Звездолеты завтрашнего дня
Таким образом, как видите, человечеству все еще свойственно мечтать, пытаться заглянуть в будущее. Поэтому, наверное, американцы с британцами взялись и за отработку концепции межзвездного корабля, способного достичь какого-то из полусотни ближних к Солнцу светил за 50–100 лет. Такой срок выбран, чтобы у тех, кто отправит аппарат в далекий рейс, был хоть какой-то шанс успеть при жизни получить сигнал о достижении цели.
С американской стороны в проекте принимает участие группа ученых из организации Tau ZeroFoundation, президентом которой является физик Марк Миллис, некогда работавший в НАСА над созданием новейших космических двигателей. Англичане представлены членами Британского межпланетного общества (Britisy Interplanetary Society — BIS).
Возвращение к «Ориону»
Однако прежде чем рассказать о сути последних проектов, надо, наверное, вспомнить, с чего все начиналось. Недавно в США вышла в свет книга Джорджа Дайсона «Проект „Орион“: подлинная история атомного космического корабля». Автор — сын одного из научных руководителей проекта — рассказывает об одном из самых секретных американских космических разработок прошлого столетия.
В начале 60-х годов ХХ века правительство США затеяло создание тяжелого межпланетного космического корабля «Орион» с командой в 150 человек. Предполагалось, что на нем можно будет долететь до Марса, Юпитера и Сатурна, а можно даже выбраться и за пределы Солнечной системы.
Он должен был приводиться в движение взрывами ядерных бомб. Несмотря на кажущуюся фантастичность идеи, ее осуществлением занимались ведущие американские физики, в том числе и «отец» американской водородной бомбы Э. Тейлор.
Каллисто — спутник Юпитера
На первом этапе корабль представлял собой некий «небоскреб», опирающийся на прочную плиту с отверстиями. Атомные заряды из склада должны были скользить по специальным направляющим-колоннам, выпадать через отверстия в плите и взрываться по пять одновременно на некотором удалении от корабля. Ударная волна, согласно расчетам, могла создать соответствующую реактивную силу, которая бы и выбросила всю конструкцию на орбиту, оставив позади огромное радиоактивное облако.
На старте собирались использовать бомбы мощностью 0,1 кт, в космосе в ход пошли бы 20-килотонные бомбы. Считалось, что таким образом можно вывести в космос корабль со 100 тысячами т полезной нагрузки.
Накопив первый опыт, затем уже прямо в космосе предполагалось смонтировать «Орион-2». На нем вместо атомных хотели использовать уже водородные бомбы, которые должны были подтолкнуть корабль в сторону Альфы Центавра со скоростью одна сотая скорости света (3000 км/с). Таким образом, путешествие к ближайшей звезде заняло бы около 500 лет.
Истратив за семь лет, с 1958 по 1965 год, свыше 1,5 миллиарда долларов, американцы построили 100-метровый прототип «Ориона», который работал на обычной взрывчатке. Но потом проект все же прикрыли.
Причин тому оказалось несколько. Во-первых, бомболет оказался чересчур дорогим. Во-вторых, при взлете «Орион» погубил бы все живое на много миль вокруг. В-третьих, в 1963 году был подписан договор между США и СССР о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, что заметно осложнило бы и проверку силовой установки «Ориона».
И любопытный проект несколько десятилетий пылился в засекреченных архивах, пока не вышел срок давности. А вот теперь президент США Барак Обама намерен возродить проект создания космического корабля нового поколения «Орион». Правда, поначалу под этим названием будет значиться лишь обычный космолет нового поколения с химическими двигателями. Его станут использовать на случай возникновения аварийной ситуации на МКС, если потребуется срочное возвращение экипажа станции на Землю.
В дальнейшем можно будет подумать и возрождении программы «Прометей», в рамках которой американцы намерены создать ядерный ракетный двигатель (ЯРД). Как полагают специалисты, именно такие двигатели позволят исследовать таинственные планеты и их спутники, находящиеся от нашего дневного светила так далеко, что солнечные батареи, не получая достаточно света, уже не в состоянии обеспечить межпланетную станцию необходимой энергией.
Американцы планируют, что первоначально атомолет (пока что без экипажа) направится к спутникам Юпитера — Каллисто, Ганимеду и Европе, где, по мнению ученых, могут существовать какие-то формы жизни. В частности, весьма интересными обещают быть исследования глубин океана на Европе, прикрытого сверху гигантской ледяной толщей.
Эксперты также полагают, что ЯРД откроет заманчивые горизонты и при полетах на Марс. Время доставки экспедиции на красную планету сократится в несколько раз, на 100 т уменьшится масса корабля. Словом, могучая энергия атома позволит совершить революционный прорыв в освоении Солнечной системы.
От «Дедала» к «Икару»
А вот чтобы отправиться за пределы нашей планетной системы, потребуются уже звездолеты. Проект одного из них — огромный беспилотный аппарат «Дедал» (Daedalus) с термоядерной двигательной установкой — в 1973–1978 годах начала разрабатывать группа ученых и инженеров, действовавших под эгидой BIS.
По воспоминаниям участников проекта, «Дедал» представлял собой двухступенчатую систему со стартовой массой в 54 тысячи т (из них 50 тысяч т приходилось на термоядерное горючее). В качестве топлива предполагалось использовать гранулы из смеси дейтерия и гелия-3. Последний авторы проекта мыслили добывать на Луне или из атмосферы Юпитера с помощью автоматического завода, размещенного на воздушном шаре.
Альфа, Бета и Проксима Центавра
Возле Юпитера планировалось также вести и окончательную сборку звездолета.
Импульсный термоядерный двигатель по идее должен работать так. В центр камеры сгорания с большой частотой вбрасываются топливные гранулы. Здесь они попадают под удар множества лазерных лучей. В итоге после разогрева до огромной температуры в них начинается термоядерная реакция.
Продукты миниатюрного термоядерного взрыва в виде плазмы удерживались бы от соприкосновения со стенками двигателя при помощи магнитных полей и выбрасывались бы наружу через сопло. В итоге возникала бы реактивная сила, которая бы и двигала корабль.
По проекту первая ступень «Дедала» должна была проработать два года, а вторая — 1,8 года. После разгона аппарат должен достичь 12 % от скорости света, или около 36 тысяч км/с. Далее последовал бы 46-летний полет по инерции.
Предполагаемая цель «Дедала» — звезда Барнарда, удаленная от нас на шесть световых лет. Исследовательский аппарат, по расчету, достиг бы ее за полвека.
Британцы продумали проект до тонкостей. Так, наиболее важные части конструкции «Дедала» намеревались изготовить из молибденового сплава, сохраняющего прочность при криогенных температурах. В роли щита, прикрывающего головную часть комплекса от потока межзвездной пыли и газа, решено было использовать 50-тонный диск из бериллия толщиной 7 мм.
Поскольку Daedalus не имел возможности затормозить в конце пути, к самой звезде Барнарда предполагалось отправить 18 автономных зондов с ионными двигателями. Они-то и должны были передать на Землю всю добытую информацию.
Через три десятилетия после завершения проекта Daedalus специалисты решили, что пора перекроить его с учетом нынешних достижений техники.
Официально стартовавший 30 сентября 2009 года проект, получивший теперь название Icarus («Икар»), рассчитан на пять лет. Он собрал два десятка ученых, инженеров и дизайнеров, которые полагают, что человечеству вполне по силам построить межзвездный корабль, рассчитанный на крейсерскую скорость в 10–20 % от скорости света.
В отличие от своего предшественника, который по прибытии в систему звезды Барнарда пересек бы ее на всех парах за двое суток, «Икар» должен притормозить, дабы растянуть удовольствие исследования планетарной системы хотя бы на неделю.
Возможно также, что вместе звезды Барнарда будет выбрана цель немного поближе — Альфа Центавра, которая находится от нас на расстоянии около 10 световых лет.
Помимо расстояния, еще одним важным фактором для определения конечной цели межзвездного путешествие является наличие у того или иного светила планетной системы. Причем чтобы эти планеты были земного типа, которые бы вдобавок находились в так называемой обитаемой зоне. То есть, говоря иначе, на поверхности этих планет были бы климатические условия примерно такие же, как на нашей Земле.
Пока же из 56 ближних звезд присутствие планет достоверно определено лишь у двух — Эпсилон Эидана (10,5 светового года) и Глдизе 674 (14,8 светового года). Но сами их планеты, увы, далеки от «комфортного» состояния. На них либо слишком холодно, либо слишком жарко.
Однако, учитывая последние успехи в деле открытия экзопланет — их количество вскоре приблизится уже к тысяче, а также расчеты ученых, что примерно треть звезд с планетными системами может иметь и планеты земной группы, получается, что у упомянутых 56 звезд может быть примерно полтора десятка обитаемых планет.
Таким образом, есть хорошие шансы, что в ближайшие десятилетия будут найдены планеты с явными признаками жизни. Вот туда и будут направленные первые межзвездные зонды.
Звездолеты на антиматерии
При этом ныне полным ходом идет разработка еще одного способа путешествий к звездам. Американцы разрабатывают MStar — проект аннигиляционного корабля, способного летать в 50 раз быстрее, чем нынешние межпланетные корабли и зонды. Как полагают исследователи, двигатели, использующие в качестве топлива антиматерию, могут обеспечить существенно лучшие энергетические параметры корабля, чем ядерные или термоядерные реакции. «Причем, в отличие от разнообразных „прокалывателей пространства и времени“, аннигиляционный двигатель вполне можно построить в ближайшие десятилетия», — уверяют современные ученые.
И их уверенность можно понять: теоретические и даже практические работы в этом направлении уже ведутся. Так, например, сотрудники Университета Пенсильвании в сотрудничестве с НАСА уже работают над проектами космических кораблей, использующих энергию аннигиляции.
Суть реакции аннигиляции, как известно, заключаются в следующем. Практически каждой элементарной частице соответствует ее античастица: например, электрон имеет отрицательный заряд, а вот позитрон — положительный. При этом, если столкнуть частицу с античастицей, происходит взрыв такой силы, что мало никому не покажется. Известно, к примеру, что в 0,1 г антивещества скрыто столько же энергии, сколько в топливных баках шаттла.
Дело за малым: получить антивещество, научится его хранить и использовать где и когда нужно.
Один из проектов звездолета на антиматерии
Что до получения, то антиматерию уже успешно создают в таких лабораториях, как Fermilab в Чикаго и CERN в Швейцарии. Однако годовая наработка антивещества исчисляется в нанограммах (при цене 10 триллионов долларов за грамм). Понятное дело, этого крайне мало даже для лабораторных опытов, не говоря уже о межпланетных путешествиях.
Еще хуже обстоит дело с хранением. В наиболее простых магнитных ловушках антиматерию удается удерживать в лучшем случае несколько секунд… Правда, сравнительно недавно появились данные, что 100 миллиардов античастиц удалось сохранять уже в течение недели. А меньшее количество — так и вообще месяцы.
Конечно, этого мало для межпланетного, а тем более для межзвездного путешествия. Однако выход из положения все же есть. Сотрудники Университета Пенсильвании разработали два проекта звездолетов, в которых аннигиляция может быть использована совместно с ядерной и термоядерной реакциями. Такой гибрид, оказалось, сулит массу выгод. Например, выяснилось, что добавление небольшого количества антивещества в рабочую зону реакции расщепления позволяет намного полнее использовать потенциал традиционного ядерного (расщепляющегося) топлива. При этом, как оказалось, цепочки превращений адронов, мюонов и пионов протекают несколько иначе, повышая КПД процесса.
Первый тип двигателя, который использует этот эффект, называется Antiproton catalyzed microfission (ACMF), то есть «микрореакция расщепления катализируемая антипротонами». Его удельный импульс — 13,5 тысячи с. Много это или мало, можно судить по такому факту: срок перелета по маршруту Земля — Марс при использовании такого двигателя можно сократить в шесть раз.
При этом придуманному в Пенсильвании пилотируемому кораблю ICAN-II, оснащенному двигателем ACMF, для 40-суточного перелета к Марсу потребовалось бы всего 140 нг (нанограммов) антивещества и несколько тонн обычного ядерного горючего (урана). Такое количество антивещества уже можно было бы произвести в разумные сроки.
Миниатюрные ядерные заряды (размером с мячики для гольфа) подрывались бы в «камере сгорания» корабля совместно с микроскопическими количествами антивещества. При этом тяга, судя по расчетам, существенно бы возросла. И к Марсу можно было бы отправить 800-тонным корабль, груженный всем необходимым. Причем на красную планету десантировался бы спускаемый аппарат с традиционным химическим двигателем.
Такой же корабль двигателем ACMF способен доставить межпланетную экспедицию и к Юпитеру. При этом на все путешествие, включая дорогу туда и обратно, а также трехмесячное обследование самого Юпитера и его спутников, ушло бы 1,5 года.
Второй вариант гибридного аннигиляционного двигателя называется Antiproton Initiated Microfission/fusion (AIM). Здесь в зоне реакции идет и расщепление, и синтез, то есть используется и тремоядерная реакция. Главное горючее тут — дейтерий плюс тритий либо дейтерий плюс гелий-3. Удельный импульс AIM — 61 тысяча с.
На основе этого двигателя разработан эскизный проект беспилотного и сравнительно легкого (примерно 30–40 т) корабля AIMStar, который будет способен улететь на 10 тысяч астрономических единиц от Солнца и приблизиться к облаку Орта на окраине Солнечной системы всего за 50 лет, из которых пять лет уйдет на разгон. Максимальная скорость корабля составит 0,003 от скорости света, или 900 км/с. (Для сравнения — у нынешних ракет на жидком химическом топливе реально достижимая скорость 15–25 км/с). Причем для полета к границам нашей планетной системы зонду AIMStar потребуется от 30 до 130 мкг антивещества.
Ну а в дальнейшем, по мере накопления опыта по строительству «баков» для антивещества в виде криогенных электромагнитных ловушек, а также по мере накопления запасов самого антивещества, можно будет подумать и о посылке аннигиляционного корабля к звездам.
Звездные «зонтики»
Впрочем, посылка в иные миры термоядерного или аннигиляционного звездолета — не единственный способ прорваться к звездам. Международной группой ученых предложен оригинальный проект космического корабля «Старвисп» для полета к ближайшим к Земле звездам, сообщает английский журнал New Scientists. В основе этого проекта лежит известная идея об использовании на космических аппаратах в качестве движителя солнечного паруса, приводимого в действие давлением солнечного света. Новое в проекте заключается в том, что в качестве источника фотонов используется не Солнце, а мощные квантовые генераторы микроволнового или оптического диапазона.
Конструктивно «Старвисп» представляет собой парус-сетку шестиугольной формы размером 1 км и весом 20 г. Сетка состоит из большого количества шестиугольных ячеек из тончайшей проволоки. В узлах пересечения ячеек (таких пересечений больше 10 триллионов) расположены микросхемы, обладающие развитой логикой и образующие в целом суперкомпьютер параллельного действия. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечный фотоэлемент.
Ввиду своей хрупкости корабль «Старвисп» должен будет монтироваться в космосе, например за орбитой Марса или в окрестностях того же Юпитера.
«Двигатель» корабля представляет собой мазер, создающий луч микроволнового излучения мощностью 20 ГВт. Мазер устанавливается на спутнике, который в течение всего полета корабля остается на околоземной орбите. Питание мазера осуществляется от солнечных батарей, также размещенных на спутнике.
Система Эпсилон Эридана. Компьютерная модель НАСА
Радиолуч, созданный мазером, фокусируется и направляется на корабль специальной системой типа линзы Френеля. Размер этой системы огромен — 50 тысяч км в поперечнике. Состоит она из чередующегося набора концентрических колец, сделанных из проволочных ячеек, и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подбираются таким образом, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, оказались в одной фазе в фокусе линзы. Микросхемы в узлах пересечения ячеек паруса управляют их электропроводимостью так, чтобы обеспечить максимальное отражение микроволнового излучения от паруса.
Сфокусированный на парусе луч приведет корабль в движение с ускорением 155 g. При таком ускорении, создаваемом в течение недели, корабль достигнет скорости, равной 20 % скорости света.
Через 17 лет корабль пройдет три четверти пути к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра, расстояние до которой составляет 4,3 светового года. Центр управления включит тогда радиолуч и направит его к кораблю. Этот луч достигнет корабль примерно через четыре года и переключит все 10 триллионов микросхем в режим работы фотоприемников. При этом образуется огромный искусственный «глаз», который сможет наблюдать объекты, находящиеся в системе звезды Проксима Центавра. Затем, используя синхронизирующие сигналы, заложенные в микроволновом излучении, парус переключится в режим работы в качестве антенны, с помощью которой получаемые изображения будут передаваться на Землю.
Для более тщательного обследования интересных объектов (в том числе и планет, если он и окажутся у звезды) предложен более тяжелый корабль «Старлайт» с улучшенной системой получения изображений и набором научного оборудования. Парус диаметром 3,6 км для этого корабля будет изготовлен из алюминиевой пленки толщиной 16 нм, которая отражает 82 % падающего на нее света. Масса паруса и собственно космического корабля составит 1000 кг.
Парус будет приводиться в действие излучением лазера мощностью 65 ГВт, который может размещаться или на околоземной орбите, или на близкой гелиоцентрической орбите, где плотность потока солнечного излучения больше. Среди возможных типов излучателей рассматриваются лазеры на двуокиси углерода с длиной волны 10,6 мкм или лазеры на йоде с солнечной накачкой с длиной волны 1,315 мкм.
Линза Френеля диаметром 1000 км для фокусировки и наведения луча на парус «Старлайта» разместится между орбитами Сатурна и Урана. Корабль под действием света получит ускорение 0,36 м/с (0,04 g). За три года воздействия такого лазерного излучения корабль приобретет скорость, равную 2 % скорости света, и удалится от Солнца на расстояние в 0,17 светового года. В тот момент, когда диаметр ускоряющего луча составит 3,8 км, лазер выключится.
Через 40 лет после старта корабль достигнет окрестностей звезды Проксима Центавра и с помощью бортовой научной аппаратуры начнет поиск планет вокруг звезды.
Для полета человека к более удаленным звездам, например к звезде эпсилон Эридана, находящейся на расстоянии 10,8 светового года, предлагается проект еще более тяжелого корабля «Супер Старлайт» массой 75 800 т. Его парус и линза Френеля должны иметь диаметр 1000 км.
Чтобы экипаж мог долетать до этой звезды и вернуться обратно в течение человеческой жизни, скорость корабля должна быть близка к скорости света. Если использовать связку лазеров мощностью 43 000 ТВт (43 х 1015 Вт), то можно придать кораблю ускорение, равное 1/6 g, и достичь за 1,6 года скорости 150 000 км/с, при которой полет до звезды займет 20 лет. На этой скорости начнут сказываться релятивистские эффекты (увеличение массы корабля на 13 % и растяжение времени для членов экипажа), а также доплеровский сдвиг частоты и энергии лазерного луча. И поэтому для того, чтобы обеспечить постоянство заданного ускорения к концу разгонного участка, необходимо будет увеличить мощность лазеров до 75 000 ТВт.
Парус корабля в начале полета будет состоять из трех концентрических колец: внешнего (диаметром 1000 км) тормозного кольца; промежуточного (диаметром 320 км) кольца встречи; внутреннего (диаметром 100 км) кольца возвращения (на нем будет находиться модуль экипажа).
Когда корабль подойдет к звезде на расстояние 0,4 светового года, от него отделится тормозное кольцо и отойдет вперед по полету от оставшейся части корабля, которая образует ступень встречи с планетой. Эта ступень развернется отражающей стороной от направления на Солнечную систему к тормозному кольцу, чтобы луч лазера (включенный опять за 10,4 года до этого момента и достигший теперь корабля) отразился от тормозного кольца и попал на ступень встречи. Этим обеспечится ее торможение до полной остановки за время воздействия луча, равное 1,6 года.
Таким образом, для достижения звезды Эпсилон Эридана потребуется 23,2 года по земным часам и 20,5 лет по бортовым.
Для возвращения на Землю от ступени встречи отделится внутреннее кольцо (возвращаемая ступень); а промежуточное кольцо развернется отражающей поверхностью по направлению к Солнечной системе. На него будет подан третий с начала полета «импульс» лазерного излучения длительностью 1,6 года. Луч, отраженный от промежуточного кольца, попадет на кольцо возврата и будет перемещать его и входящий в его состав модуль экипажа в сторону Земли с ускорением 1/3 g. Через 20 лет корабль приблизится к Солнечной системе со скоростью, равной 0,5 скорости света. Для его торможения на него будет направлен в последний раз «импульс» излучения лазера. Все путешествие займет 51 год, а экипаж постареет только на 46 лет.
Назад: Вперед, на Марс?
Дальше: ЛИТЕРАТУРА
