда по прибытии, но для надежности будем отслеживать зонд».
Прибытие
Но вот зонд прибыл в систему альфы Центавра, сфотографировал окрестности системы и планеты (если они есть). Эту информацию нужно каким-то образом передать на Землю, причем мощность лазерного передатчика зонда ограничена единицами ватт. А через пять лет этот слабый сигнал нужно принять на Земле, выделив из фонового излучения звезды. По замыслу авторов проекта, у цели зонд маневрирует таким образом, что парус превращается в линзу Френеля, фокусирующую сигнал зонда в направлении Земли. Согласно оценкам, идеальная линза при идеальной фокусировке и идеальной ориентации усиливает сигнал мощностью 1 Вт до 10 13 Вт в изотропном эквиваленте. Но как рассмотреть этот сигнал на фоне гораздо более мощного (на 13−14 порядков!) излучения звезды? «Свет от звезды на самом деле довольно слаб, поскольку ширина линии нашего лазера очень мала. Узкая линия — ключевой фактор в сокращении фона, — говорит Любин. — Идея сделать из паруса линзу Френеля на основе тонкопленочного дифракционного элемента достаточно сложна и требует большой предварительной работы, чтобы понять, как именно лучше сделать это. Этот пункт на самом деле — один из главных в нашем плане проекта».
С другой стороны, фазированная решетка оптических излучателей / приемников излучения общей апертурой в километр — это инструмент, способный видеть экзопланеты с расстояния десятков парсек. Используя приемники с перестраиваемой длиной волны, можно определить состав атмосферы экзопланет. Нужны ли вообще в таком случае зонды? «Конечно, использование фазируемой решетки как очень большого телескопа открывает новые возможности в астрономии. — Но, — добавляет Любин, — мы планируем добавить к зонду инфракрасный спектрометр в качестве более долговременной программы в дополнение к камере и другим датчикам. У нас отличная группа фотоники в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, которая является частью коллаборации».
Но в любом случае, по словам Любина, первые полеты будут совершаться в пределах Солнечной системы: «Поскольку мы можем посылать огромное количество зондов, это дает нам много разных возможностей. Мы также можем посылать подобные маленькие (wafer-scale, то есть на чипе) зонды на обычных ракетах и использовать те же технологии для изучения Земли или планет и их спутников в Солнечной системе».
Редакция благодарит газету « Троицкий вариант — наука » и ее главного редактора Бориса Штерна за помощь в подготовке статьи.
Ученые говорят о том, что человечество маленькими шажками продвигается к будущему, в котором полеты из одной планетной системы в другую наконец-то станут реальностью. По последним оценкам специалистов такое будущее может наступить в течение одного или двух веков, если научный прогресс не будет топтаться на месте. В свое время только при помощи сверхмощного телескопа «Кеплер» астрономы смогли обнаружить 54 потенциально обитаемых экзопланеты. Все эти далекие от нас миры располагаются в так называемой обитаемой зоне, на определенном удалении от центральной звезды, что позволяет поддерживать на планете воду в жидком состоянии.
При этом получить ответ на самый главный вопрос – одиноки ли мы во Вселенной –достаточно трудно. Из-за очень больших расстояний, которые разделяют Солнечную систему и наших ближайших соседей. К примеру, одна из «перспективных» планет Gliese 581g располагается на удалении в 20 световых лет, что довольно близко по меркам космоса, но пока что очень далеко для обычных земных технологий. Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от нашей родной планеты и очень большой научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для всего человечества, заставляют совершенно по-новому смотреть на доселе фантастическую идею совершения межзвездных перелетов.
Главной задачей, которая сегодня стоит перед космологами и инженерами является создание принципиально нового двигателя, который позволил бы землянам преодолевать огромные космические расстояния за сравнительно небольшое время. При этом о совершении межгалактических перелетов речь пока, безусловно, не ведется. Для начала человечество могло бы исследовать нашу родную галактику – Млечный путь.
Млечный путь состоит из большого количества звезд, вокруг которых вращаются планеты. Ближайшая к Солнцу звезда носит название Альфа Центавра. Эта звезда удалена от Земли на 4,3 световых года или 40 триллионов километров. Если предположить, что ракета с обыкновенным двигателем вылетит с нашей планеты сегодня, то она сможет преодолеть это расстояние только через 40 тысяч лет! Конечно же, такая космическая миссия выглядит полным абсурдом. Марк Миллис, бывший глава проекта NASA по созданию новейших технологий в области создания двигателей и основатель фонда Tau Zero, считает, что человечеству необходимо долго и методично идти к созданию нового типа двигателя. В наши дни существует уже огромное количество теорий насчет того, каким будет этот двигатель, но какая из теорий сработает, мы не знаем. Потому Миллис считает бессмысленным делать акцент только на одной какой-то технологии.
Сегодня ученые пришли к заключению, что космические корабли будущего смогут летать при помощи использования термоядерного двигателя, солнечного паруса, двигателя на антиматерии или двигателя искривления пространства-времени (или варп-двигателя, который хорошо известен поклонникам сериала Star Trek). Последний двигатель в теории должен сделать возможными полеты быстрее скорости света, а значит, и небольшие путешествия во времени.
При этом все перечисленные технологии только лишь описаны, как их реализовать на практике пока что не знает никто. По этой же причине нет ясности, какая же именно технология подает больше всего надежд на реализацию. Правда некоторое количество солнечных парусов уже успело слетать в космос, но для осуществления пилотируемой миссии межзвездных перелетов потребуется огромный парус размерами с Архангельскую область. Принцип работы солнечного паруса практически не отличается от ветряного, только вместо потоков воздуха он ловит сверхсфокусированные лучи света, испускаемые мощной лазерной установкой, вращающейся вокруг Земли.
Марк Миллис в пресс-релизе своего фонда Tau Zero говорит о том, что правда находится где-то посередине между уже почти привычными нам солнечными парусами и совсем фантастическими разработками, вроде варп-двигателя. «Необходимо проводить научные открытия и медленно, но верно двигаться к намеченной цели. Чем больше людей мы сможем заинтересовать, тем большие объемы финансирования привлечем, именно финансирования в настоящее время катастрофически не хватает», – говорит Миллис. Марк Миллис полагает, что финансирование для больших проектов нужно собирать по крупицам, не рассчитывая, что кто-то неожиданно вложит целое состояние в реализацию амбициозных планов ученых.
Сегодня по всему миру найдется масса энтузиастов, которые верят и уверены в том, что будущее нужно строить уже сейчас. Ричард Обузи, являющийся президентом и сооснователем компании Icarus Interstellar, отмечает: «Межзвёздные перелеты – это международная инициатива многих поколений людей, которая требует огромных интеллектуальных и финансовых затрат. Уже в наши дни мы должны инициировать необходимые программы, для того чтобы через сотню лет человечество смогло вырваться за пределы нашей Солнечной системы».
В августе текущего года компания Icarus Interstellar собирается провести научную конференцию Starship Congress, на которой ведущие мировые эксперты в данной области обсудят не только возможности, но и последствия межзвездных полетов. Организаторы отмечают, что на конференции будет организована и практическая часть, на которой будут рассмотрены как краткосрочные, так и долгосрочные перспективы освоения человеком дальнего космоса.
Стоит отметить, что подобные космические путешествия требуют затрат колоссального количества энергии, о которых человечество в наши дни даже не мыслит. В то же время неправильное использование энергии может нанести невосполнимый вред как Земле, так и тем планетам, на поверхность которых человек захочет высадиться. Несмотря на все нерешенные проблемы и препятствия и Обузи, и Миллис полагают, что у человеческой цивилизации есть все шансы для того, чтобы покинуть пределы своей «колыбели». Бесценные данные о экзопланетах, звездных системах и инопланетных мирах, которые были собраны космическими обсерваториями «Гершель» и «Кеплер», помогут учеными в тщательном составлении планов полетов.
На сегодняшний день открыто и подтверждено существование около 850 экзопланет, многие из которых – это суперземли, то есть планеты, обладающие массой, которая сравнима с земной. Специалисты считают, что недалек тот день, когда астрономы смогут подтвердить наличие экзопланеты, которая бы как две капли воды походила на нашу собственную. В этом случае финансирование проектов по созданию новых ракетных двигателей возросло бы в разы. Свою роль в освоении космоса должна сыграть и добыча полезных ископаемых с астероидов, что сейчас звучит уже не так необычно, как те же межзвездные полеты. Человечество должно научиться использовать ресурсы не только Земли, но и всей Солнечной системы, полагают эксперты.
К проблеме межзвездных перелетов подключились ученые и инженеры из американского космического агентства NASA, а также агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США – DARPA. Они готовы объединить свои усилия в рамках реализации проекта «100-year Starship», при этом это даже не проект, а проект проекта. «100-year Starship» – это космический корабль, который смог бы выполнять межзвездные перелеты. Задача сегодняшнего этапа исследований – это создание «суммы технологий», которые необходимы для того, чтобы межзвездные перелеты превратились в реальность. Помимо этого, создается бизнес-модель, которая позволила бы привлечь в проект инвестиции.
По словам Павла Еременко, являющегося пресс-секретарем DARPA, данному проекту будут необходимы «стабильные инвестиции в финансовый и интеллектуальный капитал» из разных источников. Также Еременко подчеркнул, что цель проекта «100-year Starship» – не только разработка и последующее строительство звездолета. «Мы прилагаем все возможные усилия, для того чтобы побудить интерес нескольких поколений к инновациям и открытиям прорывных технологий во множестве дисциплин».
Специалисты агентства DARPA надеются на то, что результаты, которые будут получены при работе над этим проектом, смогут быть использованы министерством обороны США в различных областях, таких как системы жизнеобеспечения, энергетика, вычислительная техника.
Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1100469
-http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/10/11/459501
-http://www.nkj.ru/news/18905