Не исключено, что к концу текущего века развитие нанотехнологий сделает возможным даже знаменитый космический лифт. Человек, подобно Джеку на бобовом стебле, сможет подняться по нему до облаков и выше. Мы будем входить в лифт, нажимать кнопку «вверх» и подниматься по волокну, представляющему собой углеродную нанотрубку длиной в тысячи километров. Понятно, что такая новинка могла бы перевернуть экономику космических путешествий и поставить все с ног на голову.

В 1895 г. русский физик Константин Циолковский, вдохновленный строительством Эйфелевой башни — самого высокого на тот момент сооружения в мире, задал себе простой вопрос: почему нельзя построить такую башню высотой до космоса? Если она будет достаточно высока, подсчитал он, она, согласно законам физики, никогда не упадет. Он назвал такую конструкцию «небесным дворцом».

Представьте себе шарик. Если вы начнете крутить его на веревочке, то центробежной силы будет вполне достаточно, чтобы удержать шарик от падения. Точно так же, если трос будет достаточно длинным, то центробежная сила удержит груз, закрепленный на его конце, от падения на землю. Вращения Земли будет достаточно, чтобы удержать трос в небе. Как только трос космического лифта протянется в небеса, любое транспортное средство, способное передвигаться по нему, сможет спокойно выехать в космос.

На бумаге такой фокус, похоже, работает. Но, к несчастью, если вы попробуете применить ньютоновы законы движения и рассчитать по ним натяжение троса, то окажется, что это натяжение превышает прочность стали: любой трос просто порвется, что делает космический лифт невозможным.

На протяжении многих лет и даже десятилетий идея космического лифта то забывалась, то снова обсуждалась, чтобы в очередной раз быть отвергнутой по той же причине. В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил свой вариант проекта, по которому строить лифт предполагалось не снизу вверх, а наоборот, сверху вниз. Предлагалось послать на орбиту космический корабль, который затем спустит оттуда трос; на земле его останется лишь закрепить. Фантасты тоже приложили руку к популяризации этого проекта. Артур Кларк вывел космический лифт в своем романе 1979 г. «Фонтаны рая», а Роберт Хайнлайн — в романе 1982 г. «Фрида».

Углеродные нанотрубки вновь возродили эту идею. Как мы уже видели, они обладают самой большой прочностью из всех известных материалов. Они прочнее стали, и потенциально по прочности нанотрубки могли бы противостоять нагрузкам, возникающим в конструкции космического лифта.

Проблема, однако, в том, чтобы создать трос из чистых углеродных нанотрубок длиной 80 000 км. Это невероятно сложная задача, ведь до сих пор ученым удалось получить в лаборатории лишь несколько сантиметров чистой углеродной нанотрубки. Можно, конечно, свить вместе миллиарды нановолокон, но эти волокна не будут цельными. Задача в том, чтобы создать длинную нанотрубку, в которой каждый атом углерода будет находиться строго на своем месте.

В 2009 г. ученые из Университета Райса объявили о важном открытии: полученные волокна не чистые, а композитные, но ими разработана достаточно гибкая технология, позволяющая создавать углеродные нанотрубки любой длины. Методом проб и ошибок исследователи обнаружили, что углеродные нанотрубки можно растворить в хлоросульфоновой кислоте, а затем выдавливать из носика, как из шприца. Таким методом можно изготовить волокно из углеродных нанотрубок любой длины, а толщина его составляет 50 микрон.

Одно из коммерческих применений волокна из углеродных нанотрубок — линии электропередач, ведь нанотрубки лучше меди проводят электричество, они легче и прочнее. Профессор инженерных дисциплин из Университета Райса Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) говорит: «Для линий электропередач такого волокна требуются тонны, а способа сделать его пока нет. Нужно придумать всего одно чудо».

Хотя полученные волокна недостаточно чисты и не годятся для космического лифта, эти исследования позволяют надеяться, что когда-нибудь мы научимся выращивать чистые углеродные нанотрубки, достаточно прочные, чтобы поднять нас в небеса.

Но даже если предположить, что проблема производства длинных нанотрубок будет решена, перед учеными встанут другие практические проблемы. К примеру, трос космического лифта должен будет подняться гораздо выше орбит большинства спутников. Это значит, что орбита какого-нибудь спутника когда-нибудь непременно пересечется с трассой космического лифта и вызовет аварию. Поскольку низкие спутники летают со скоростью 7–8 км/с, столкновение может оказаться катастрофическим. Из этого следует, что лифт придется оснащать специальными ракетными двигателями, которые будут отодвигать трос лифта с пути пролетающих спутников и космических обломков.

Еще одна проблема — погода, т.е. ураганы, грозы и сильные ветра. Космический лифт необходимо закрепить на земле, может быть, на авианосце или нефтяной платформе в Тихом океане, но, чтобы не пострадать от разгула стихий, он должен быть гибким.

Кроме того, в кабине должна быть тревожная кнопка и спасательная капсула на случай обрыва троса. Если с тросом что-нибудь произойдет, кабинка лифта должна спланировать или опуститься на парашюте на землю, чтобы спасти пассажиров.

Чтобы ускорить начало исследований в области космических лифтов, NASA объявило несколько конкурсов. На Гонках космических лифтов под эгидой NASA разыгрываются призы на общую сумму 2 млн долларов. По правилам, чтобы выиграть конкурс лифтов, работающих за счет переданной по лучу энергии, следует построить устройство массой не более 50 кг, способное забраться по тросу на высоту 1 км со скоростью 2 м/с. Сложность в том, что это устройство не должно иметь топлива, батарей или электрического кабеля. Энергия для его движения должна передаваться с Земли по лучу.

Я своими глазами видел энтузиазм и энергию инженеров, которые работают над космическим лифтом и мечтают завоевать приз. Я даже летал в Сиэтл, чтобы встретиться с молодыми предприимчивыми инженерами группы под названием LaserMotive. Услышав «песню сирен» — призыв NASA, они взялись за разработку прототипов устройства, которое, вполне возможно, станет сердцем космического лифта.

Я вошел в большой ангар, арендованный молодыми людьми для испытаний. В одном конце ангара я увидел большой лазер, способный излучать мощный энергетический луч. В другом находился собственно космический лифт. Это был ящик около метра шириной с большим зеркалом. Зеркало отражало попавший на него лазерный луч на целую батарею солнечных элементов, превращавших его энергию в электричество. Электричество поступало на двигатель, и кабинка лифта медленно ползла вверх по короткому тросу. При таком устройстве кабинке с электрическим двигателем не нужно тащить за собой электрический кабель. Достаточно направить на нее лазерный луч с земли, и лифт сам собой поползет по тросу.

Лазер в ангаре был настолько мощным, что людям во время его работы приходилось защищать глаза специальными очками. После множества попыток молодым людям удалось наконец заставить свою машину ползти вверх. Один аспект проблемы космического лифта был решен, по крайней мере в теории.

Первоначально задание было таким сложным, что никто из участников не сумел его выполнить и завоевать обещанный приз. Однако в 2009 г. LaserMotive получила-таки приз. Состязания проходили на авиабазе Эдвардс в калифорнийской пустыне Мохаве. Вертолет с длинным тросом висел над пустыней, а устройства участников пытались по этому тросу подняться. Лифт команды LaserMotive сумел это сделать четырежды за два дня; лучшее показанное им время составило 228 секунд. Так что труды молодых инженеров, которые я наблюдал в том ангаре, принесли плоды.

К концу этого столетия на Марсе и, возможно, где-нибудь в поясе астероидов, скорее всего, появятся научные станции, несмотря даже на нынешний кризис финансирования пилотируемой космонавтики. Следующей в очереди будет уже настоящая звезда. Сегодня межзвездный зонд был бы совершенно безнадежной затеей, но через сто лет ситуация может измениться.

Чтобы идея межзвездных путешествий стала реальностью, необходимо решить несколько фундаментальных задач. Первая из них — поиск нового принципа движения. Традиционной химической ракете на путь к ближайшей звезде потребовалось бы около 70 000 лет. К примеру, два «Вояджера», запущенные в 1977 г., поставили рекорд по удалению на максимальное расстояние от Земли. В настоящее время (май 2011 г.) первый из них удалился от Солнца на 17,5 млрд км, но пройденное им расстояние — лишь крошечная доля пути до звезд.

Предложено несколько конструкций и принципов движения для межзвездных аппаратов. Это:

• солнечный парус;

• ядерная ракета;

• ракета с прямоточным термоядерным двигателем;

• нанокорабли.

Бывая на станции NASA Плам-Брук в Кливленде, штат Огайо, я встречался с одним из мечтателей и горячих сторонников идеи солнечного паруса. На этом полигоне построена самая большая в мире вакуумная камера для испытания спутников. Размеры этой камеры поражают воображение; это настоящая пещера около 30 м в поперечнике и 38 м в высоту, в которой запросто разместилось бы несколько многоэтажных жилых домов. Она также достаточно велика, чтобы испытывать в условиях космического вакуума спутники и части ракет. Масштаб проекта поражает. Я почувствовал, что мне оказана особая честь: я находился в том самом месте, где испытывались многие важнейшие американские спутники, межпланетные зонды и ракеты.

Итак, я встретился с одним из ведущих сторонников солнечного паруса, ученым из NASA Лесом Джонсоном (Les Johnson). Он рассказал мне, что с детства, читая фантастику, мечтал строить ракеты, способные долететь до звезд. Джонсон даже написал базовый курс по устройству солнечных парусов. Он считает, что этот принцип может быть реализован уже в ближайшие несколько десятилетий, но готов к тому, что реальный звездолет будет построен, скорее всего, через много лет после его смерти. Подобно каменщикам, строившим великие средневековые соборы, Джонсон понимает, что на создание аппарата для полета к звездам может потребоваться несколько человеческих жизней.

Принцип действия солнечного паруса основан на том факте, что свет хотя и не имеет массы покоя, но обладает импульсом, а значит, может оказывать давление. Давление, которое солнечный свет оказывает на все встреченные объекты, чрезвычайно мало, мы попросту не ощущаем его, но если солнечный парус будет достаточно велик и мы готовы будем ждать достаточно долго, то это давление сможет разогнать межзвездный корабль (в космосе интенсивность солнечного света в среднем в восемь раз выше, чем на Земле).

Джонсон сказал мне, что его цель — создать гигантский солнечный парус из очень тонкого, но эластичного и упругого пластика. Этот парус должен быть несколько километров в поперечнике, и строить его предполагается в открытом космосе. Будучи собранным, он будет медленно обращаться вокруг Солнца, набирая постепенно все большую скорость. За несколько лет разгона парус выйдет по спирали за пределы Солнечной системы и устремится к звездам. Вообще, солнечный парус, как рассказал мне Джонсон, способен разогнать межзвездный зонд до 0,1% скорости света; соответственно, до ближайшей звезды он при таких условиях доберется лет за 400.

Джонсон пытается придумать что-нибудь, что позволило бы придать солнечному парусу дополнительное ускорение и сократить время полета. Один из возможных путей — разместить на Луне батарею мощных лазеров. Лазерные лучи, попадая на парус, будут передавать ему дополнительную энергию и, соответственно, дополнительную скорость при полете к звездам.

Одна из проблем звездолета под солнечным парусом состоит в том, что им чрезвычайно трудно управлять, а остановить и направить в противоположную сторону практически невозможно, потому что солнечный свет распространяется только в одну сторону — от Солнца. Одно из решений этой проблемы — развернуть парус и использовать для замедления свет от звезды-цели. Еще одна возможность — совершить гравитационный маневр около этой далекой звезды и, использовав эффект пращи, разогнаться для обратного путешествия. Третий вариант — сесть на какую-нибудь луну той звездной системы, построить на ней батарею лазеров и пуститься в обратный путь, пользуясь светом звезды и лазерными лучами.

Джонсон мечтает о звездах, но понимает, что реальность на данный момент выглядит куда скромнее его мечтаний. В 1993 г. русские развернули на корабле, отстыкованном от станции «Мир», 25-рефлектор из лавсана, но целью эксперимента была всего лишь демонстрация системы развертывания. Вторая попытка закончилась неудачей. В 2004 г. японцы успешно запустили два прототипа солнечного паруса, но опять же, целью было испытание системы развертывания, а не движения. В 2005 г. была предпринята амбициозная попытка развернуть настоящий солнечный парус под названием Cosmos 1, организованная Планетарным обществом, общественной организацией Cosmos Studios и Российской академией наук. Парус был запущен с российской подводной лодки, но запуск ракеты «Волна» оказался неудачным, и до орбиты солнечный парус не добрался.

А в 2008 г., когда команда из NASA попыталась запустить солнечный парус NanoSail-D, та же история произошла с ракетой Falcon 1.

Наконец в мае 2010 г. японское агентство аэрокосмических исследований успешно запустило IKAROS — первый космический аппарат, который должен использовать технологию солнечного паруса в межпланетном пространстве. Аппарат был выведен на траекторию полета к Венере, успешно развернул квадратный парус с диагональю 20 м и продемонстрировал возможность управлять его ориентацией и менять скорость полета. В дальнейшем японцы планируют запустить еще один межпланетный зонд с солнечным парусом к Юпитеру.

Ученые рассматривают также возможность использования ядерной энергии для межзвездных перелетов. Еще в 1953 г. Комиссия по атомной энергии США начала серьезные разработки ракет с атомными реакторами, начало которым было положено проектом Rover. В 1950-е и 1960-е гг. эксперименты с ядерными ракетами заканчивались в основном неудачно. Ядерные двигатели вели себя нестабильно и вообще оказывались слишком сложными для тогдашних систем управления. Кроме того, несложно показать, что энергетический выход обычного атомного реактора деления совершенно недостаточен для межзвездного космического аппарата. Средний промышленный атомный реактор производит примерно 1000 МВт энергии, а этого недостаточно, чтобы добраться до звезд.

Однако еще в 1950-е гг. ученые предложили использовать для межзвездных аппаратов атомные и водородные бомбы, а не реакторы. В проекте «Орион», к примеру, предполагалось разгонять ракету взрывными волнами от атомных бомб. Звездолет должен был сбрасывать позади себя серию атомных бомб, взрывы которых порождали бы мощные вспышки рентгеновского излучения. Ударная волна от этих взрывов должна была разгонять звездолет.

В 1959 г. физики из General Atomics оценили, что продвинутая версия «Ориона» диаметром 400 м должна весить 8 млн т, а энергию ей должна обеспечивать 1000 водородных бомб.

Горячим сторонником проекта «Орион» был физик Фримен Дайсон. «Для меня „Орион“ означал доступность всей Солнечной системы для распространения жизни. Он мог изменить ход истории, — говорит Дайсон. Кроме того, это был бы удобный способ избавиться от атомных бомб. — За один полет мы избавились бы от 2000 бомб».

Концом проекта «Орион», однако, стал заключенный в 1963 г. Договор об ограничении ядерных испытаний, запретивший наземные взрывы. Без испытаний невозможно было довести конструкцию «Ориона» до ума и проект закрыли.

Еще один проект ядерной ракеты выдвинул в 1960 г. Роберт Буссард (Robert W. Bussard); он предложил снабдить ракету термоядерным двигателем, похожим на обычный авиационный реактивный двигатель. Вообще, прямоточный двигатель захватывает воздух по ходу полета и уже внутри смешивает его с топливом. Затем топливно-воздушная смесь поджигается, и происходит химический взрыв, который создает движущую силу. Буссард предложил применить тот же принцип к термоядерному двигателю. Вместо того чтобы забирать воздух из атмосферы, как делает авиационный двигатель, прямоточный термоядерный двигатель будет собирать в межзвездном пространстве имеющийся там водород. Собранный газ предполагается сжать и нагреть при помощи электрических и магнитных полей до начала термоядерной реакции синтеза гелия, при которой выделится громадное количество энергии. Возникнет взрыв, и ракета получит толчок. А поскольку запасы водорода в межзвездном пространстве неисчерпаемы, прямоточный ядерный двигатель сможет, предположительно, работать вечно.

Конструкция корабля с прямоточным термоядерным двигателем напоминает рожок для мороженого. Воронка захватывает газообразный водород, который затем поступает в двигатель, нагревается и вступает в реакцию синтеза с другими атомами водорода. Буссард рассчитал, что прямоточный ядерный двигатель весом около 1000 т способен поддерживать постоянное ускорение около 10 м/с² (т.е. примерно равное ускорению свободного падения на Земле); в этом случае уже через год звездолет разгонится примерно до 77% скорости света. Поскольку прямоточный ядерный двигатель не ограничен запасами топлива, звездолет с таким двигателем теоретически мог бы выйти за пределы нашей Галактики и всего за 23 года по корабельным часам добраться до Туманности Андромеды, расположенной на расстоянии в 2 млн световых лет от нас. (Согласно теории относительности Эйнштейна время в ускоряющемся корабле замедляется, так что астронавты в звездолете постареют всего на 23 года, даже если на Земле за это время пройдут миллионы лет.)

Однако и здесь существуют серьезные проблемы. Во-первых, в межзвездной среде встречаются в основном отдельные протоны, так что термоядерный двигатель должен будет жечь чистый водород, хотя эта реакция дает не так уж много энергии. (Водородный синтез может идти разными путями. В настоящее время на Земле ученые предпочитают вариант влияния дейтерия и трития, при котором выделяется значительно больше энергии. Однако в межзвездной среде водород находится в виде отдельных протонов, поэтому в прямоточных ядерных двигателях можно использовать только протон-протонную реакцию синтеза, при которой энергии выделяется гораздо меньше, чем при дейтерий-тритиевой реакции.) Однако Буссард показал, что если модифицировать топливную смесь добавлением некоторого количества углерода, то углерод, работая как катализатор, позволит получить громадное количество энергии, вполне достаточное для звездного корабля.

Во-вторых, воронка впереди звездолета, чтобы собирать достаточно водорода, должна быть огромной — диаметром порядка 160 км, так что собирать ее придется в космосе.

Существует и еще одна нерешенная проблема. В 1985 г. инженеры Роберт Зубрин (Robert Zubrin) и Дейна Эндрюс (Dana Andrews) показали, что сопротивление среды не даст звездолету с прямоточным термоядерным двигателем разогнаться до околосветовых скоростей. Сопротивление это обусловлено движением корабля и воронки в поле атомов водорода. Однако их расчеты основаны на некоторых предположениях, которые в будущем могут оказаться неприменимыми к кораблям с прямоточными двигателями.

В настоящее время, пока у нас нет четких представлений о процессе протон-протонного синтеза (а также о сопротивлении ионов водорода в межзвездной среде), перспективы прямоточного ядерного двигателя остаются неопределенными. Но если эти инженерные проблемы решаемы, такая конструкция наверняка окажется одной из лучших.

Еще один вариант — использовать для звездолета антивещество, величайший источник энергии во Вселенной. Антивещество противоположно веществу в том смысле, что все составляющие части атома там имеют противоположные заряды. К примеру, электрон обладает отрицательным зарядом, но антиэлектрон (позитрон) имеет положительный заряд. При контакте с веществом антивещество аннигилирует. Энергии при этом выделяется так много, что чайной ложки антивещества хватило бы, чтобы уничтожить весь Нью-Йорк.

Антивещество — настолько мощная штука, что злодеи в романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны» сооружают из него бомбу и собираются взорвать Ватикан; антивещество по сюжету они крадут в крупнейшем европейском центре ядерных исследований CERN, расположенном в Швейцарии недалеко от Женевы. В отличие от водородной бомбы, эффективность которой составляет всего 1%, эффективность бомбы из антивещества составила бы 100%. При аннигиляции вещества и антивещества энергия выделяется в полном соответствии с уравнением Эйнштейна: E = mc².

В принципе, антивещество представляет собой идеальное ракетное топливо. Согласно оценке Джеральда Смита (Gerald Smith) из Университета штата Пенсильвания, 4 мг антивещества было бы достаточно, чтобы долететь до Марса, а сотня граммов донесла бы корабль до ближайших звезд. При аннигиляции антивещества выделяется в миллиард раз больше энергии, чем можно получить из такого же количества современного ракетного топлива. Двигатель на антивеществе выглядел бы довольно просто. Можно просто впрыскивать частицы антивещества, одну за другой, в специальную камеру ракеты. Там они аннигилируют с обычным веществом, вызвав титанический взрыв. Нагретые газы затем выбрасываются с одного конца камеры, создавая реактивную тягу.

Мы пока очень далеки от воплощения этой мечты. Ученые сумели получить антиэлектроны и антипротоны, а также атомы антиводорода, в которых антиэлектрон циркулирует вокруг антипротона. Это было сделано и в CERN, и в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (которую чаще называют Фермилаб) недалеко от Чикаго на теватроне, втором по величине ускорителе частиц в мире (крупнее него только Большой адронный коллайдер в CERN). В обеих лабораториях физики направили на мишень поток высокоэнергетических частиц и получили поток осколков, среди которых были и антипротоны. При помощи мощных магнитов антивещество отделили от обычного вещества. Затем полученные антипротоны замедлили и позволили им смешаться с антиэлектронами, в результате чего получились атомы антиводорода.

Дэйв МакГиннис, один из физиков Фермилаба, очень долго и много думал о практическом использовании антивещества. Мы с ним стояли рядом с теватроном, и Дэйв объяснял мне обескураживающую экономику антивещества. Единственный известный способ получить сколько-нибудь существенное количество антивещества, говорил он, — это воспользоваться мощным коллайдером вроде теватрона; но эти машины чрезвычайно дороги и позволяют получать антивещество лишь в очень малых количествах. К примеру, в 2004 г. коллайдер в CERN выдал ученым несколько триллионных долей грамма антивещества, и обошлось это удовольствие ученым в 20 млн долларов. При такой цене мировая экономика обанкротится прежде, чем удастся получить достаточно антивещества на одну звездную экспедицию. Сами по себе двигатели на антивеществе, подчеркнул МакГиннис, не представляют из себя ничего особенно сложного и уж наверняка не противоречат законам природы. Но стоимость такого двигателя не позволит реально построить его в ближайшем будущем.

Одна из причин такой бешеной дороговизны антивещества — громадные суммы, которые приходится выкладывать на строительство ускорителей и коллайдеров. Однако сами по себе ускорители — машины универсальные и используются в основном не для производства антивещества, а для получения всяких экзотических элементарных частиц. Это инструмент для физических исследований, а не промышленный аппарат.

Можно предположить, что разработка нового типа коллайдера, предназначенного специально для производства антивещества, могла бы намного снизить его стоимость. Затем массовое производство таких машин позволило бы получить значительное количество антивещества. Харольд Джерриш (Harold Gerrish) из NASA уверен, что цена антивещества может со временем опуститься до 5000 долларов за микрограмм.

Еще одна возможность воспользоваться антивеществом в качестве ракетного топлива заключается в том, чтобы найти в открытом космосе метеорит из антивещества. Если бы такой объект нашелся, его энергии, скорее всего, хватило бы не на один звездолет. Надо сказать, что в 2006 г. в составе российского спутника «Ресурс-ДК» запущен европейский прибор PAMELA, назначение которого — поиск естественного антивещества в открытом космосе.

Если в космосе удастся обнаружить антивещество, то для его сбора человечеству придется придумать что-нибудь вроде электромагнитной сети.

Так что, хотя межзвездные космические аппараты на антивеществе — идея вполне реальная и не противоречит законам природы, в XXI веке они скорее всего не появятся, разве что в самом конце века ученые смогут снизить стоимость антивещества до сколько-нибудь разумной величины. Но если это удастся сделать, проект звездолета на антивеществе наверняка будет рассматриваться одним из первых.

Мы давно привыкли к спецэффектам в фильмах вроде «Звездных войн» и «Звездного пути»; при мысли о звездолетах возникают образы громадных футуристических машин, ощетинившихся со всех сторон последними изобретениями в сфере высокотехнологичных приспособлений. А между тем есть и другая возможность: создавать при помощи нанотехнологий крохотные звездолеты, не крупнее наперстка или иглы, а то и еще меньших размеров. Мы заранее уверены, что звездолеты должны быть огромными, как «Энтерпрайз», и нести целый экипаж астронавтов. Но при помощи нанотехнологий основные функции звездолета можно будет заложить в минимальный объем, и тогда к звездам отправится не один громадный корабль, в котором экипаж должен будет жить многие годы, а миллионы крохотных нанокораблей. До места назначения долетит, возможно, лишь небольшая их часть, но главное будет сделано: добравшись до одного из спутников системы назначения, эти корабли построят завод и обеспечат производство неограниченного числа собственных копий.

Винт Серф считает, что нанокорабли можно использовать как для изучения Солнечной системы, так — со временем — и для полетов к звездам. Он говорит: «Если мы сконструируем маленькие, но мощные наноустройства, которые несложно будет перевозить и доставлять на поверхность, под поверхность и в атмосферу соседних с нами планет и спутников, исследование Солнечной системы станет значительно более эффективным… Эти же возможности можно распространить на межзвездные исследования».

Известно, что в природе млекопитающие производят на свет всего по несколько отпрысков и заботятся о том, чтобы все они выжили. Насекомые, напротив, производят на свет огромное количество детенышей, но выживает из них лишь небольшая часть. Обе стратегии достаточно успешны, чтобы позволить видам существовать на планете в течение многих миллионов лет. Точно так же мы можем послать в космос один очень дорогой звездолет — или миллионы крохотных звездолетиков, каждый из которых будет стоить копейки и потреблять совсем немного топлива.

Сама концепция нанокораблей основана на очень успешной стратегии, которая широко используется в природе: стратегии стаи. Птицы, пчелы и другие подобные им часто летают стаями или роями. Дело не только в том, что большое число сородичей гарантирует безопасность; кроме того, стая работает как система раннего предупреждения. Если в одном конце стаи происходит что-то опасное — к примеру, нападение хищника, вся стая мгновенно получает информацию об этом. Стая весьма эффективна и энергетически. Птицы, летая характерной V-образной фигурой — клином, используют турбулентные потоки от крыла соседа впереди и тем самым облегчают себе полет.

Ученые говорят о рое, стае или муравьиной семье как о «сверхорганизме», который в некоторых случаях обладает собственным разумом, не зависящим от способностей отдельных составляющих его особей. Нервная система муравья, к примеру, очень проста, а мозг очень мал, но вместе муравьиная семья способна построить сложнейшее сооружение — муравейник. Ученые надеются воспользоваться уроками природы при разработке «стайных» роботов, которым однажды, возможно, предстоит отправиться в далекий путь к иным планетам и звездам.

В чем-то все это напоминает концепцию «разумной пыли», разработкой которой занимается Пентагон: миллиарды частиц, снабженных крохотными датчиками, рассеиваются в воздухе и осуществляют разведку. Каждый датчик сам по себе разума не имеет и дает лишь крохотную крупинку информации, но вместе они могут обеспечить своим хозяевам горы всевозможных данных. DARPA спонсировало исследования в этой области с прицелом на военное применение в будущем — к примеру, при помощи разумной пыли можно следить за вражескими позициями на поле боя. В 2007 и 2009 гг. ВВС США выпустили подробные планы вооружения на ближайшие несколько десятилетий; там есть все — от продвинутых версий беспилотного самолета Predator (сегодня он стоит 4,5 млн долларов) до огромных стай крохотных дешевых датчиков размером с булавочную головку.

Ученых также интересует эта концепция. Стаи разумной пыли пригодились бы для наблюдения в реальном времени за ураганом с тысяч различных точек; точно так же можно было бы наблюдать за грозами, вулканическими извержениями, землетрясениями, наводнениями, лесными пожарами и другими природными явлениями. В фильме «Смерч», к примеру, мы наблюдаем за командой отважных охотников за ураганами, которые рискуют жизнью и здоровьем, размещая датчики вокруг торнадо. Мало того что это очень рискованно, но и еще не слишком эффективно. Вместо того чтобы с риском для жизни расставлять несколько датчиков вокруг вулканического кратера во время извержения или вокруг гуляющего по степи столба торнадо и получать с них информацию о температуре, влажности и скорости ветра, гораздо эффективнее было бы рассеять в воздухе разумную пыль и получить данные одновременно с тысяч различных точек, разбросанных по площади в сотни квадратных километров. В компьютере эти данные сложатся в трехмерную картинку, которая в реальном времени покажет вам развитие урагана или различные фазы извержения. Коммерческие предприятия уже работают над образцами подобных крошечных датчиков, и некоторые из них размерами действительно не превосходят булавочной головки.

Еще одно преимущество нанокораблей состоит в том, что им, чтобы добраться до космического пространства, требуется совсем немного топлива. Если громадные ракеты-носители способны разогнаться лишь до скорости 11 км/с, то крошечные объекты вроде нанокораблей относительно несложно вывести в космос с невероятно высокими скоростями. Скажем, элементарные частицы можно разгонять до субсветовых скоростей при помощи обычного электрического поля. Если придать наночастицам небольшой электрический заряд, их тоже легко можно будет разгонять электрическим полем.

Вместо того чтобы тратить огромные средства на отправку межпланетных зондов, можно наделить каждый нанокорабль способностью к самокопированию; таким образом, даже один нанобот сможет построить фабрику по производству наноботов или даже лунную базу. После этого новые самокопирующиеся зонды отправятся исследовать иные миры. (Проблема в том, чтобы создать первого нанобота, способного к самокопированию, а это пока еще дело очень далекого будущего.)

В 1980 г. NASA воспринимало идею самокопирующегося робота достаточно серьезно, чтобы заказать в Университете Санта-Клары специальное исследование под названием «Продвинутая автоматика для космических задач» и подробно рассмотреть несколько возможных вариантов. Один из сценариев, рассмотренных учеными NASA, предусматривал отправку небольших самокопирующихся роботов на Луну. Там роботы должны были наладить производство себе подобных из подручных материалов.

Отчет по этой программе был посвящен в основном созданию химического завода по переработке лунного грунта (реголита). Предполагалось, к примеру, что робот приземлится на Луну, разделится на составляющие его части, а затем соберет из них новую конфигурацию, — в точности как игрушечный робот-трансформер. Так, робот мог собрать большие параболические зеркала, чтобы сфокусировать солнечный свет и начать плавить реголит. Затем он при помощи плавиковой кислоты извлек бы из расплава реголита пригодные к использованию металлы и другие вещества. Из металлов можно было бы построить лунную базу. Со временем робот соорудил бы и небольшой лунный заводик по производству собственных копий.

Исходя из данных этого отчета, Институт перспективных концепций NASA запустил целую серию проектов, основанных на использовании самовоспроизводящихся роботов. Мейсон Пек (Mason Peck) из Корнеллского университета был одним из тех, кто всерьез принял идею крошечных звездолетов.

Я побывал у Пека в лаборатории и своими глазами видел верстак, заваленный всевозможными компонентами, которым однажды, может быть, суждено отправиться в космос. Рядом с верстаком имелась и небольшая чистая комната с пластиковыми стенами, где собирались тонкие компоненты будущих спутников.

Представление Пека об исследовании космического пространства очень отличается от всего, что мы видим в голливудских фильмах. Он предполагает возможность создания микросхемы размером сантиметр на сантиметр и весом один грамм, которую можно разогнать до 1% скорости света. К примеру, он может воспользоваться эффектом пращи, при помощи которого NASA разгоняет свои межпланетные станции до огромных скоростей. Этот гравитационный маневр предусматривает облет планеты; примерно так же камень в праще, удерживаемый ремнем-гравитацией, разгоняется, летя по кругу, и выстреливает в нужном направлении. Здесь тяготение планеты помогает придать космическому аппарату дополнительную скорость.

Но Пек вместо тяготения хочет использовать магнитные силы. Он рассчитывает заставить микрозвездолет описать петлю в магнитном поле Юпитера, которое в 20 000 раз превосходит по интенсивности магнитное поле Земли и вполне сравнимо с полями в земных ускорителях, способных разгонять элементарные частицы до энергий в триллионы электронвольт.

Он показал мне образец — микросхему, которая, по его замыслу, могла бы однажды отправиться в долгое путешествие вокруг Юпитера. Это был крошечный квадратик размером меньше кончика пальца, буквально набитый всякой научной всячиной. Вообще, межзвездный аппарат Пека будет очень простым. С одной стороны на чипе имеется солнечная батарея, которая должна обеспечивать его энергией для связи, с другой — радиопередатчик, видеокамера и другие датчики. Этот аппарат не имеет двигателя, а разогнать его должно будет магнитное поле Юпитера. (К сожалению, в 2007 г. Институт перспективных концепций NASA, с 1998 г. финансировавший этот и другие инновационные проекты для космической программы, был закрыт в связи с сокращением бюджетных расходов.)

Мы видим, что представление Пека о звездолетах сильно отличается от принятого в научной фантастике, где громадные звездные корабли бороздят просторы Вселенной под управлением команды отважных астронавтов. К примеру, если бы на одной из лун Юпитера появилась научная база, на орбиту вокруг газового гиганта можно было бы выпустить десятки таких маленьких кораблей. Если бы, помимо всего прочего, на этой луне появилась батарея лазерных пушек, крохотные корабли можно было бы разогнать до скорости, составляющей заметную долю от скорости света, придав им ускорение при помощи лазерного луча.

Чуть позже я задал Пеку простой вопрос: может ли он уменьшить свой чип до размеров молекулы при помощи нанотехнологий? Тогда не потребуется даже магнитное поле Юпитера — их можно будет разогнать до субсветовых скоростей в обычном ускорителе, построенном на Луне. Он сказал, что это возможно, но подробности он еще не прорабатывал.

Так что мы взяли лист бумаги и вместе начали исписывать его уравнениями и прикидывать, что из этого получится. (Именно так мы, ученые, общаемся между собой — идем с мелом к доске или берем лист бумаги и пытаемся решить проблему при помощи различных формул.) Мы написали уравнение для силы Лоренца, которую Пек предполагает использовать для разгона своих кораблей возле Юпитера. Затем мы мысленно уменьшили корабли до размеров молекул и мысленно же поместили их в гипотетический ускоритель вроде Большого адронного коллайдера. Мы быстро поняли, что при помощи обычного ускорителя, размещенного на Луне, наши нанозвездолеты можно без особых проблем разогнать до скоростей, близких к скорости света. Уменьшив размеры звездолета с сантиметровой пластинки до молекулы, мы получили возможность уменьшить необходимый для их разгона ускоритель; теперь вместо Юпитера мы могли воспользоваться традиционным ускорителем частиц. Идея показалась нам вполне реальной.

Однако, проанализировав уравнения еще раз, мы пришли к общему выводу: единственная проблема здесь — стабильность и прочность нанозвездолетов. Не разорвет ли ускоритель наши молекулы на части? Подобно мячику на веревочке, эти нанокорабли при разгоне до околосветовых скоростей будут испытывать на себе действие центробежных сил. Кроме того, они будут электрически заряжены, так что даже электрические силы будут угрожать их целостности. Общий вывод: да, нанокорабли — это реальная возможность, но потребуются десятилетия исследований, прежде чем чип Пека можно будет уменьшить до размеров молекулы и усилить настолько, чтобы разгон до околосветовой скорости не мог ему ничем повредить.

А пока Мейсон Пек мечтает отправить рой нанозвездолетов к ближайшей звезде в надежде на то, что хотя бы некоторые из них преодолеют разделяющее нас межзвездное пространство. Но что они будут делать, когда прибудут на место назначения?

Здесь на сцену выходит проект Пэй Чжана (Pei Zhang) из Университета Карнеги — Меллон в Кремниевой долине. Он создал целую флотилию минивертолетов, которым когда-нибудь, возможно, суждено подняться в атмосферу чужой планеты. Он с гордостью показывал мне свой рой миниботов, напоминающих игрушечные вертолетики. Однако внешняя простота обманчива. Я прекрасно видел, что в каждом из них имеется чип, набитый сложнейшей электроникой. Одним нажатием кнопки Чжан поднял в воздух четыре минибота, который тут же разлетелись в разные стороны и начали передавать нам информацию. Очень скоро я был окружен миниботами со всех сторон.

Такие вертолетики, рассказал мне Чжан, должны оказывать помощь в критических обстоятельствах вроде пожара или взрыва; их задача — сбор информации и разведка. Со временем миниботы можно будет оснастить телекамерами и датчиками температуры, давления, направления ветра и т.д.; в случае природной или техногенной катастрофы такая информация может оказаться жизненно важной. Тысячи миниботов можно будет выпускать над полем сражения, лесным пожаром или (почему бы нет?) над неизученным инопланетным ландшафтом. Все они непрерывно поддерживают связь между собой. Если один минибот наталкивается на препятствие, остальные сразу же узнают об этом.

Итак, один из сценариев межзвездных путешествий — выстрелить в направлении ближайшей звезды тысячами дешевых одноразовых чипов, похожих на чип Мейсона Пека, летящих с околосветовой скоростью. Если хотя бы небольшая их часть доберется до места назначения, минизвездолеты выпустят крылья или винты и, подобно механическому рою Пэй Чжана, полетят над невиданным инопланетным ландшафтом. Информацию они будут посылать по радио прямо на Землю. Как только будут обнаружены перспективные планеты, в путь отправится второе поколение минизвездолетов; их задачей уже будет постройка у далекой звезды заводов по выпуску все тех же минизвездолетов, которые затем отправятся к следующей звезде. Процесс будет развиваться бесконечно.

К 2100 г. мы, скорее всего, отправим астронавтов на Марс и в пояс астероидов, исследуем луны Юпитера и всерьез займемся задачей отправки зонда к звездам.

Но как же человечество? Появятся ли у нас космические колонии и смогут ли они решить проблему перенаселенности? Найдем ли мы новый дом в космосе? Начнет ли род человеческий к 2100 г. покидать Землю?

Нет. Учитывая стоимость космических путешествий, большинство людей не поднимутся на борт космического корабля и не увидят далеких планет ни в 2100 г., ни даже много позже. Возможно, горсточка астронавтов успеет к этому времени создать несколько крохотных аванпостов человечества на других планетах и спутниках, но человечество в целом останется прикованным к Земле.

Раз Земля будет домом человечества еще не одно столетие, зададимся вопросом: как будет развиваться человеческая цивилизация? Какое влияние на образ жизни, труд и общество будет оказывать наука? Наука — двигатель процветания, поэтому стоит подумать о том, как она изменит в будущем человеческую цивилизацию и наше благосостояние.