7. Решения для долгих путешествий
Люди могут путешествовать в дальний космос, но интересные места лежат вне зоны нашей досягаемости, если только мы не согласны жертвовать экипажем. С современными технологиями путешествие будет слишком долгим, и длительное воздействие радиации, невесомости и изоляции будет угрожать физическому и умственному здоровью астронавтов. Астронавты, вероятно, согласились бы прожить меньше ради полета на Марс, хотя позже, умирая от рака, могут и разочароваться в сделанном выборе. Но опасность повреждения мозга ставит под угрозу саму миссию. Космическое излучение разрушительно действует на нервные клетки, в невесомости повышается давление на мозг, что грозит астронавту слепотой и другими, даже более серьезными последствиями.
Такие новости медленно доходят. В них нелегко поверить. Даже Фрэнк Кусинотта, главный рупор плохих новостей о галактическом космическом излучении, однажды сказал журналисту: «Решение найдется», — и в той же беседе признал, что единственным решением будет более краткое путешествие. Некоторые в NASA и космическом сообществе пребывают на стадии отрицания и говорят об этих сложностях как о кочках на пути, а не препятствиях, требующих прорыва. Широкая публика находится в неведении. Новостные СМИ рассказывают о космической науке, широко распахивая глаза от восхищения, и не склонны задаваться сложными вопросами. Вместо них щедро освещается глупый план некоего голландца, собирающегося отправить людей на Марс и сделать из этого реалити-шоу.
В узкой группе ученых и инженеров, занимающихся этими проблемами, начинают обсуждать дальнейшие действия. С одной стороны, инженеры спрашивают экспертов по здоровью о том, каких стандартов следует придерживаться, чтобы сохранить здоровье и работоспособность астронавтов. С другой стороны, врачам от инженеров нужно оборудование, позволяющее выяснить эти стандарты. Не выходя в дальний космос, непросто изучать его опасности.
Участником этого обсуждения является и Джон Зипэй — глава инженеров по конструкциям NASA. Он уверен в том, что его команда может спроектировать космический аппарат с искусственной тяжестью, что на корню устранило бы риски, связанные с невесомостью. Но сперва ему нужно знать необходимую величину тяготения.
Джон начал свою карьеру в 1980-х гг., путешествуя по всему свету и обеспечивая совместимость компонентов МКС.
«Я называю ее первым орбитальным чудом света, — говорит он. — Какие-то детали были сделаны в России, какие-то — в Японии, по всей Европе, по всем США, их доставляли во Флориду и Россию, все это соединялось в космосе, и эта чертова штуковина работает. На ней с ноября 2000 г. непрерывно кто-то живет. Мы способны на все. То есть на самом деле тогда я убедился в том, что мы можем построить все что угодно».
МКС огромна. Ее общей длины, равной 109 м, как раз хватило бы, чтобы создать с помощью вращения искусственное тяготение, равносильное земному. Общая длина отсеков для экипажа — 51 м, а герметичный объем — как у «Боинга-747». И она очень прочная. Ее компоненты были рассчитаны на ускорение при старте с Земли, когда перегрузки достигают 3 g. Инженеры также учли возможные удары при соединении модулей и при многочисленных стыковках шаттлов и кораблей, которые привозят грузы и экипажи сегодня.
Зипэй говорит, что межпланетный космический аппарат с искусственным тяготением не обязательно делать таким же большим и крепким, как МКС, но это зависит от требований медиков. Астронавты борются с истончением мышц и костей с помощью упражнений. Наверное, избежать повреждений глаз и мозга можно и без полноценной и постоянной тяжести. Если влияние невесомости на мозг уравновешивается часом тяжести в день, то астронавты смогут получить необходимую его порцию во вращающемся кресле, установленном в космическом аппарате. Если можно обойтись и третью нормального тяготения, то достаточен аппарат длиной 30 или 40 м. Если же хватит и слабого тяготения время от времени, то вращающимся можно сделать только спальный отсек.
«Нужно выдать инженерам требования к искусственной тяжести, основанные на медицинских исследованиях. Если это, например, постоянное 1 g, мы построим вам аппарат, в котором там, где находятся люди, поддерживается 1 g, — говорит Джон и добавляет: — Разумнее и проще всего строить такой аппарат, который требует как можно меньше искусственной тяжести, генерируемой как можно меньше времени».
Идея создания тяжести вращением всего корабля или его части связана с явлением, известным любому, кто в детстве играл с грузиком на нитке. Из-за инерции груз стремится лететь по прямой траектории, нить же направляет его по кругу. Сила, необходимая для поворота, создает противоположную центробежную силу, которая направлена от центра окружности наружу. Величина центробежной силы соотносится со скоростью вращения и длиной нити — их увеличение приводит к увеличению силы. При более быстром вращении круг может быть меньше. Для более медленного вращения при той же силе требуется больший круг.
Если в качестве раскручиваемого груза рассматривать человека, то начинается взаимодействие физических законов и физиологии. Центрифуга малого радиуса — например, одноместная установка в космическом аппарате — создаст в ногах астронавта более сильную тяжесть, чем в голове. Работать в такой среде будет затруднительно, так как при движении объекта (даже вашей собственной руки) будет меняться его вес. Также возможно возникновение головокружений. В эксперименте 1960-х гг. людей крутили в центрифуге 12 дней подряд. Когда они привыкали к вращению, большинство из них могли позавтракать, не испытывая неприятных ощущений, но адаптация в начале и по завершении эксперимента занимала один-два дня.
Вращение всего космического аппарата позволяет обойти проблему запуска и остановки вращения. Зипэй воображает себе аппарат гантелеобразной формы, вращающийся вокруг поперечной оси. Пассажиры на одном из концов будут испытывать тяготение 1 g. Чтобы уровень тяжести был таким же на другом конце, аппарат должен иметь в длину 120 м. Если же он вращается вокруг одного конца, а искусственное тяготение создается с другой стороны, потребуется вдвое меньшая длина. В обоих случаях длина диктуется скоростью вращения — 4 оборота в минуту, — определенной исследованием 1960-х гг. как наиболее высокая частота вращения, приемлемая для человека.
Но это исследование давнее, и проводилось оно на Земле, где центростремительная сила складывается с никуда не исчезающей силой тяготения. Есть веские причины поинтересоваться тем, с какой быстротой люди могут вращаться в космосе, где искусственная тяжесть будет единственной испытываемой ими силой.
Искусственная тяжесть привлекла серьезное внимание нынешнего поколения ученых в области космонавтики только после того, как несколько лет назад Майк Барратт и его коллеги, находясь на МКС, обнаружили проблемы опухания зрительного нерва и внутричерепного давления. Интерес усилился в 2014 г., когда Майк созвал на симпозиум сотню ведущих исследователей со всего мира для изучения сложностей, связанных с искусственной тяжестью. В итоговом отчете этой встречи особо отмечаются пробелы в наших знаниях.
«Хотя уже более 100 лет известно, что центробежная сила равносильна для людей и животных искусственному тяготению, мы до сих пор относительно мало знаем о ее физиологическом влиянии и особенно о влиянии длительного центрифугирования, — сообщается в докладе. — На самом деле мы больше знаем о влиянии невесомости в космосе, чем о влиянии центрифугирования длительностью более нескольких часов… Мы не знаем, например, о том, вполне ли безопасно марсианское тяготение 0,38 g и какое минимальное ускорение необходимо для нормального функционирования тела при длительной невесомости».
Теперь, после этого симпозиума, NASA разрабатывает семилетнюю программу по выяснению требований к искусственной тяжести; ответы будут получены к 2022 г. В рамках нынешних планов по исследованию космоса до этого времени подобные сведения NASA не понадобятся.
Другую сторону диалога с инженерами вроде Джона Зипэя представляет Питер Норск, главный врач по профилактическим мерам в NASA. Он занимается поиском сведений для инженеров о необходимых человеку условиях. В идеале Зипэй мог бы дать Норску орбитальную центрифугу, чтобы тот покрутил в ней людей и посмотрел, как они на это отреагируют. На самом деле только так можно получить окончательный ответ. Но такой проект был бы очень дорогим, поэтому пока планы ограничиваются экспериментами с людьми на Земле и работой с грызунами на МКС.
Руководство NASA также обсуждало миссию к одной из точек Лагранжа — таких мест в Солнечной системе, где уравновешенное тяготение Земли, Солнца и Луны создают область, в которой могут стабильно находиться малые объекты. Астронавты, отправившись на космическую станцию в точке Лагранжа, приобретут опыт путешествия в дальний космос, в том числе с искусственной тяжестью, прежде чем браться за куда более сложную миссию к Марсу. Перейдет ли NASA от слов к действиям в этом направлении, зависит от политики президента.
Орбитальная космическая станция у нас уже есть, но планам по установке центрифуги для опытов с людьми на МКС не было суждено сбыться. В космосе вращение кресла или целого помещения раскрутит космическую станцию в обратном направлении. Операторы могли бы уравновесить вращение с помощью гироскопов — они есть на станции для управления ее ориентацией и курсом, — но проблемы с вибрацией и противоположно направленные силы делают такое решение на МКС непрактичным.
На МКС должны были установить центрифугу, достаточно крупную для приматов, но этого не случилось из-за гибели шаттла «Колумбия» в 2003 г., после которого значительно ослабло снабжение станции материалами. В 2016 г. астронавты испытают японскую центрифугу для грызунов. Но таким образом мы больше узнаем о мышцах и костях; глаза и мозг грызунов значительно отличаются от человеческих.
Норск говорит, что в наземных исследованиях с центрифугами с длинным плечом будут получены данные для уровня тяжести более 1 g, а очень краткие опыты с малой силой тяжести будут проводиться в самолетах-лабораториях, которые упоминались в главе 1. Но ни одна из частей программы не даст прямых свидетельств о длительном воздействии на человеческое здоровье промежуточных уровней силы тяжести в диапазоне от невесомости до земной. Мы также не узнаем наверняка, каково будет человеку вращаться в космосе и какие практические ограничения повлечет этот опыт.
В то время как медицинские данные по искусственной тяжести отсутствуют, инженерные решения по ее созданию вполне ясны.
Строительство вращающейся гантели в космосе — это скорее интересная задача, чем сложное препятствие. Джон Зипэй говорит, что для такой станции понадобится иной источник питания, нежели солнечные батареи, которые не подойдут из-за их чрезмерной хрупкости. Источник питания должен быть легким, чтобы снизить энергетическую стоимость запуска и разгона к пункту назначения, и прочным, чтобы выдерживать саму силу искусственной тяжести.
Джон снизил бы вес, отправляя компоненты по отдельности для дальнейшей сборки на орбите. Незачем строить весь межпланетный аппарат из прочных алюминиевых сегментов, как МКС. Самой крупной частью станции с искусственной тяжестью должен быть коридор, соединяющий концы гантели. Зипэй спроектировал бы коридор, который можно компактно и плотно сложить перед запуском с Земли и развернуть в невесомости в длинную конструкцию из ферм, достаточно прочную для удержания концов гантели. Отсек экипажа можно сделать надувным. Двигательную установку можно поместить на противоположном от жилого отсека конце в качестве противовеса.
Проблема радиации тоже отчасти решаема. Аппарат требует защиты от двух видов излучения. Протонное излучение солнечных бурь может быть смертельным, но пластиковая обшивка снизит его влияние, а в сильную бурю астронавты могут укрыться в защищенном отсеке. Снабженному запасами пищи, топлива и воды укрытию от радиационной тревоги длительностью в несколько часов не обязательно быть большим. Это несложное решение дешево и эффективно.
Проблема галактических космических лучей куда сложнее. Как мы писали в главе 5, удары энергетических частиц, выбрасываемых взрывающимися по всей Галактике звездами, так сильны, что их невозможно остановить сколько-нибудь практичной физической броней. Есть веские основания полагать, что их воздействие в течение пары лет способно повредить человеческий мозг настолько, чтобы поставить под угрозу миссию и на много лет укоротить жизнь астронавта.
Возможные практические решения для охраны здоровья от воздействия галактических космических лучей пока умозрительны.
Ясно представляя себе вред, причиняемый радиацией, и связанные с этим вопросы генетики, врачи могут найти способ отсеивать чувствительных к радиации кандидатов. Но подбор команды — дело непростое: отсеивание кандидатов по одному из рисков может приводить к ослаблению команды в других отношениях. Есть смысл отбирать астронавтов по здоровью, интеллекту, физической форме, лидерским качествам, образованию, техническим навыкам, психологической устойчивости, нечувствительности к радиации и малой склонности к проблемам со зрением в невесомости. Чтобы удовлетворить лишь нескольким из этих критериев, NASA отбирает из десятков тысяч претендентов несколько дюжин. Для того чтобы ввести новые испытания с дополнительным отсевом, придется идти на компромиссы: в мире попросту недостаточно идеальных людей для того, чтобы отобрать из них команду, наилучшую по всем критериям.
При существенном развитии медицинской науки могут появиться препараты для профилактики или лечения последствий воздействия радиации. Но это будет прорывом, сравнимым с появлением лекарства от рака. Такое вполне возможно, но не стоит на это рассчитывать.
Есть еще одна возможность. Если мы не в состоянии пережить воздействие галактического космического излучения и не можем от него отгородиться, можно попробовать отразить его. Эти частицы электрически заряжены, так что их траекторию можно менять с помощью магнитного поля. Можно надеяться создать в космосе интенсивное магнитное поле вроде того, что физики создают на Земле для искривления траектории субатомных частиц в ускорителях.
Райнер Майнке переехал из Германии в Уаксахачи, Техас, десятки лет назад, чтобы работать на одном из таких устройств, самом большом из них — сверхпроводящем суперколлайдере. Частицы в нем могли бы разгоняться в круговом туннеле протяженностью 85 км, пролегающем под пустыней, и сталкиваться, выделяя энергию, даже более высокую, чем получают в крупнейших из сегодняшних ускорителей. Но Конгресс, столкнувшись одновременно со стоимостью МКС и сверхпроводящего суперколлайдера, в 1993 г. свернул проект наполовину построенного ускорителя. Неподалеку от Уаксахачи остался заброшенный туннель длиной почти 30 км. Отмена программы повлияла на карьеру Райнера и многих других физиков; и он переключился на работу со сверхпроводящими магнитами вроде тех, что разгоняли частицы в ускорителе, но для энергетики и медицинской промышленности. Результаты этой работы воплощены в магнитно-резонансных томографах и прочем высокотехнологичном медицинском оборудовании.
Большие магниты работают при прохождении электрического тока через провода, намотанные на катушку в форме бублика. Ток индуцирует магнитное поле в центре этого бублика. При использовании обычной медной проволоки магниты нагреваются, и эти энергопотери необходимо непрерывно восполнять дополнительной электроэнергией. Сверхпроводник способен проводить электричество без сопротивления, при этом он не нагревается и не теряет энергию. Теоретически ток в катушке может не ослабевать, создавая устойчивое магнитное поле после однократной закачки энергии.
Поле, создаваемое сверхпроводящими магнитами в томографах, зачастую в сотни тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Но такие магниты слишком тяжелы для того, чтобы запускать их в космос. Вместе с коллегами из своей компании Advanced Magnet Lab, расположенной во Флориде, Майнке разработал идею куда более легких и крупных сверхпроводящих магнитов. Он предлагает обернуть космический корабль чем-то вроде оболочек из легчайших гибких магнитов, сделанных из сверхпроводящей пленки. Поле внутри такой оболочки будет отклонять заряженные частицы от корабля. Еще один слой сверхпроводящих катушек на корпусе корабля нейтрализует поле для его пассажиров, так что оно не будет взаимодействовать с металлическими объектами внутри.
Это очень остроумное устройство. Сверхпроводящий материал, похожий на аудиопленку, во время запуска сложен наподобие зонтика. Включение искусственного магнитного поля в космосе раскрывает зонтик до нужной формы и размера. Обычно большой магнит должен быть очень прочным, чтобы его не разорвало создаваемыми им силами. Но группа Райнера нашла новую конфигурацию поля, позволяющую снизить нагрузку на пленку почти до нуля. Они собрали небольшой прототип, и он заработал. На практике с использованием существующих материалов система диаметром 10 м способна поддерживать поле 1 Тл после однократной накачки — почти такое же сильное, как в типовом магнитно-резонансном томографе.
Но после создания прототипа Райнер лишился финансирования по Программе инновационных перспективных проектов NASA, которая поддерживала это исследование (тем не менее он продолжает работу с другими источниками финансирования и партнерами). Но даже если его система будет работать, как задумано, и сможет защитить космический корабль от солнечного протонного излучения, ее поле не будет достаточно большим и мощным, чтобы отразить сильнейшие галактические космические лучи. Энергия этих частиц куда выше, чем энергия, которую могут дать крупнейшие ускорители. Магнитное поле Земли тоже не защищает нас от них, всю работу делает вода в атмосфере. (Мы на Земле укрыты двойной защитой: атмосфера защищает нас от галактических космических лучей, а магнитное поле предотвращает «сдувание» атмосферы протонным солнечным излучением.)
Чтобы отклонить сверхэнергичные частицы от космического корабля, понадобится куда более сильное магнитное поле. Некоторые эксперты вовсе отметают идею о магнитном щите из-за веса, сложности и невозможности подстраховаться на случай отказа системы. Майнке указывает на задействованные силы. Поле от 10 до 20 Тл будет оказывать мощное разрывное усилие на катушки, как в слишком сильно надутом воздушном шаре, и эти силы будут весьма велики для любых применимых материалов. Другой вариант — создать куда большее поле с помощью более крупных катушек, но не так сильно намагниченных. Теоретически это может сработать. Но космический аппарат будет лететь, окруженный магнитным зонтиком размером с дирижабль.
Только вообразите себе такой аппарат. Прибавьте вращение для создания искусственного тяготения, и вы получите целый парад технических сложностей: массивный электрически заряженный сверхпроводящий дирижабль, стремительно несущийся через пространство, а внутри него — космический корабль в форме кувыркающейся гантели, снабженный механизмом, нейтрализующим магнитное поле в движущемся жилом отсеке. Каким-то образом вся эта конструкция запускается в космос, разгоняется, замедляется при приближении к пункту назначения и там выходит на орбиту.
Предположим, все это заработало и космический корабль путешествует через Солнечную систему почти 10 лет. Что происходит внутри? Это относительно легко себе представить. Пиллонавтам, о которых мы упоминали в главе 5, пролежавшим несколько месяцев в постелях госпиталя в Галвестоне, были свойственны недостаток сосредоточенности и дурное настроение. В 2010 и 2011 гг. в России шестеро мужчин, отвечающих критериям отбора международных космических программ, провели 520 дней в модели космического корабля. Это срок марсианской миссии с краткой остановкой на планете.
Дела шли плохо. Процитируем психологическое исследование: «Лишь двое из шести членов команды (c и d) не демонстрировали искажений поведения и не сообщили о психологических расстройствах». Четверо астронавтов испытывали проблемы со сном, стали вялыми, вспыльчивыми, а один чувствовал себя подавленным. У всех симптомы были достаточно серьезны, чтобы поставить миссию под угрозу.
Подобные проблемы знакомы людям, изолированно живущим в Антарктике и даже на МКС; подробные сведения о здоровье астронавтов не разглашаются, но говорят, что им тоже доводилось преодолевать депрессию. Большинство людей, будучи месяцами заточены небольшой группой при нехватке солнечного света и нормальной сенсорной стимуляции, в конце концов начинают чувствовать себя плохо и терять работоспособность. По завершении российской миссии исследователи заключили, что главное — подбор команды. Они призвали к исследованию генетических факторов, обеспечивающих некоторым людям устойчивость к таким влияниям. Но это станет еще одной строчкой в уже и так перегруженной матрице отсева, предписывающей поиск ко всему устойчивых людей, которых может просто не существовать в природе.
Возможно, возникнут новые идеи, которые позволят упростить отбор команды и устройство космического аппарата. Но простое и дерзкое решение проблем с радиацией, излучением и психологией уже существует: лететь быстрее.
Нынешняя технология заключается в том, что космический корабль несет запас топлива, достаточный лишь для кратковременной работы двигателя с большим ускорением, после чего аппарат, по сути, летит по инерции к месту назначения. Во время полета без тяги пассажиры испытывают невесомость. При постоянной скорости длительность путешествия задается короткой работой двигателей в самом начале. Но математика значительно благосклоннее к аппарату, который продолжает ускоряться, непрерывно вкладывая энергию в скорость на протяжении всего путешествия. На полпути к цели ракета может развернуться и начать замедление с тем же усилием до самого прибытия.
Во время долгого путешествия даже крохотное непрерывное ускорение позволит добраться до цели несравненно быстрее. Достаточно быстро, чтобы доставить пассажиров во внешнюю часть Солнечной системы до того, как они потеряют здоровье и рассудок из-за невесомости, радиации и утомления, даже на слабо защищенном космическом корабле без искусственного тяготения.
Будущее
Технология непрерывного ускорения в космосе развилась необыкновенно быстро, казалось — буквально за одну ночь, как авиация после братьев Райт или интернет в 1990-х гг. Однако, как и в упомянутых примерах, работающие идеи появились не на пустом месте. Десятилетиями талантливые инженеры и ученые, не боясь работать за границами своих профессиональных обязанностей, придумывали нетрадиционные устройства и возились с прототипами, не получая ни финансирования, ни уважения. С появлением насущной необходимости у них внезапно появились деньги и доверие. Сложились условия для стремительного объединения разрозненных идей в нечто неожиданно грандиозное.
Исполнительный директор Titan Corp., независимой корпорации, созданной для воплощения в жизнь проекта «Титан», испытала неимоверное облегчение, увидев успешную демонстрацию Q-двигателя. Годами корпорация обещала появление новой технологии, которая позволит безопасно доставить людей на Титан, где они смогут поселиться в жилище, построенном роботами, которые высадились ранее с более медленных кораблей. Без обещанного ею продолжения в виде пилотируемой программы огромные траты на роботизированные миссии, оплаченные государственными и крупными корпоративными инвесторами Titan Corp., пропали бы впустую.
Сценарий миссии к Титану был рассчитан на группу из шести астронавтов-первопроходцев. Они должны были поселиться в небольшом жилище, подготовленном для них, и управлять роботизированным строительством более крупных, автономных жилищ для следующих поселенцев. Им также предстояло первыми узнать, каково это — жить на Титане; ни одна машина не может выразить этого и рассказать об этом миру. Но люди неспособны перенести семилетнее путешествие в дальний космос к Титану, в отличие от роботов и зондов. Миссия стала выполнима только с появлением двигателя непрерывного ускорения, который доставит людей на Титан быстрее чем за два года.
Обычная химическая ракета способна создать большую тягу, но для этого краткого выброса мощности требуется тяжелое топливо. Космический корабль, создающий лишь небольшую тягу, но в течение длительного времени, способен развить высокую скорость, даже если начальная скорость невелика. Способность продлить работу приходит с топливом высокой плотности — ураном вместо обычных химических соединений, а в случае Q-двигателя — еще из способности черпать топливо из пространства вместо того, чтобы везти с собой. Q-двигатель собирает квантовые частицы естественного происхождения и выбрасывает их посредством электрического поля, создавая тягу. Электричество для формирования поля вырабатывается ядерным реактором. При наличии компактного источника энергии и отсутствии необходимости везти топливо с собой такой двигатель непрерывно толкает корабль вперед и позволяет ему постепенно набрать очень высокую скорость.
После создания рабочего прототипа следующие шаги были проделаны быстро. Появились деньги от беспокойных правительств и инвесторов-миллиардеров, стремящихся удрать с Земли и на корню завладеть новым миром. Titan Corp. взяла в аренду крупный космический док и коммерческие ракеты большой грузоподъемности для строительства корабля. Она же оплатила места на коммерческих космопланах, которые доставили рабочих на орбиту. Начались работы по сборке полномасштабных тяговых единиц типа Q-двигатель с огромными кольцами ускорителей квантовых частиц, похожими на оторванные крылья бабочки. Они парили снаружи дока.
Испытание двигательной установки было проведено с беспилотным аппаратом в присутствии только сотрудников компании. Модуль экипажа собирали отдельно. После подачи мощностей реактора на кольца оператор объявил о том, что Q-двигатель работает и дает тягу. Раздались радостные возгласы. Но корабль, казалось, едва стронулся с места. Непрерывная, но слабая тяга подразумевает плавность отчаливания.
После испытания директор по маркетингу и главный технический директор Titan Corp. отправились обсудить проблему в офисе исполнительного директора.
Директор по маркетингу распоряжался трансляцией запуска на Титан. Но не собственно трансляцией, как поначалу это истолковал технический директор, а тем, как это историческое событие будет выглядеть для публики. За отправкой шести бравых астронавтов из космического дока к новому дому человечества будут наблюдать мировые лидеры. Речи и церемонии должны предшествовать драматическому отбытию. Но, наблюдая за испытаниями, главный директор по маркетингу с тревогой осознал, что отбытие вовсе не будет драматическим.
Q-двигатель был предельно эффективен, и за месяцы аппарат был способен набрать фантастическую скорость. Но за первые 10 минут он преодолеет лишь около 200 м. Когда главный маркетинговый директор наблюдал за испытаниями, ему так и хотелось подтолкнуть корабль, чтобы тот двигался быстрей.
Директор по маркетингу сказал, что так не пойдет. Размахивая руками и пытаясь обрисовать ими воображаемую картину (его основное занятие как драматурга в компании, сплошь состоящей из инженеров), он начал расписывать неловкую сцену запуска космического корабля, ползущего не быстрее улитки. Нельзя, чтобы мировые лидеры попрощались с астронавтами, проводили их в путь, а корабль после этого остался на месте. Какой провал: все завершают церемонию, оркестр умолкает, почетный караул уходит, а первопроходцы все еще здесь! Когда мировые лидеры погрузятся на космопланы, отбывающие обратно на Землю, астронавты будут все еще так близко, что им можно будет помахать рукой в иллюминатор. Titan Corp. будет выглядеть посмешищем, отправившим первопроходцев на межпланетном драндулете, ползущем от Земли, как дитя от матери.
Главный технический директор был разгневан и показывал это как мог, вопреки неумению выражать свои эмоции, на что его жена часто жаловалась на сеансах семейной терапии. Q-двигатель представлял собой технологический прорыв, который спасет человечество от вечного прозябания на Земле. Построенный его командой аппарат сократит путешествие к Титану с 7 лет до 18 месяцев. Вся Солнечная система окажется в пределах досягаемости.
Встреча закончилась договоренностью о том, что кораблю необходима ракетная ступень, достаточно сильная, чтобы вывести его за пределы видимости с космической станции, после чего заработает Q-двигатель. Технический директор вернулся в свой офис, полыхая изнутри, стиснув зубы и продумывая месть директору по маркетингу, зная, что никогда ее не осуществит. На самом деле в первой ступени был смысл — она позволит скорее преодолеть земное тяготение.
Созданная командой технического директора ракетная ступень питалась от того же реактора, от которого питается Q-двигатель. Водород из внешних баков направлялся через реактор, где мгновенно разогревался и выбрасывался в виде выхлопа. Во время этой фазы разгона большие, хрупкие кольца Q-двигателя остаются сложенными. После опустошения баков с водородом корабль начинает баллистический полет (нулевое ускорение), пока развертываются коллекторы. Затем Q-двигатель включается и постепенно наращивает скорость корабля на протяжении путешествия.
Главный маркетинговый директор был счастлив. Но на следующем совещании директор по безопасности указал на то, что ускоритель первой ступени обдаст мировых лидеров сверхразогретым водородом. Следующим изменением в проекте был «буксир», с помощью которого аппарат выводили из космического дока перед включением главных двигателей.
«Картинка» отбытия с помощью буксира оказалась идеальной. Не слишком быстро, не слишком медленно.
Главный технический директор начал разработку буксира.
Для того чтобы отправление выглядело должным образом, проекту потребовалось несколько лишних лет, но Titan Corp. справилась. Стоимость проекта выросла на треть.
Настоящее
В NASA даже астронавты, готовые рисковать, осознают потребность в более быстрых двигателях. Если путешествие на Марс возможно на грани сил и при предельно допустимом воздействии радиации, то, добравшись туда, мы окажемся в тупике. История «Аполлона» учит нас не действовать на краю наших возможностей, совершая грандиозное, но ни к чему не ведущее усилие. С трудом приземлившись на Марс, мы можем опять прождать следующего шага 50 лет; так уже произошло, когда мы расширили границы возможного и добрались до Луны. Для того чтобы исследование не прекращалось, каждый шаг должен вести к следующему шагу, тогда мы сможем идти все дальше и дальше, а не ждать новых идей в течение нескольких поколений.
Кроме того, чем больше мы узнаем о Марсе, тем менее интересным он кажется в качестве конечного пункта назначения. Мы захотим пойти дальше.
В Космическом центре имени Джонсона Марк Макдональд, глава Группы разработки перспективных миссий, будучи хорошим инженером, представляет этот вопрос в виде баланса ограничений. Путешествие во внешнюю часть Солнечной системы потребует быстрого полета — и не только из-за радиационной угрозы. В длительное путешествие с собой придется взять слишком много еды и топлива. С ростом массы корабля проблема двигательной установки становится еще острее. «Дальнобойный» исследовательский космический корабль должен быть легким и быстрым, а его двигатели — эффективными и требовать мало топлива.
Наверное, топливо можно было бы добыть на астероиде, если подвернется многообещающий «булыжник» и если его можно будет передвинуть в нужное место и оставить там в качестве заправки. Марк считает, что огромная стоимость и сложность поиска и перемещения астероида, его разработки и переработки топлива будет иметь смысл только для зрелого космического флота с большим количеством клиентов, но не для одиночного полета. Более вероятно то, что топливо и припасы будут размещаться на пути к Титану автоматическими кораблями. Более медленные и крупные космические корабли без людей на борту оставят склады, а пилотируемая миссия будет следовать за ними по пятам и дозаправляться в пути.
Но этому плану присущ риск, связанный со всеми этими запусками и остановками, каждая из которых подразумевает встречу в дальнем космосе. Даже если они пройдут идеально, они займут время. Также Марк указывает на то, что эта идея не учитывает основной проблемы — стоимости использования ракет на химическом топливе во внешней Солнечной системе. Каждая дополнительная тонна топлива, поднятая с Земли и запущенная в открытый космос, крайне дорога. А для миссии в дальний космос потребуются сотни тонн топлива.
Современные химические ракеты хороши для непродолжительного производства огромной тяги, но они неэффективны, а подходящее им топливо слишком тяжело для долгого путешествия. Макдональд проводит аналогию с Диким Западом. Если бы лошади поселенцев, пересекающих прерии, не могли пастись по пути, то каждому из них понадобился бы длинный обоз с заготовленным кормом. Никто не смог бы позволить себе такое путешествие.
Гарольд Уайт, известный как Сонни, работает у Макдональда. Он думает о том, какой необходим фундаментальный прорыв для того, чтобы построить космический аппарат, не требующий всего этого груза и поддержки. Он — простой и симпатичный парень, чья скромность не вяжется с той потрясающей работой, которую он делает. С помощью понятной немногим физики он изобретает реальные машины, обретая в процессе новое понимание свойств Вселенной. Но о своей работе на переднем крае теории он говорит с тем же обыденным энтузиазмом, с каким показывает картинки в своем телефоне. После фотографии ядерного двигателя 1960-х гг. в пустыне, сделанной во время семейной поездки, он признается: «Я такой “ботаник”!»
Но он «ботаник», только если вы готовы назвать так человека на зарплате у NASA, разрабатывающего штуки, впервые придуманные в сериале «Звездный путь». Как мы увидим в главе 12, Сонни работает над двигателем будущего. Он супергерой среди «ботаников».
Обычным смертным вроде нас трудно понять то, о чем говорит Сонни. Приведем пример.
Ракеты, самолеты и суда ускоряются согласно третьему закону Ньютона. Для каждого действия существует равное по силе, но противоположно направленное противодействие. Мотор лодки крутит винт, который толкает воду назад; противодействием этому является движение массы лодки вперед. Двигатель самолета разгоняется за счет массы воздуха, пропускаемого через турбину или пропеллер. Летящая сквозь космос ракета не опирается ни на воздух, ни на воду и не может использовать их в качестве рабочего тела. Поступательное движение является противодействием выбросу реактивной массы. Независимо от того, какой используется источник энергии и какова скорость выброса, поступательное движение обычной ракеты ограничивается, согласно третьему закону Ньютона, массой рабочего тела у нее на борту. Если это ограничение применить к лодкам и самолетам, они могли бы совершать лишь очень краткие рейсы.
Делу может помочь улучшенный источник энергии и более эффективный двигатель. Во внутренней части Солнечной системы солнечные батареи способны вырабатывать достаточно электричества для питания двигателя. Электрические космические аппараты в качестве рабочего тела используют ксенон. Ксенон — негорючий инертный газ; он лишь рабочее тело, а не топливо. В таких двигателях, называемых ионными, электричество, вырабатываемое солнечными батареями, ионизирует атомы ксенона, унося с них электроны и создавая положительно заряженные ионы, которые можно разогнать магнитным полем. Ионы ксенона разгоняются и выталкиваются через хвостовую часть ракеты, чем и обеспечивается ее поступательное движение. Во внешней Солнечной системе, где лучи Солнца слабее, ионный двигатель может получать электричество от реактора ядерного деления вместо солнечных батарей. Реакторы существуют уже давно: например, один из них был установлен в старой ракете, фотография которой была у Сонни в телефоне.
Электрическая двигательная установка успешно работала на аппарате NASA под названием «Рассвет» (Dawn), запущенном в 2007 г.; используя солнечную энергию, он добрался до пояса астероидов и вышел сначала на орбиту вокруг астероида Веста, а затем — вокруг карликовой планеты Церера. Заряженные до 1000 В решетки в задней части двигателя выталкивали ионы ксенона со скоростью 145 000 км/ч. При очень экономном расходе ксенона эта система создавала тягу, равную весу листа бумаги на Земле, и ускоряла «Рассвет» настолько постепенно, что от 0 до 100 км/ч он разгонялся лишь за четыре дня. Но суммарно за 10 лет аппарат набрал 39 000 км/ч. Ионный двигатель толкал его так быстро при такой малой мощности отчасти благодаря высокой эффективности, десятикратно превышающей эффективность обычной ракеты.
Но, как и ракета на химическом топливе, ионный двигатель в конце концов истратит рабочее тело. Когда ксенон заканчивается, двигатель перестает работать. Вот почему Q-двигатель, над которым работает Сонни, — такая привлекательная идея. Он черпает рабочее тело из пространства, поэтому оно никогда не заканчивается.
Для того чтобы понять эту идею, нужно совершить экскурс в квантовую механику, которую почти никто не понимает (может статься, что и вовсе никто). Квантовая механика — это странная физика вопросов вроде «Из чего состоит свет — из волн или частиц?» и «А где именно находится этот электрон и какова его скорость?». В обоих случаях физики говорят, что ответ не определен и неопределим в каждом конкретном случае. Точное положение и импульс субатомной частицы имеют принципиально вероятностную природу, они не являются строго определенными фактами. И все мы состоим из этих частиц.
Вселенная — собрание вероятностей. Крохотные вероятности складываются в крупные объекты, которые мы воспринимаем как реальные и интуитивно ощущаем вещи существующими в определенном месте и времени, движущимися с определенным импульсом, но в основе своей они не такие. Из-за того, что наш взгляд на мир вступает в противоречие с квантовой механикой, многие прогнозы на основе этой теории кажутся невероятными: например, способность материи появляться из ниоткуда и исчезать в никуда без видимой причины. Но реальность этих кажущихся невозможными явлений была экспериментально подтверждена.
Возникновение материи из ничего называется квантовой флуктуацией вакуума. В нашей вероятностной Вселенной виртуальные частицы постоянно появляются и исчезают даже в полном вакууме, просто потому что существует малый шанс того, что это произойдет. Q-двигатель Уайта будет использовать эти частицы в качестве рабочего тела вместо ксенона. Энергию для двигателя будет по-прежнему производить ядерный реактор или солнечные батареи, но рабочее тело, выбрасываемое назад, будет даровым, поступающим прямо из пространства. Виртуальные частицы из вакуума, присутствующие в камере двигателя, будут ускоряться электрическим полем. Q-двигатель использует то, что уже есть (или потенциально может присутствовать) в камере так, как моторная лодка использует воду, а реактивный самолет — воздух.
Уайт испытал вариант этого устройства в Космическом центре имени Джонсона в 2014 г.; при малых затратах электричества была зарегистрирована крохотная тяга. Хотя двигатель был так слаб, что тягу можно было измерить лишь сверхчувствительным оборудованием, эффективность системы была в шесть или семь раз выше, чем у ионного двигателя.
«С его помощью нельзя подняться в воздух», — говорит Уайт. Но можно построить большой Q-двигатель, потребляющий мегаватты энергии ядерного реактора, и его эффективность окажется решающей в вопросе дальнего космического путешествия. «Система такого типа революционна по сравнению с тем, что мы делали раньше. С ней миссия на Сатурн уже не кажется такой пугающей».
Результаты все еще проверяются. Феномен должна рассмотреть другая лаборатория, используя другое измерительное оборудование. Тяга крайне слабая, ведь виртуальные частицы редки, их мало, но с этим можно справиться с помощью математического аппарата современной физики. Количество виртуальных частиц, возникающих в пустом пространстве, зависит от его энергетического состояния. Привнесение в вакуум массы повышает энергию и число появляющихся частиц. В двигателе Сонни число виртуальных частиц на 14 порядков выше, чем в пустоте; это переход от числа, едва отличимого от нуля, к числу все еще невероятно малому, но уже достаточно большому, чтобы эта идея сработала. (В лучшем случае, чтобы набрать 1 кг материи, нужно 10 000 км3 пространства.)
Мы намеревались развивать сценарий колонизации Титана, не прибегая к фантазиям для спасения нашей надежды. Q-двигатель — это лучшее, на что мы можем надеяться. Несмотря на то что эта технология едва родилась, она, по-видимому, работает. По мере роста нашего понимания мы сможем все более полно использовать законы физики при всем их кажущемся безумии.
«Именно спекулятивная физика, если мы разберемся в ней, может оказаться очень полезной для достижения целей вроде Сатурна, — говорит Уайт. — Мы рассматриваем все возможные варианты».
Будущее
И вот корабль, наконец, готов. Мир следит за его отбытием с надеждой и трепетом. Буксир выводит корабль из космического дока. Аппарат выглядит странно, большие кольца его Q-двигателя готовятся развернуться вокруг центрального жилого модуля, сконструированного максимально легким и вмещающего шестерых астронавтов, припасы и спускаемый модуль, который доставит их с орбиты на поверхность Титана. Корабль рассчитан на полет в один конец; он станет орбитальной станцией, поддерживающей колонию: его ядерный реактор будет запасным источником энергии для перезарядки батарей роботов и прочего оборудования.
Трое мужчин и три женщины пяти национальностей уже стали друзьями. Они годами тренировались вместе. Они знали, что вместе проведут всю оставшуюся жизнь, какой бы долгой она ни была. Они готовились обживать Титан, но их ждал полет на совершенно новом космическом корабле, по сути, не прошедшем испытаний, через миллионы километров, и рассчитывать на помощь с Земли не приходилось. Они оставляли позади свои семьи, родные места, яркое солнце Земли, ее теплый воздух и все, что было им знакомо.
И они не представляли, куда направляются. Они видели фотографии и данные, присланные роботами, но они не знали, каково будет там жить, смогут ли они выжить в холоде, тьме, в отсутствие атмосферного кислорода и жидкой воды. Им предстояло строить новые механизмы, чтобы сохранить себя. Им предстояло положиться на то, что их машины, их тела и их умы смогут работать в этом странном месте.
Они не испытывали страха. Отбытие с Земли должно было стать одним из величайших приключений человечества, и они были готовы почти ко всему. Кроме создания семей.
Они собирались строго придерживаться методов контроля рождаемости. То будущее, когда люди смогут размножаться и населять внеземную колонию, оставалось очень далеким.
Настоящее
Для относительно короткого путешествия на другую планету или на Титан астронавтам для сохранения здоровья не понадобится искусственное тяготение. Но оно, скорее всего, понадобится для того, чтобы рожать.
Исследования секса и воспроизводства в космосе едва начаты. Ученые, энтузиасты космоса и распространители порнографии одинаково сетуют на ханжество NASA. Спустя полвека космических полетов не опубликовано ничего, что бы описывало секс в космосе с научной точки зрения. Информированные источники в Космическом центре имени Джонсона сообщают, что он имел место, что и так очевидно, но никто не говорит об этом официально, и уж точно секс в космосе не изучали. Конечно, он возможен. Но зачатие, беременность и роды были бы сложны и рискованны. Мы все еще почти ничего не знаем о развитии ребенка в космосе. Воспроизводство человека может оказаться невозможным без полноценного земного тяготения.
Об этом вопросе имеется немало материалов в сети и книгах, полагающихся, однако, лишь на несколько старых исследований с животными и растениями, горстку баек от астронавтов и разнообразные спекуляции и пустословие. Проследив это эхо до его источников — что непросто в подобной области журналистики, где авторы склонны давать волю воображению, — мы не нашли оснований для каких-либо уверенных выводов насчет того, как ослабление тяготения влияет на воспроизводство человека и развитие детей. И тут есть о чем беспокоиться.
Эйприл Ронка изучала эти вопросы в NASA, пока администрация не прекратила финансирование ее работы после крушения «Колумбии» в 2003 г. В 2013 г., когда медицинские вопросы вновь вышли на первый план, она вернулась в Исследовательский центр Эймса; до этого она руководила Учебным центром женского здоровья Медицинской школы в Уэйк-Форест. Чтобы понять, как воспроизводство и развитие ребенка будут протекать в космосе, она исходит из своих знаний о ходе этих процессов на Земле.
Влияние среды на развитие мозга и тела может быть необратимым. Например, грызуны, выросшие в среде, лишенной горизонтальных и вертикальных линий, всю жизнь страдают расстройствами зрения. Куда более серьезные средовые отличия слабого тяготения или невесомости могут привести к кардинальному изменению развития ребенка.
«Я бы сказала, что женщине будет очень трудно родить в космосе», — говорит Ронка. Тяготение может оказаться необходимым для зачатия. Возможно неправильное прикрепление плаценты. Исследования на крысах показали, что невесомость препятствует возникновению родовых схваток. Но даже если все пройдет гладко, что будет происходить с плодом?
«Познакомившись с некоторыми исследованиями растений, вы увидите, что в условиях микрогравитации происходят морфологические изменения, — говорит Ронка. — Я не могу предположить, как будет выглядеть организм, мысленно проследив стадии эмбриогенеза и органогенеза. Каким образом обеспечивается нормальное развитие плода?»
Четверо американских астронавтов-мужчин сообщали об утрате интереса к сексу и снижении уровня тестостерона, но к этому могла привести занятая, напряженная жизнь на орбите, а выборка слишком мала для того, чтобы делать какие бы то ни было выводы. Смещение жидкостей в невесомости приводило к нежелательным и даже болезненным эрекциям у некоторых астронавтов, так что на МКС виагра не нужна. Трудности половых отношений в невесомости обсуждались десятилетиями. В отсутствие тяготения сложно приложить усилие, необходимое для проникновения и движения. В 2006 г. малоизвестная актриса и писательница-фантаст по имени Ванна Бонта изобрела костюм, решающий эту проблему, скрепляя астронавтов друг с другом с помощью липучек. Эта идея обеспечила ей бесплатную рекламу и поныне живет в качестве популярного мема.
Для секса требуется только трение, это простая механическая задача. Но зачатие человека никогда не происходило за пределами земной среды с ее низким уровнем радиации и нормальным тяготением. Исследователи считают, что радиация и невесомость дальнего космического полета могут приводить ко временному мужскому (и, возможно, женскому) бесплодию. Не похоже, чтобы оно было необратимым. Последующих исследований не проводилось, но и у мужчин, и у женщин-астронавтов после полетов в космос рождались здоровые дети.
Подобно многим сложным биологическим процессам, воспроизводство опирается на тяготение. Эксперименты в Монреальском университете показали, что ослабление тяжести влияет на воспроизводство растений. Китайские ученые обнаружили, что слабое тяготение и радиация вредны для мышиной спермы. В 1980-х и 1990-х гг. российские и американские ученые исследовали воспроизводство рыб и различных животных в космосе. Рыбы справлялись успешно, крысиные же эмбрионы демонстрировали сниженную минерализацию костей и усыхание желудочков сердца. Поведение крыс, рожденных в космосе, было аномальным. Ни одно более развитое животное пока что не было зачато и рождено в космосе.
Вряд ли люди когда-либо предпримут попытку воспроизводства в невесомости. Даже если это окажется возможным, нет причин идти на огромный риск, на затраты по созданию и обслуживанию помещения для проведения кесарева сечения в невесомости, поскольку естественные роды вряд ли пройдут успешно. Например, говорит Ронка, для выведения жидкости из легких новорожденного понадобится технология, которую никто пока и не думал изобретать. Без искусственной тяжести женщина, забеременевшая на орбите, должна как можно скорее вернуться на Землю. В долговременных миссиях нужны надежные средства предохранения и возможность проведения абортов.
Но для создания колонии нам будут нужны дети. К сожалению, исследовать зачатие, роды и развитие детей в условиях слабого тяготения еще труднее, чем исследовать воспроизводство в невесомости. Исследование невозможно из-за отсутствия центрифуги на МКС, так как на Земле создать ослабленное тяготение нельзя. Ронка и ее коллеги изучают вопросы развития животных при повышенном тяготении с помощью центрифуг. Реакция тела на тяготение, по-видимому, пропорциональна отклонению от нормального тяготения, и они надеются, что эту кривую можно экстраполировать на область значений тяготения ниже 1 g. Но возможно существование пороговых уровней, о которых мы не знаем, после которых реакция организма на изменения тяготения существенно меняется.
Высказываются различные предположения относительно того, как будет протекать развитие детей при более слабом тяготении. В опытах 1990-х гг. обнаружилось, что крысы не в силах выкормить свой помет; крысята выжили только благодаря вмешательству астронавтов. Эти эксперименты длились недостаточно долго, и мы ничего не узнали о развитии детенышей. Кости задают наш размер, а расположение клеток костной ткани определяется нагрузкой. Более слабое тяготение — это снижение нагрузки, определяющей взаимное расположение клеток, способное приводить к формированию костей неправильной формы, возможно, укороченных или удлиненных. Определенно, дети будут слабее, так как сила наших мышц на Земле также развивается благодаря сопротивлению тяготению, в том числе и сила нашего сердца.
«Мы не знаем, будет ли вообще достигнут момент формирования удлиненных костей, — говорит Ронка, потому что ослабление тяготения может препятствовать развитию на более ранних этапах. — Только подумайте, сколько всего может пойти не так, это уму непостижимо. Если дело дойдет до раннего постнатального развития, то, вероятно, все будет идти в правильном направлении, и мы увидим влияние тяготения на формирование костей. Будут они короче или длиннее — этого я не знаю. Я думаю, они определенно будут слабее. И думаю, что при смещении жидкостей к голове может развиться мозг иной формы».
Но человеческие существа способны компенсировать большие физические отличия. Делая магистерскую работу, Эйприл изучала детей, рожденных без одного из полушарий мозга, и взрослых, живущих нормальной жизнью после утраты значительных частей головного мозга.
Возможно, дети, растущие при низком тяготении, будут здоровыми, оставаясь в нем. Об этом говорили многие авторы, хотя для такого заключения нет никаких научных оснований. Но эти дети, вероятно, не смогут вернуться на Землю, в среду с нормальным тяготением. У них будут слишком слабые кости и сердце. Сегодняшние астронавты избегают истончения костной и мышечной ткани, соблюдая жесткий режим тренировок, и восстанавливают форму по возвращении на Землю. Вероятно, космических детей можно будет подготавливать к поездкам на Землю, но, скорее всего, нет, поскольку их тела сформировались в среде со слабым тяготением.
Зачатию и вынашиванию можно способствовать технологически. Уже сегодня секс не обязателен для зачатия. Беременность может протекать при искусственной тяжести. Женщина может провести девять месяцев на вращающейся космической станции или в центрифуге на поверхности другой планеты. Если вы считаете, что беременность — это весело и легко, вообразите себе беременность в центрифуге!
Но даже если все получится, само решение завести ребенка будет чрезвычайно ответственным — даже более ответственным, чем решение иметь детей сегодня. Дети космических путешественников вряд ли будут способны посетить Землю. С появлением детей у космической колонии не останется выбора: она должна будет стать постоянной и автономной.
