на чем долететь до звезд
Как долететь до ближайших к нам звезд?
В научно-фантастических произведениях много людей рассуждали в свое время на тему отправки космических кораблей с колонистами и распространении семян человечества среди звезд. Открытие новых миров, превращение человечества в межзвездный вид и, возможно, даже обнаружение внеземных цивилизаций — все эти наши мечты о путешествиях за пределами Солнечной системы пока остаются фантазиями, и вероятно, не станут реальностью в ближайшее время.
На протяжении десятилетий ученые размышляли о том, как именно человечество сможет достигнуть такой амбициозной цели. Каждая из придуманных концепций, сформулированных учеными имеет массу плюсов и минусов. Эти плюсы и минусы были проанализированы в недавнем исследовании Мартина Брэддока, члена Мансфилдского и Саттонского астрономического общества, члена Королевского общества биологии и члена Королевского астрономического общества.
Исследование доктора Брэддока
Исследование, озаглавленное « Концепции глубокого космического путешествия: от декартовых приводов и гибернации к мировым кораблям и криогенным веществам», недавно появилось в научном журнале «Современные тенденции в биомедицинской инженерии и биологических науках» (издание Juniper Journals). Как указывает Брэддок в своем исследовании, вопрос о том, как люди могут исследовать соседние звездные системы, стал более актуальным в последние годы благодаря открытиям экзопланет.
Список некоторых недавно обнаруженных потенциально обитаемых экзопланет. Источник: hpcf.upr.edu
Существует множество предложенных теоретических способов перемещения между нашей Солнечной системой и другими звездами в галактике. Тем не менее помимо технологий и времени, которые для этого потребуются, существуют также биологические и психологические последствия для человеческих экипажей, и их нужно будет заблаговременно принять во внимание.
В своем исследовании доктор Брэддок рассматривает пять основных способов осуществления миссий в другие звездные системы. К ним относятся сверхсветовые (FTL) путешествия, режим гибернации (спящий режим), режим замедленного старения (так называемое антивозрастное проектирование), огромные корабли, способные поддерживать несколько поколений путешественников, а также использование технологии криогенного замораживания.
Концепция космического корабля с использованием WARP привода. Источник: НАСА.
Быстрее скорости света
Путешествия со скоростями, превышающими скорость света (FTL) имеют очевидные преимущества. Но пока они остаются полностью теоретическими, есть лишь понятия, которые исследуются сегодня. Концепция FTL, известная как Alcubierre Warp Drive, в настоящее время исследуется несколькими организациями, в число которых входят Фонд Tau Zero и Лаборатория физики Eagleworks из Космического центра NASA.
Если кратко, такой метод космических путешествий использует изменение геометрии ткани пространства-времени, которое (теоретически) заставит пространство перед кораблем сжиматься и за ним расширяться. При этом корабль будет перемещаться как бы внутри некого объекта, известного как «Warp — пузырь» через пространство. Так как корабль не перемещается внутри пузыря, а переносится вдоль самого пространства, обычные релятивистские эффекты, такие как временные сдвиги, к нему будут не применимы.
Как указывает доктор Брэддок, преимущества такой двигательной системы заключаются в возможности реализации «неоспоримого» путешествия на скоростях, превышающих скорости света без нарушения законов физики. Кроме того, корабль, путешествующий в «пузыре», не должен был бы беспокоиться о столкновении с космическим мусором, и у него не было бы верхнего предела максимально достижимой скорости. К сожалению, недостатки этого метода путешествий тоже весьма очевидны.
Они включают в себя тот факт, что в настоящее время нет известных способов создания Warp — пузыря в области пространства, которая нам нужна. Кроме того, для создания такого эффекта потребуются чрезвычайно высокие энергии, и неизвестно, как корабль сможет выйти из «пузыря» после того, как туда попадет. Короче говоря, FTL является на данный момент чисто теоретической концепцией, и нет никаких признаков того, что она перейдет из области теории к практике в ближайшем будущем.
Гибернация
Наиболее правдоподобные концепции межзвездного космического путешествия вряд ли рассчитывают на достижение скоростей, имеющих значения более чем десять процентов от скорости света — около
388 500 000 км /ч. Это, конечно очень высокое значение, учитывая, что самой быстрой миссией на сегодняшний день была миссия Helios 2, которая достигла максимальной скорости более 240 000 км / ч. Тем не менее, эти скорости вполне реалистичны для достижения в рамках современных технологий.
В случае использования метода гибернации преимущества (и недостатки) являются более понятными. Нужно отметить, что такая технология вполне реализуема, и в настоящее время широко изучается ее физика в коротких временных интервалах как в отношении людей, так и животных. В последнем случае естественные циклы гибернации являются наиболее убедительным доказательством того, что спячка может длиться месяцами без каких либо инцидентов.
Однако недостатки есть и здесь. Например, существуют риски атрофии тканей в результате продолжительных периодов времени, проведенных в условиях микрогравитации. Это может быть смягчено искусственной гравитацией или другими средствами (такими как электростимуляция мышц), но необходимы значительные клинические исследования, прежде чем это можно было бы применять. Такие исследования вызовут целый ряд проблем, связанных с этикой, поскольку такие тесты будут представлять собой некоторые риски.
Отложенное старение
Стратегия отложенного старения (SENS) — еще один способ, предлагающий людям возможность противостоять эффектам длительных космических полетов путем изменения процесса старения. В дополнение к тому, что этот метод позволить одному и тому же поколению, которое садилось на корабль, добраться до места назначения, этот метод также может помочь в развитии исследований терапии стволовыми клетками здесь, на Земле.
Однако в контексте длительных космических полетов для обеспечения полного омоложения, вероятно, потребуется многократное лечение (или непрерывное в течение всего процесса перелета). Значительный объем исследований также потребуется выполнить заблаговременно, чтобы проверить эффективность процесс и рассмотреть отдельные компоненты старения, что еще раз приведет к ряду этических проблем.
Огромные межзвездные корабли
Корабли — обители могут использоваться как автономные самоходные космические станции, достаточно большие для размещения нескольких поколений космических путешественников. Эти корабли будут полагаться на обычное движение и, следовательно, будут способны через столетия (или тысячелетия) достичь другой звездной системы. Очевидные преимущества такой концепции заключаются в том, что она выполнит две основные задачи исследования космоса — поддержание человеческой популяции в космосе и заселение потенциально пригодных для жизни экзопланет.
Кроме того, такой корабль будет опираться на концепции движения, которые в настоящее время возможны, а экипаж из тысяч человек умножит шансы на успешную колонизацию другой планеты. Конечно, затраты на строительство и поддержание таких крупных космических кораблей были бы непомерно высокими. Есть также моральные и этические проблемы отправки человеческих экипажей в глубокие пространства в течение столь длительного периода времени.
Например, есть ли какая-то гарантия того, что экипаж не сойдет с ума и не убьет друг друга? И, наконец, если новые, более совершенные корабли появятся на Земле за время перелета? Это означает, что более быстрый корабль, который позже покинет Землю, сможет обогнать корабль — обитель, прежде чем он достигнет другой звездной системы. Зачем тратить столько денег на корабль, который скорее всего, устареет, прежде чем доберется до места назначения?
Концепция корабля с несколькими поколениями, разработанная командой TU Delft Starship Team (DSTART) при поддержке ESA. Авторское право: Нильс Фабер и Анджело Вермелен
Криогенная заморозка
Наконец, существует криогеника, концепция, которая широко изучалась в последние несколько десятилетий как возможное средство расширения качества жизни и для космических путешествий. Во многих отношениях эта концепция является продолжением технологии гибернации, но выигрывает от ряда недавних достижений. Непосредственным преимуществом этого метода является то, что он учитывает все существующие ограничения, налагаемые технологиями и релятивистской Вселенной.
В принципе, не имеет значения, возможны ли FTL (или скорости выше 0,10 с) или как долго будет проходить рейс, так как экипаж будет спать и прекрасно сохраниться все это время. Кроме того, мы уже знаем, что технология работает, о чем свидетельствуют недавние открытия, показавшие, что ткани органов и даже целые организмы нагревались и оживали после глубокой криогенной заморозки.
Однако риски здесь даже больше, чем в случае с гибернацией. Например, долгосрочные эффекты от криогенного замораживания на физиологию и центральную нервную систему животных и людей пока не известны. Это означает, что перед тем, как кто-то когда-либо предпримет такие попытки, потребуются обширные испытания, в том числе испытания на людях, что снова вызовет ряд этических проблем.
Наверняка существует много неизвестных способов, связанных со всеми потенциальными методами межзвездных путешествий. Необходимо произвести гораздо больше исследований и разработок, прежде чем мы сможем с уверенностью сказать, какой из них является наиболее возможным. Доктор Брэддок признает, что гораздо более вероятно то, что в любых межзвездных путешествиях будут задействованы роботизированные исследователи, использующие технологию телеприсутствия, чтобы показать нам другие миры.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сквозь пространство и время. На чём и когда мы полетим к звёздам
Перед нами расстояния, которые даже свет преодолевает долгие годы. Ясно, что на тех ракетах, которые есть сейчас, далеко не улетишь. Уже придумано с десяток вариантов двигателей будущего. Интересно посмотреть, какие из них реально сделать.
Стадия разработки: протестирован в NASA, Техническом университете Дрездена и Китайской академии наук
Конструкция кажется до смешного простой: берём металлическое ведро и кладём внутрь магнетрон (который в любой микроволновке есть), а потом — накрываем крышкой наглухо, то есть запаиваем. Включаем «микроволновку» и получаем следующее: электромагнитное излучение создаёт определённое давление, и под крышкой оно больше, чем на дне. За счёт этого создаётся тяга, направленная к дну. Правда, у экспериментальной модели она ничтожна — 20 микроньютонов. На Земле этого не хватит, даже чтобы с места сдвинуться. Зато есть явное преимущество — топлива не нужно. Вообще. К тому же в космосе, уверены разработчики, даже с такой малой мощностью можно за десять лет разогнаться до скорости несколько километров в секунду и пролететь 3,5 миллиарда километров. Вот только в космических масштабах это всё равно означает ползти медленнее улитки: до самой-самой ближайшей звезды (не считая Солнца, конечно) Проксимы Центавра — 4 световых года, а каждый световой год это 9 тысяч миллиардов километров.
Стадия разработки: 1998 — запуск зонда «Дип Спейс-1» (двигатель работал 678 суток), 2003-й — запуск зондов «Хаябуса», «СМАРТ-1»
Тут нужен ксенон или какой-то другой инертный газ. Электрический ток выбивает из его атомов электроны — получаются ионы, которые приобретают просто фантастическое ускорение: до 200 километров в секунду. Это в 50 раз больше, чем скорость, с какой несётся раскалённый газ из нынешних ракет. Притом он может беспрерывно работать три года подряд.
Стадия разработки: проект VASIMR, в космосе ещё не испытан
Похож на ионный, только в десятки раз мощнее. Ионизированный газ нагревают до нескольких миллионов градусов, и он переходит в состояние плазмы, которая выбрасывается через сопло. Такой двигатель подумывают установить на корабле для пилотируемых полётов на Марс. Путь тогда займёт всего 39 дней. Но до звёзд ни он, ни его младший брат нас не довезут: слишком немыслимое количество топлива потребуется, да и до приземления на экзопланете в таком корабле явно не доживём.
Стадия разработки: рабочих образцов нет
Ему тоже топливо не нужно, он будет брать его прямо из космоса — собирать водород (а его там хватает), нагревать до того состояния, когда атомы начнут термоядерный синтез, то есть до миллионов градусов, и получать таким образом энергию. Скорость движения, по расчётам, получается просто невероятная — за 11 лет можно преодолеть 400 световых лет и добраться до созвездия Плеяд, а за 23 года — вообще до соседней галактики Андромеды. И вся беда в том, что нужна особая, протон-протонная термоядерная реакция, а её получить пока не удаётся.
Двигатель на антиматерии
Стадия разработки: теория, в 2010-м — успешное получение антивещества
Значит, так: бывают электроны, а бывают — позитроны. Это электроны наоборот, потому что у них положительный заряд, а не отрицательный. И бывают такие же неправильные протоны — антипротоны. Всё это и есть антивещество. Физики подсчитали, что с помощью каких-то четырёх миллиграммов такой материи можно за несколько недель долететь до Марса, а 17 граммов хватит до альфы Центавра. Прикол в том, что при её взаимодействии с веществом — самым обыкновенным — они друг друга уничтожают, и при этом происходит выброс просто колоссальной энергии. Килограмм антивещества плюс килограмм обычного равно Царь-бомба, а ведь она у нас, землян, самая жуткая из всех водородных. Остался лишь один маленький вопрос — как это сокровище достать. В обозримой Вселенной его пока не нашли. Пытаются сделать сами. Первую античастицу синтезировали ещё в 1965 году. Теперь задача — их поймать в специальную ловушку и добиться, чтобы они там как можно дольше держались в своём антисостоянии. Пока получается негусто: в 2011 году 309 антипротонов «прожили» 1000 секунд.
Стадия разработки: техзадание от «Роскосмоса» на экспериментальную проверку
Если говорить об изобретении российского учёного Владимира Леонова, так его нынче обзывают «гравицапой» и вообще ругают на чём свет стоит. А ведь в 2014 году свою экспериментальную модель её создатель показал Российской академии наук, и там её признали вполне работоспособной. Тогда 54-килограммовый двигатель дал тягу, способную поднять и унести в космос до 700 килограммов, потребляя при этом всего киловатт электроэнергии. Штука, правда, очень сложная. Например, для неё нужен реактор холодного ядерного синтеза (а это вещь пока ещё гипотетическая), а главное — нулевой элемент, который ещё Менделеев в своё время включил в свою периодическую систему и который в наши дни наука не признаёт. Леонов настаивает, что он существует и из него состоит невидимая материя («квантовое пространство-время»). А если научиться с ним обращаться, то можно получить антигравитацию, которая донесёт нас до Марса за 42 часа. Весной 2019 года в «Роскосмосе» согласились позволить Леонову показать, как это работает, и доказать, что на этом можно полететь в далёкий космос.
Стадия разработки: теория
Можно сказать, идеи Леонова похожи на то, что придумал другой учёный — мексиканский физик Мигель Алькубьерре. Однажды в 90-е он насмотрелся Star Trek и после целой ночи вычислений пришёл к выводу, что ничего невозможного в «Энтерпрайзе» нет. Надо всего-то деформировать пространство вокруг корабля. И как? А так: просто свести его с ума, опять-таки с помощью антигравитации. Только для этого понадобился не нулевой элемент, а нечто ещё более невообразимое — экзотическая материя. Где её взять, мы не знаем, зато знаем, что у неё давление меньше, чем в вакууме. Отрицательное. Скажете, так не бывает? Оказывается, бывает. Вакуум-то не пустой, как выяснилось, он кишит квантовыми частицами, которые тоже создают давление. И если очень, прямо совсем близко поставить две микроскопические пластины, то между ними этих частиц будет болтаться меньше, чем вокруг. Вот и получится, что там — отрицательное давление. Этот эксперимент в 1948 году провёл голландский физик Хендрик Казимир, так что теперь удивительный эффект носит его имя.
Так вот, насчёт Алькубьерре. Его мысль такая: окружить космический корабль большим экзотическим кольцом. И тогда безумная материя, взаимодействуя с нормальной, начнёт создавать антигравитацию и искривит пространство: впереди оно будет сжиматься, а позади расширяться. Будет такой тоннель, в котором наш «Энтерпрайз», сам никуда не двигаясь, сможет перемещаться быстрее света, а через две недели будет у ближайшей к Солнцу звезды.
То есть найдём экзотики не в микроскопических, а в нормальных масштабах — и полетим.
Сколько займет путешествие до ближайшей звезды?
Объекты глубокого космоса > Звезды > Сколько займет путешествие до ближайшей звезды?
Современное человечество тратит усилия на освоения родной Солнечной системы. Но сможем ли мы отправиться на разведку к соседней звезде? И сколько времени займет путешествие до ближайшей звезды? На это можно ответить очень просто или же углубиться в область научной фантастики.
Если говорить с позиции сегодняшних технологий, то реальные цифры отпугнут энтузиастов и мечтателей. Давайте не будем забывать, что космические дистанции невероятно огромные, а наши ресурсы все еще ограничены.
Ближайшая звезда к планете Земля – Солнце. Это средний представитель главной последовательности. Но вокруг нас сосредоточено множество соседей, так что уже сейчас можно создать целую карту маршрутов. Вот только, как долго туда добираться?
Какая звезда является ближайшей
Ближе всего к Земле расположена звезда Проксима Центавра, так что пока следует строить свои расчеты на основе ее характеристик. Входит в состав тройной системы Альфа Центавра и отдалена от нас на расстояние 4.24 световых лет. Это изолированный красный карлик, расположенный в 0.13 световых лет от двойной звезды.
Вид на Проксиму Центавра с поверхности потенциальной экзопланеты. Иллюстрация глазами художника
Как только всплывает тема межзвездных путешествий, все тут же вспоминают о скорости деформации и прыжках в червоточины. Но все они либо пока недостижимы, либо абсолютно невозможны. К сожалению, на любую дальнюю миссию уйдет не одно поколение. Начнем разбор с самых медленных способов.
Сколько займет путешествие до ближайшей звезды сегодня
Легко делать расчет на основе уже имеющейся техники и пределах нашей системы. Например, миссия «Новые Горизонты» использовала 16 двигателей, функционирующих на гидразиновом монотопливе. Чтобы добраться до Луны, потребовалось 8 часов 35 минут. А вот миссия SMART-1 основывалась на ионных двигателях и добиралась к земному спутнику 13 месяцев и две недели.
Значит, у нас есть несколько вариантов транспортного средства. К тому же можно использовать Юпитер или Сатурн в качестве гигантской гравитационной рогатки. Но если мы планируем отправиться так далеко, нужно проверить все возможные варианты.
Сейчас мы говорим не только о существующих технологиях, но и о тех, которые в теории можно создать. Некоторые из них уже проверены на миссиях, а другие пока только оформлены в виде чертежей.
Это наиболее медленный способ, зато экономичный. Еще несколько десятков лет назад ионный двигатель считался фантастическим. Но сейчас его используют во многих аппаратах. Например, миссия SMART-1 с его помощью добралась к Луне. В этом случае использовался вариант с солнечными батареями. Таким образом, он потратил всего 82 кг ксенонового топлива. Здесь мы выигрываем по эффективности, но точно не в скоростях.
Художественное представление миссии Dawn к Церере. Корабль повернут, чтобы продемонстрировать голубое свечение ионного двигателя
Впервые ионным двигателем воспользовались для Deep Space 1, летевшего к комете 19P/Борелли (1998 год). Аппарат использовал тот же тип двигателя, что и SMART-1, потратив всего 81.5 кг пропеллента. За 20 месяцев путешествия ему удалось разогнаться до 56000 км/ч.
Ионный тип считается намного экономичным, чем ракетные технологии, потому что тяга на единицу массы взрывчатого вещества намного выше. Но на ускорение уходит много времени. Если бы их планировали использовать для поездки от Земли к Проксима Центавра, то понадобилось бы очень много ракетного топлива. Хотя можно взять за основу предыдущие показатели. Итак, если аппарат будет двигаться на скорости в 56000 км/ч, то дистанцию в 4.24 световых года он преодолеет за 2700 человеческих поколений. Так что вряд ли его используют для пилотируемой полетной миссии.
Ионный двигатель: проигрывает по скорости, но выигрывает с точки зрения экономии
Конечно, если заправить его огромным количеством топлива, то можно увеличить скорость. Но время прибытия все равно займет стандартную человеческую жизнь.
Это популярный метод, так как позволяет использовать орбиту и планетарную гравитацию, чтобы изменить маршрут и скорость. Им часто пользуются для путешествий к газовым гигантам, чтобы увеличить скорость. Впервые это попробовал Маринер-10. Он полагался на гравитацию Венеры, чтобы достичь Меркурия (февраль 1974 год). В 80-е Вояджер-1 использовал спутники Сатурна и Юпитера, чтобы разогнаться до 60000 км/ч и перейти в межзвездное пространство.
Но рекордсменом по скорости, добытой при помощи силы тяжести, стала миссия Гелиос-2, отправившаяся на изучение межпланетной среды в 1976 году.
Зонд Гелиос готовится к запуску
Из-за большого эксцентриситета 190-дневной орбиты, аппарат смог разогнаться до 240000 км/ч. Для этого использовалась исключительно солнечная гравитация.
Что ж, если мы отправим Вояджер-1 на скорости в 60000 км/ч, то придется ждать 76000 лет. У Гелиос-2 на это ушло бы 19000 лет. Это быстрее, но недостаточно.
Есть еще один способ – радиочастотный резонансный двигатель (EmDrive), предложенный Роджером Шавиром в 2001 году. Он базируется на том, что электромагнитные микроволновые резонаторы могут позволить преобразить электрическую энергию в тягу.
Если обычные электромагнитные двигатели предназначены для движений конкретного типа массы, то этот не использует реакционную массу и не вырабатывает направленного излучения. Этот вид был встречен с огромной долей скептицизма, потому что нарушает закон сохранения импульса: система импульса внутри системы остается постоянной и изменяется только под действием силы.
Прототип EmDrive, созданный НАСА
Но недавние эксперименты потихоньку переманивают к себе сторонников. В апреле 2015 года исследователи заявили, что успешно протестировали диск в вакууме (значит, может функционировать в космосе). В июле они уже построили свою версию двигателя и выявили заметную тягу.
В 2010 году за серию статей принялась Хуан Ян. Она закончила финальной работой в 2012 году, где сообщила о более высокой входной мощности (2.5 кВт) и испытанных условиях тяги (720 мН). В 2014 году она также добавила некие подробности об использовании внутренних температурных изменений, подтвердивших работоспособность системы.
Межзвездный корабль, оснащенный EмDrive
Если верить расчетам, аппарат с таким двигателем, может долететь к Плутону за 18 месяцев. Это важные результаты, ведь отображают 1/6 времени, которое потратил Новые Горизонты. Звучит неплохо, но даже в этом случае для путешествия к Проксима Центавра придется потратить 13000 лет. Тем более, что у нас все еще нет 100% уверенности в ее эффективности, поэтому нет смысла садиться за разработку.
Вот уже несколько десятков лет НАСА исследует ядерные двигатели. В реакторах используют уран или дейтерий, чтобы нагреть жидкий водород, трансформируя его в ионизированный водородный газ (плазма). Затем его отправляют через сопло ракеты для формирования тяги.
Экипажное транспортное средство, функционирующее на ядерном двигателе возле орбиты Марса
Если сравнивать с химическими двигателями, то получаем ряд преимуществ. Начнем с неограниченной плотности энергии. Кроме того, гарантируется более высокая тяга. Это снизило бы уровень потребления топлива, а значит, уменьшило бы массу запуска и стоимость миссий.
Пока не было еще ни одного запущенного ядерно-теплового двигателя. Но существует множество концепций. Они начинаются с традиционных твердых конструкций до основанных на жидком или газовом ядре. Несмотря на все эти преимущества, наиболее сложная концепция достигает максимального удельного импульса в 5000 секунд. Если использовать подобный двигатель для поездки на Марс, когда планета находится в 55000000 км (позиция «противостояния»), то на это уйдет 90 дней.
Но, если мы направим его к Проксима Центавра, то понадобятся столетия для разгона, чтобы перешел на скорость света. После этого ушло бы несколько десятков лет на поездку и еще столетия на замедление. В целом, срок сокращается до тысячи лет. Прекрасно для межпланетных поездок, но все еще не годится для межзвездных.
Наверное, вы уже поняли, что современные технологии довольно медленные для преодоления таких длинных дистанций. Если мы хотим выполнить подобное за одно поколение, то нужно придумать нечто прорывное. И если червоточины все еще пылятся на страничках фантастических книг, то мы располагаем несколькими реальными идеями.
Ядерное импульсное движение
Этой идеей занимался Станислав Улам еще в 1946 году. Проект стартовал в 1958 году и продолжался до 1963 года под названием Орион.
Проект Орион для атомного космического корабля
В Орионе планировали использовать мощь импульсивных ядерных взрывов для создания сильного толчка с высоким удельным импульсом. То есть, мы имеет крупный космический корабль с огромнейшим запасом термоядерных боеголовок. Во время сбрасывания, мы используем детонационную волну на задней площадке («толкатель»). После каждого взрыва подушка толкателя поглощает силу и переводит тягу в импульс.
Естественно, в современном мире метод лишен изящества, но зато гарантирует необходимый импульс. По предварительным оценкам, в таком случае можно достичь 5% от скорости света (5.4 х 10 7 км/ч). Но конструкция страдает от недостатков. Начнем с того, что такой корабль обойдется очень дорого, да и весил бы он 400000-4000000 тонн. Причем ¾ веса представлено ядерными бомбами (каждая из них достигает 1 метрической тонны).
Художественная интерпретация корабля Орион, покидающего Землю
Общая стоимость запуска выросла бы на те времена до 367 миллиардов долларов (на сегодняшние – 2.5 триллионов долларов). Есть также и проблема с создаваемым излучением и ядерными отходами. Полагают, что именно из-за этого проект остановили в 1963 году.
Здесь используют термоядерные реакции, за счет которых создается тяга. Энергия производится, когда гранулы дейтерия/гелия-3 зажигаются в реакционном отсеке через инерционное удержание с использованием электронных лучей. Такой реактор будет детонировать 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму.
В такой разработке экономится топливо и создается особый импульс. Достижимая скорость – 10600 км (значительно быстрее стандартных ракет). В последнее время этой технологией интересуется все больше людей.
Концепция корабля Дедал – двухступенчатая ракета, способная достичь 12% скорости света
В 1973-1978 гг. Британское межпланетное общество создало технико-экономическое исследование – проект Дедал. Он основывался на современных знаниях технологии слияния и наличия двухступенчатого беспилотного зонда, который смог бы добраться к звезде Барнарда (5.9 световых лет) за одну жизнь.
Первый этап проработает 2.05 лет и разгонит корабль до 7.1% скорости света. Потом его сбросят и запустится двигатель, увеличив скорость до 12% за 1.8 лет. После этого двигатель второй ступени остановится и судно будет добираться 46 лет.
В целом, к звезде корабль доберется за 50 лет. Если направить его к Проксима Центавра, то время сократится до 36 лет. Но и эта технология столкнулась с препятствиями. Начнем с того, что гелий-3 придется добывать на Луне. А реакция, которая активирует движение космического корабля, требует, чтобы выделяемая энергия превышала энергию, которую используют для запуска. И хотя тестирование прошло хорошо, у нас все еще нет необходимого вида энергии, который смог бы подпитать межзвездный космический корабль.
Корабль Дедал рядом с ракетой Сатурн-V
Ну и не будем забывать о деньгах. Один запуск ракеты весом в 30 мегатонн обходится НАСА в 5 миллиардов долларов. Так вот проект Дедал весил бы 60000 мегатонн. Кроме того, понадобится новый вид термоядерного реактора, которые также не вписывается в бюджет.
Эту идею предложил Роберт Буссард в 1960 году. Можно считать это улучшенной формой ядерного слияния. В нем используют магнитные поля для сжатия водородного топлива до момента активации слияния. Но здесь создается огромная электромагнитная воронка, которая «вырывает» водород из межзвездной среды и сбрасывает в реактор как топливо.
Концепция механизма, работающем на водороде из межзвездной среды
Корабль будет набирать скорость, и заставит сжатое магнитное поле достигнуть процесса термоядерного синтеза. После оно перенаправит энергию в виде выхлопных газов через форсунку двигателя и ускорит движение. Без использования другого топлива можно достичь 4% от скорости света и отправляться в любую точку галактики.
Но у этой схемы огромная куча недостатков. Сразу же возникает проблема сопротивления. Кораблю необходимо увеличивать скорость, чтобы накопить топливо. Но он сталкивается с огромным количеством водорода, поэтому может замедлиться, особенно попав в плотные регионы. К тому же в космосе очень сложно найти дейтерий и тритий. Зато эту концепцию часто используют в фантастике. Наиболее популярный пример – «Звездный Путь».
В целях экономии уже очень давно применяют солнечные паруса для передвижений аппаратов по Солнечной системе. Они легкие и дешевые, к тому же не требуют топлива. Парус использует радиационное давление от звезд.
Аппарат IKAROS с солнечным парусом
Но, чтобы использовать подобную конструкцию для межзвездной поездки, необходимо управлять им сфокусированными энергетическими лучами (лазеры и микроволны). Только так его можно разогнать к отметке близкой к скорости света. Эту концепцию разработал Роберт Форд в 1984 году.
Суть в том, что все преимущества солнечного паруса сохраняются. И хотя лазеру потребуется время на ускорение, но ограничение состоит лишь в скорости света. Исследование 2000-го года показало, что лазерный парус может разгоняться до половины скорости света и тратит на это меньше 10 лет. Если размер паруса будет 320 км, то он доберется до точки назначения за 12 лет. А если увеличить его до 954 км, то за 9 лет.
Но для его производства необходимо использовать передовые композиты, чтобы избежать плавления. Не забывайте, что он должен достигать огромных размеров, поэтому цена будет большой. К тому же придется потратиться на создание мощного лазера, который смог бы обеспечить управление на таких больших скоростях. Лазер потребляет постоянный ток в 17000 теравватт. Чтобы вы понимали, это то количество энергии, которое за один день потребляет вся планета.
Это материал, представленный античастицами, которые достигают той же массы, что и обычные, но обладают противоположным зарядом. Такой механизм будет использовать взаимодействие между материей и антиматерией, чтобы сгенерировать энергию и создать тягу.
Космический корабль с антиматерией для марсианской миссии
В общем, в таком двигателе задействованы частицы водорода и антиводорода. Причем в подобной реакции освобождается столько же энергии, как и в термоядерной бомбе, а также волна субатомных частиц, перемещающихся на 1/3 скорости света.
Плюс этой технологии в том, что большая часть массы преобразуется в энергию, что позволит создать более высокую плотность энергии и удельный импульс. В итоге, мы получим наиболее быстрый и экономичный космический корабль. Если у обычной ракеты уходит тонны химического топлива, то двигатель с антивеществом расходует на те же действия всего несколько миллиграммов. Такая технологии станет прекрасным вариантом для поездки на Марс, но ее нельзя применить к другой звезде, потому что количество топлива растет в геометрической прогрессии (вместе с затратами).
Так будут выглядеть материя и антиматерия в процессе взаимного уничтожения
Для двухступенчатой ракеты с антивеществом потребуется 900000 тонн топлива для 40-летнего полета. Сложность в том, что для добычи 1 грамма антивещества понадобится 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более триллиона долларов. Сейчас мы располагаем лишь 20 нанограммами. Зато такое судно способно разгоняться до половины скорости света и долететь до звезды Проксима Центавра в созвездии Центавра за 8 лет. Но весит оно 400 Мт и тратит 170 тонн антиматерии.
В качестве решения проблемы предложили разработку «Вакуум антиматериальной ракетной межзвездной исследовательской системы». Здесь можно было бы использовать крупные лазеры, создающие частицы антивещества при выстреле в пустом пространстве.
Концепция «Вакуум антиматериальной ракетной межзвездной исследовательской системы»
Идея также основана на использовании топлива из пространства. Но снова возникает момент дороговизны. К тому же, человечество просто не может создать такое количество антиматерии. Есть также риск радиации, ведь аннигиляция вещества-антивещества может создать взрывы высокоэнергетических гамма-лучей. Потребуется не только защитить экипаж специальными экранами, но и оборудовать двигатели. Поэтому средство уступает по практичности.
В 1994 году ее предложил мексиканский физик Мигель Алькубьерре. Он хотел создать средство, которое не нарушало бы специальную теорию относительности. Он предлагает растягивание ткани пространства-времени в волне. Теоретически это приведет к тому, что дистанция впереди объекта сократится, а сзади расширится.
Корабль, попавший внутрь волны, сможет передвигаться за пределами релятивистких скоростей. Сам корабль в «пузыре деформации» двигаться не будет, поэтому правила пространства-времени не применимы.
Теоретический межзвездный корабль
Если говорить о скорости, то это «быстрее света», но в том смысле, что корабль достигнет назначения быстрее, чем луч света, вышедший за пределы пузыря. Расчеты показывают, что он прибудет к месту назначения за 4 года. Если размышлять в теории, то это наиболее быстрый метод.
Но эта схема не учитывает квантовую механику и технически аннулируется Теорией всего. Расчеты количества необходимой энергии также показывали, что потребуется чрезвычайно огромная мощность. И это мы еще не коснулись тем безопасности.
Однако, в 2012 году были разговоры о том, что этот метод тестируется. Ученые утверждали, что построили интерферометр, который сможет найти искажения в пространстве. В 2013 году в Лаборатории реактивного движения проводили эксперимент в условиях вакуума. В выводе результаты показались неубедительными. Если углубиться, то можно понять, что эта схема нарушает один или несколько фундаментальных законов природы.
Что же из этого следует? Если вы надеялись совершить вояж на звезду туда и обратно, то шансы невероятно низкие. Но, если бы человечество решилось построить космический ковчег и отправить людей в вековое путешествие, то все возможно. Конечно, пока это лишь разговоры. Но ученые занимались бы подобными технологиями активнее, если бы нашей планете или системе угрожала реальная опасность. Тогда поездка на другую звезду была бы вопросом выживания.
Пока мы можем лишь бороздить и осваивать просторы родной системы, надеясь, что в будущем появится новый способ, позволивший реализовать межзвездные транзиты.