Иван Моисеев
В подавляющем большинстве случаев фантасты просто переносят героев из одной звездной системы в другую, не отвлекаясь на описание технологии, позволяющей это сделать. В действительности время полета до ближайшей звезды с текущим уровнем развития технологий составит миллионы лет. О том, как сократить время путешествия и создать звездолет, на котором человек полетит к центру Галактики, ПостНауке рассказал физик Иван Моисеев.
Этот текст — часть большого проекта «Ничего невозможного», в котором мы вместе с учеными разбираемся, какие из технологий давно перестали быть фантастикой, а какие навсегда останутся только в книгах и фильмах.
— Когда-нибудь будут построены звездолеты — невообразимо огромные корабли, которые будут вмещать тысячи людей и смогут десятилетиями, может быть, даже столетиями существовать как замкнутые системы. Человечество расселится по всей Галактике.
Но людям придется всю жизнь проводить на борту кораблей, пока они не найдут новых способов межзвездного полета. И, значит, марсиане, а не привязанные к своей планете земляне колонизируют Вселенную. Это неизбежно. Так должно быть. Это — Путь марсиан.
«Путь марсиан», Айзек Азимов
О чем эта цитата?
Для тех, кто не читал эту повесть, надо пояснить, что марсиане — это люди, переселившиеся на Марс и ведущие постоянную борьбу с космосом. Повесть была написана в далеком 1952 году, еще до начала Космической эры, но Айзек Азимов достаточно точно передал современное представление о характере пилотируемого межзвездного перелета.
Межзвездный перелет — распространенный прием в научной фантастике.
Однако в подавляющем большинстве случаев время перелета и описание технологии, позволяющей преодолевать огромные космические расстояния, остаются за кадром. Но есть исключения.
В научной литературе есть такой термин — «двигатель Бассарда» (Bussard ramjet). Это межзвездный прямоточный двигатель, использующий межзвездную среду в качестве топлива. Его идея была предложена Робертом Бассардом в 1960 году, однако годом ранее братья Стругацкие опубликовали рассказ «Частные предположения», в котором излагается та же идея: «“Муромец” был первоклассным кораблем с прямоточным фотонным приводом на аннигиляции. Он захватывал и сжигал в реакторе космический газ и пыль и еще что-то, что бывает в Пространстве, и имел неограниченный запас хода. Скорость у него тоже была неограниченной — в пределах светового барьера, конечно. Он был огромных размеров, что-то около полукилометра в длину».
Тема межзвездного прямоточного двигателя получила литературное развитие в романе Пола Андерсона «Тау Ноль» (1970). В его основу легли научные теории и реальные астрономические данные, а в честь романа назвали одну из наиболее значимых организаций по исследованию проблемы межзвездных перелетов — фонд «Тау Ноль» (The Tau Zero Foundation).
Связанную с межзвездными перелетами тему — жизнь и эволюцию микросоциума в условиях многовековой изоляции и в отсутствии связи с Землей — раскрывают в первую очередь «Пасынки Вселенной» Роберта Хайнлайна (1941), «Поколение, достигшее цели» Клифорда Саймака (1953) и «Плененная вселенная» Гарри Гаррисона (1969).
Что касается кинематографа, то можно вспомнить отечественные фильмы «Москва — Кассиопея» и «Отроки во Вселенной» (1974), американскую киноэпопею «Звездные войны» (начатую в 1977 году), фильмы «Аватар» (2009) и «Интерстеллар» (2014).
Это возможно?
Возможен ли межзвездный перелет в реальности? Несомненно. Более того, такие полеты уже начались. Автоматические межпланетные станции Pioneer 10 и 11, Вояджер 1 и 2 пересекли границу Солнечной системы и отправились к звездам.
Впечатляют сроки. Pioneer-10 летит в направлении к Альдебарану и сблизится с этой звездой через 2 миллиона лет. Pioneer-11 пролетит мимо Лямбды Орла через 4 миллиона лет. Вояджер-1 направляется к Gliese 445 и достигнет пункта назначения через 40 тысяч лет, а Вояджер-2 окажется у Сириуса через 256 000 лет.
Эти аппараты — живое доказательство, что фундаментальных запретов на межзвездный перелет нет, он возможен в теории, и вопрос стоит только о том, возможен ли межзвездный перелет за время, сопоставимое со временем человеческой жизни.
На современном уровне развития космических технологий мы можем путешествовать по всей Солнечной системе. Сложнее обстоят дела с ближайшей к Солнцу звездной системой Альфа Центавра: между ними находится труднопреодолимый барьер практически пустого пространства. Радиус Солнечной системы (по внешней стороне пояса Койпера) — 55 астрономических единиц (а.е. — расстояние от Земли до Солнца, которое составляет 150 млн км). Из космических аппаратов пока дальше всех забрался Вояджер-1 — 153 а.е, и нужно сказать, что ушло у него на почти полвека (с 1977 года). До Проксимы Центавра, ближайшей к Солнцу звезды, лететь 267 тысяч а. е. — это в 1750 раз больше, чем расстояние, которое удалось преодолеть Вояджер-1.
Человек, даже профессионал в этой области, с трудом осознает огромность этого расстояния. Известный астрофизик Иосиф Шкловский писал:
«Если бы астрономы-профессионалы постоянно и ощутимо представляли себе чудовищную величину космических расстояний и интервалов времени эволюции небесных светил, вряд ли они могли успешно развивать науку, которой посвятили свою жизнь».
Многие популяризаторы по-разному старались дать представление о межзвездных дистанциях, играя с масштабами и скоростями. Например, если изменить все размеры так, что Земля оказалась бы размером с горошину, Проксима Центавра оказалась бы в 20 тысячах километров от нее — это почти половина длины экватора. Современный авиалайнер долетел бы Проксимы Центавра за 5 миллионов лет. Однако единственный способ осознать межзвездные расстояния — попробовать спроектировать корабль, способный их преодолеть.
Первые развернутые исследования проблемы межзвездных перелетов появились в конце 1950-х годов. По большей части эти работы касались механики релятивистских ракет — «фотонно-реактивного привода», как говорили тогда. Предполагалось, что межзвездные перелеты можно реализовать только на фотонных звездолетах, использующих реакцию аннигиляции вещества и антивещества. Антивещество — это материя со всеми свойствами обычного вещества, но состоящее из античастиц: антипротонов, антинейтронов и позитронов. При соприкосновении вещества и антивещества их масса исчезает и выделяется энергия, величину которой показывает знаменитая формула Эйнштейна E=mc2.
Первое развернутое техническое проектирование межзвездного аппарата было организовано Британским межпланетным обществом в 1973–1978 годах. 120 добровольцев-исследователей создали проект межзвездного зонда-автомата «Дедал». Оказалось (об этом ученые сказали сразу же), что на нынешнем этапе технического развития такой зонд создать нельзя. Тогда же ввели понятие предвидимых технологий, которые можно обосновать теоретически и в принципиальной возможности которых научно-техническое сообщество не сомневается. Отличительной чертой предвидимой технологии является наличие «фронта работ», то есть понимания, куда вложить усилия (время и деньги), чтобы можно было надеяться на результат.
Для примера: технологии термоядерных реакторов — это предвидимые технологии. В этом направлении реализуется множество проектов, тратятся десятки миллиардов долларов. А вот технологии получения антивещества в промышленных масштабах к категории предвидимых не относятся. Сегодня получают сотни атомов антивещества, но что именно нужно сделать, чтобы улучшить этот результат на десятки порядков, никто не знает.
Тем не менее в результате работы команды «Дедала» появился эскизный проект межзвездного зонда, что дало толчок для очень большого числа других работ по исследованию проблемы межзвездных перелетов с самых разных углов. После завершения проекта вплоть до настоящего времени ученые неоднократно возвращаются к этой теме, развивая ее и уточняя детали. Например, сегодня Британское межпланетное общество и фонд «Тау Ноль» работают над крупным проектом «Икар», который является прямым последователем «Дедала».
Число различных идей и проектов космических кораблей и автоматических зондов, способных в теории преодолеть межзвездные расстояния, росло быстро. Мы их обобщим и классифицируем.
Научная база
Любой космический аппарат, а следовательно, и его проект разделяют на две части: двигательную установку (ДУ) и полезную нагрузку (ПН).
Все многообразие описанных полетов человека к звездам укладывается в две категории: полеты с возвращением межзвездного корабля на Землю и полеты без возвращения. Можно определенно сказать, что если мы ограничимся предвидимыми технологиями, вернуться не получится. Сложность полета с возвращением многократно выше, а само возвращение теряет смысл: даже если удастся уложить длительность полета в оба конца в длительность человеческой жизни, мало кто пожелает тратить полвека на то, чтобы вернуться в исходную точку.
Типы рассматриваемых беспилотных ПН более многообразны, но особенно интересны самовоспроизводящиеся системы. Концепцию самовоспроизводящихся систем выдвинул и развил американский математик Джон фон Нейман в 1960-х годах. Идея столь же проста, сколь и трудно реализуема. Предполагается, что космический аппарат (зонд фон Неймана) доберется до ближайшей звезды, построит там свои реплики и начнет отсылать их к более отдаленным звездам. Тем не менее сегодня из чисто гипотетической концепции зонд фон Неймана уже перешел в категорию предвидимых технологий. Это связано с изобретением и быстрым развитием 3D-принтеров, и уже сейчас можно напечатать на 3D-принтерах такие же 3D-принтеры.
Второй ключевой элемент любого проекта межзвездной миссии — двигательная установка, то есть собственно двигатель, топливо для него, топливные баки и конструкции, которые все это объединят. Люди уже придумали и создали сотни типов ДУ космического применения, и, даже если мы отберем только те установки, которые могут работать на межзвездных аппаратах, придется иметь дело с десятками типов ДУ.
Дать описание каждого типа ДУ здесь не удастся, но можно обратить внимание на то, что их объединяет, — некую общую закономерность. Если двигаться по схеме слева направо, мы плавно переходим от условно реалистических вариантов к вариантам сугубо фантастическим. Всего таких уровней реалистичности пять. И если первые два представляются совсем невероятными, то оставшиеся три могут быть реализованы.
Эксперименты
Сегодня проектировать межзвездные аппараты можно только в теории. Тем не менее многие элементы будущих межзвездных кораблей уже разрабатываются.
Для ракетных двигателей важнейшим параметром, характеризующим возможность осуществить межзвездный перелет, является скорость отбрасывания продуктов горения — рабочего тела (скорость истечения, как говорят ракетчики). Для лучших современных ракетных двигателей эта скорость составляет более 4 км/с. Но межзвездный перелет на таких двигателях потребует массу топлива, на тысячи порядков превосходящую массу всей Вселенной. По счастью, эффективность двигателя экспоненциально растет с увеличением скорости истечения.
Одним из наиболее перспективных двигателей, пригодных для реализации межзвездных перелетов, является лазерный термоядерный ракетный двигатель, концепцию которого предложили Р. Хайд, Л. Вуд и Дж. Наколлс в 1972 году. Этот двигатель способен обеспечить скорость истечения в 10 тысяч км/с в секунду, что, в свою очередь, позволяет спроектировать межзвездный корабль со временем перелета, сопоставимым со временем человеческой жизни. В двигателе в фокусирующем магнитном поле лазеры «поджигают» небольшие порции термоядерного топлива. Хотя работ по созданию двигателя не ведется, разработка его ключевого элемента — лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) с инерциальным удержанием — идет давно и весьма активно, а затраты на эти разработки оцениваются в десятки миллиардов долларов.
Крупнейшая экспериментальная установка с ЛТС находится в Национальном центре запуска реакций (National Ignition Facility, NIF) в США. Он строился больше 12 лет и был введен в эксплуатацию в 2009 году. Стоимость проекта превысила 5 млрд долларов. В основе комплекса — 192 мощных лазера, которые могут фокусировать на капсуле с дейтерием и тритием 1,8 мегаджоуля энергии. Это всего 0,5 киловатт-часа, но выделяется эта энергия за столь короткое время и в столь малой массе, что позволяет достичь звездных температур и поджечь термоядерную реакцию. В 2014 году NIF удалось получить положительный выход энергии, то есть больше, чем было затрачено на поджиг реакции. Но главная цель — запустить самоподдерживающуюся реакцию термоядерного горения — еще не достигнута.
В 2020 году во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове запустили первый модуль лазерной установки УФЛ-2М, которая должна решать те же задачи, что и NIF. Она также состоит из 192 лазеров, но существенно мощнее: подводимая к мишени энергия составит 2,8 мегаджоуля.
Если эти установки, условно говоря, распилить пополам, мы получим почти готовый лазерный термоядерный ракетный двигатель. Останется только добавить два соленоида для фокусировки разлетающихся продуктов реакции и заменить твердотельные лазеры на газовые. Фокусировка продуктов реакции позволит увеличить скорость истечения: те частицы, которые без пользы разлетаются в стороны, полетят в нужном направлении, передавая ракете максимальный импульс. А газовые лазеры много легче используемых сейчас лазеров на ниобиевом стекле. Кроме того, надо будет убрать много лишнего, ненужного в космосе: фундаменты, стены, вакуумные насосы. Это существенно улучшит характеристики двигателя.
Если получится, теоретические исследования проблемы МП удастся перевести в практическую плоскость.
Однако есть еще много направлений, развитие которых либо необходимо, либо будет полезно для прогресса в области МП. Это, в частности, поиск и исследования экзопланет, поиск внеземных цивилизаций (проблема SETI), ядерная физика и физика лазеров, электротехнические системы на основе сверхпроводимости, замкнутые системы жизнеобеспечения, радиационная защита, большие конструкции в космосе и внеземные базы. Над всеми этими направлениями сейчас активно трудятся ученые.
Каких открытий не хватает, чтобы это стало реальностью?
Теперь попробуем представить первый межзвездный корабль и первую межзвездную экспедицию. Определим минимум технических требований: корабль должен быть пилотируемым, а длительность полета — не превышать 150–200 лет. Этим критериям вполне отвечает корабль с лазерным термоядерным ракетным двигателем.
Двигательная установка корабля — это десятки лазерных термоядерных ракетных двигателей и топливо, которые составят примерно 95% от массы всего корабля. В качестве топлива могут использоваться соединения бора с водородом. Само топливо твердое, и тогда не нужны баки, что существенно улучшает характеристики корабля и облегчает его постройку. Топливо также будет служить защитой от галактического космического излучения. Галактическое излучение представляет собой поток энергичных заряженных частиц — это одна из главных опасностей, поджидающих экипаж на межзвездных трассах. На Земле нас спасает от него магнитное поле и атмосфера, но в космосе понадобится какой-то материал, экранирующий излучение.
Экипаж, 10 тысяч человек, расположится во вращающейся (для создания искусственной гравитации) гантелеобразной конструкции, составляющей километры в диаметре. Для корабля также необходима замкнутая система жизнеобеспечения. Один человек потребляет примерно 5 кг воды, еды и воздуха в сутки, поэтому, если все брать с собой, потребуется около 3 миллионов тонн припасов. Однако, если повторно использовать ресурсы, эту проблему можно решить.
Над технологией замкнутой системы жизнеобеспечения много работают с 1960-х годов и уже проводили эксперименты. В 1967 году три добровольца провели год в замкнутой герокамере площадью всего 12 квадратных метров. Эксперимент прошел успешно, его так и называли — «Год в земном звездолете».
Межзвездный корабль такого типа — это минимум сотни тысяч тонн полезной нагрузки, миллионы тонн двигателей, десятки миллионов тонн топлива. Для сравнения: самый большой морской корабль, Prelude FLNG, имеет водоизмещение (по сухопутному — массу) 900 000 тонн.
Полеты одиночных межзвездных кораблей, часто фигурирующих в фантастической литературе, исключаются. Для перелета понадобится хотя бы эскадра кораблей, примерно с десяток аппаратов. Это требование безопасности, а кроме того, обеспечение разнообразия жизни за счет общения между экипажами разных кораблей.
Сам межзвездный перелет будет проходить в три этапа: медленный разгон в течение десятка лет с ускорением примерно в сотую долю земного, десятки лет полета по инерции, и несколько более быстрое, чем разгон, торможение.
Научная фантастика учит нас, что связь с межзвездным кораблем прекращается сразу после старта, в отсутствие связи экипаж забывает все, что знал, и цивилизация на корабле оказывается отброшенной на уровень темных веков. Такое представление настолько укоренилось в сознании, что даже специалисты в области космонавтики считают эту угрозу вполне реальной и иногда приводят ее в качестве одного из «доказательств» невозможности межзвездных перелетов. В реальности, однако, радиосвязь на межзвездных расстояниях проблемы не представляет. Десять километров антенны в Солнечной системе (что вполне реализуемо даже для уже существующего уровня технологий) и две-три 100-метровые антенны на кораблях межзвездной эскадры смогут передавать объем информации, эквивалентный объему, транслируемому пятью телевизионными каналами, а с учетом существующих компьютерных методов сжатия информации — в 10 раз больше.
Стоит задуматься
Основной социальной проблемой перелетов описанного типа является проблема полета без возвращения. Это необратимое решение, от него нельзя отказаться, если передумаешь. И это решение, которое примут те, кто полетит к звездам, решительным образом повлияет не только на них самих, но и на их детей, внуков, на все будущее потомство. Когда эта проблема станет актуальной, дискуссии разгорятся нешуточные.
А что человечество получит взамен? Всю Галактику. Наша Галактика (Млечный Путь) имеет диаметр 100 000 световых лет и содержит 200–400 миллиардов звезд. Как ее может освоить небольшая планета с населением всего 8 миллиардов человек? Возможно, так же, как и первый живой организм, появившийся в капле воды, освоил всю планету Земля.
Земле не надо посылать межзвездные корабли к каждой звезде — достаточно заселить десяток планетных систем в ближайших звездных окрестностях, в радиусе примерно 50 световых лет. Дальнейшее движение продолжится с освоенных систем новыми, «дочерними» цивилизациями.
Человечеству может понадобиться от 2,8 млн до 280 тысяч лет (в зависимости от скорости) для того, чтобы добраться до центра Галактики, и еще от 4,7 млн до 750 тысяч, чтобы оказаться на ее противоположном крае. Кому-то, конечно, 7 миллионов лет покажется слишком долгим сроком, но надо иметь в виду, что динозавры прожили 160 миллионов лет и вымерли, а жизнь на Земле станет невозможной через 1 100 миллиона лет. И, если не затягивать, можно успеть расселиться по Галактике до того, как Солнце начнет превращаться в красный гигант.
Дополнительные материалы и источники
Айзек Азимов. Путь марсиан. М., Мир, 1966 г.
Robert W. Bussard, Galactic Matter and Interstellar Flight. Astronautica Acta, 1960, vol.6
Стругацкий А.Н., Стругацкий Б. Н. Частные предположения, Знание — сила, № 8, 1959.
Anderson P. Tau Zero. Doubleday, 1970.
Андерсон П. Тау Ноль. М., Альтерпресс, 1966.
Хайнлайн Р. Пасынки Вселенной, Кишинев, Штиинца, 1989.
Саймак К. Поколение, достигшее цели. Знание — сила, 1965 г.
Гаррисон Г. Плененная вселенная. М., ДО ” Глаголь” , 1991.
Project Daedalus: Demonstrating the Engineering Feasibility of Interstellar Travel. The British Interplanetary Society, 2003.
Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука, 1987.
Зенгер Е. К механике фотонных ракет. М., Иностранная литература, 1958.
Перельман Р. Г. Двигатели галактических кораблей М., АН СССР, 1962
Проблемы лазерного термоядерного синтеза. М., Атомиздат, 1976.
Божко А., Городинская В. Год в ” Звездолете”. М., Молодая Гвардия, 1975.
Источник: Пост Наука https://postnauka.ru/longreads/156432