Межзвёздные полёты. Космос для вас вреден

Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?

C помощью телескопа «Кеплер» астрономы уже обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.

Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно – из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей.

Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Рис. 1. Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды.

Полет к другим звездам – это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.

Дорогу беспилотникам

Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок – 17 тысяч лет.

Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом – постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.

Рис. 2. Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг.

Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10–15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности.

Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая – 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.

Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света.

Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.

Рис. 3. Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода.

Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.

Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541–2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?

Полет длиною в жизнь

Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 лет не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.

Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает,

что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года.

Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.

Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.

Рис. 4. Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…

К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы – Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это – огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9–1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.

Рис. 5. …а закончился экологической катастрофой.

В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея.

Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек.

Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими.

В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.

Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.

Замороженный сон

Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз – это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.

К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35–40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.

Рис. 6. Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов.

Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело.

При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур . В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.

Однако существует перспективный путь решения этой проблемы – клатратные гидраты . Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.

Полет на водороде

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.

Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит – отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости – в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.

К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.

Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.

Рис. 7. Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия.

Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».

Антиматерия в помощь

Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.

Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х10 11 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством.

Но это всего один килограмм антивещества.

Рис. 8. Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу.

В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.

Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.

Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.

Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.

Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5–7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.

Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.

Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.

Может показаться, что все вышеописанное – фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.

Если астронавт будет изучать события, происходящие на покинутой им Земле, то он убедится, что и там все процессы, в том числе и жизнь людей, текут в 1,8 раза медленнее. Как же так? Казалось бы, что для наблюдателя на ракете процессы на Земле должны течь быстрее по отношению к процессам, текущим на ракете. Но этого не происходит. Если ракета летит равномерно и прямолинейно относительно Земли, тогда относительно ракеты Земля будет двигаться с той же скоростью в противоположную сторону. Следовательно, наблюдатели на Земле и на ракете полностью равноправны, И хотя для земного наблюдателя время на ракете течет медленнее, для астронавта медленнее будет течь земное время.

Может показаться, что тогда нельзя избежать противоречия. Когда ракета вернется на Землю, кто окажется прожившим меньше времени: космический путешественник или житель Земли?

На самом деле никакого противоречия нет. Просто в наших рассуждениях упущено одно важное обстоятельство. Чтобы вернуться на Землю, астронавты непременно должны включить двигатели ракеты, развернуть ее и направить к Земле. Во время действия двигателей ракета движется ускоренно и не является инерциальной системой. Законы специальной теории относительности в это время для нее неприменимы. Земной наблюдатель не испытывал никаких ускорений, его система инерциальна все время, и законы специальной теории относительности в ней справедливы, поэтому его вывод о том, что по возвращении межзвездные путешественники окажутся моложе своих сверстников на Земле, правилен.

На ракете же, когда она движется ускоренно, будут действовать законы общей теории относительности, которая позволяет рассматривать не только прямолинейное и равномерное движение, но и ускоренное.

Оказывается, на течение времени влияет не только движение тел, но и близость тяготеющих масс. В сильном поле , то есть там, где потенциал тяготения велик (например на ), время течет медленнее, чем на Земле.

ЛЕТИМ К ПРОКСИМЕ ЦЕНТАВРА

Рассмотрим конкретный пример полета фотонной ракеты к Проксимё Центавра, с которого мы начали наш рассказ. Предположим, что на ракете есть точные часы и мощный передатчик, посылающий сигналы времени на Землю. Наблюдатели на Земле, учтя время распространения радиосигналов от ракеты до Земли, могут следить за течением времени на ракете.

Пусть ракета набирает скорость и тормозится так, что ускорение, которое будет действовать на все предметы внутри ракеты, будет равно ускорению силы тяжести на поверхности Земли. Это наиболее целесообразно с точки зрения удобства экипажа. Попробуем проследить вместе с наблюдателями на Земле за ходом часов на ракете. Пока ракета наберет скорость, часы на ней будут идти все медленнее и к моменту выключения двигателей на ракете отсчитают на 0,3 года меньше, чем земные часы. Дальше ракета летит по инерции; часы на ней идут для земного наблюдателя в 1,8 раза медленнее, чем его собственные. На участке торможения ракеты ход ее часов для земного наблюдателя будет постепенно ускоряться. Астронавты высаживаются на планете системы Проксимы
Центавра. Пока они исследуют эту систему, их часы идут синхронно с земными часами. Затем астронавты отправляются в обратный путь, и картина изменения хода часов на ракете повторяется в обратном порядке. После возвращения космических путешественников по часам на Земле пройдет 13,5 года, а по часам ракеты - 9,3 года, то есть астронавты отсчитают на 4 с лишним года меньше.

Отправимся теперь вместе с астронавтами в космическое путешествие, и радиосигналами с Земли будем следить из ракеты за ходом земных часов. Когда ракета движется ускоренно, в ее системе будет действовать сила, вызванная ускорением и эквивалентная силе тяготения. Но там, где потенциал тяготения больше, часы идут медленнее. Разность потенциалов зависит от величины силы и расстояния между точками, причем потенциал увеличивается в ту сторону, куда направлена сила. Сила, действующая на предметы в ракете, противоположна направлению ее ускорения (вспомните, что при отправлении поезда эта сила толкает нас назад). При разгоне ракеты во время вылета эта сила направлена от ракеты к Земле. Следовательно, потенциал этой силы больше в точке расположения земных часов, и часы замедляют свой ход по сравнению с часами на ракете.

Но этот эффект незначителен, так как расстояние между отлетающей ракетой и Землей еще невелико. Незначительны поэтому и разность потенциалов и замедление хода часов. При полете с выключенными двигателями часы на Земле для астронавтов идут медленнее ракетных и к концу этого участка отстанут от них на 1,25 года. Наконец, при торможении у Проксимы Центавра сила, вызванная ускорением, имеет направление от Земли к ракете. Потенциал теперь больше в точке, занимаемой ракетными часами, и земные часы идут быстрее ракетных. При этом, хотя сила, вызванная ускорением, осталась прежней, но расстояние между часами огромно, а значит, огромна и разность потенциалов и, следовательно, разность хода часов. Для астронавтов часы на Земле начинают так спешить, что очень быстро ликвидируют свое отставание за время предыдущих этапов полета и уходят вперед. Для астронавтов земные часы в это время идут почти в 4 раза быстрее ракетных.

На обратном пути картина хода часов повторяется в обратном порядке.
Итог получается тот же. Когда ракета вернется на Землю, по земным часам пройдет 13,5 года, по ракетным - 9,3 года. Как видим, картина течения времени для астронавтов была совсем иной, чем для жителей Земли, но, тем не менее, никаких противоречий не получается.

К ТУМАННОСТИ АНДРОМЕДЫ

И все-таки, несмотря на всю увлекательность такого путешествия, может показаться, что дальше ближайших соседей Солнца человек все равно полететь не может: на полет, например, к звезде Бетельгейзе и обратно, даже со скоростью 250 000 км/сек., не хватит, человеческой жизни.

Значит ли отсюда, что наши потомки не смогут осуществить мечту героев романа И. Ефремова «Туманность » и добраться до других галактик? Немецкий физик Э. Зенгер дает на этот вопрос положительный ответ. До туманности Андромеды, находящейся в 1,5 миллиона световых лет от нас, можно, оказывается, долететь за 27 собственных лет.

Для этого нужно, чтобы ракета полпути летела с ускорением, а полпути - с торможением. Наибольшая скорость будет тогда достигнута, конечно, на середине пути. И чем больше расстояние до цели путешествия, тем ближе будет скорость ракеты к скорости света, а значит, тем больше будет замедление времени на ракете. Собственное время полета будет зависеть в этом случае только от расстояния. И вот оказывается, что полет до центра нашей Галактики займет при таком режиме 19,8 собственных года, что соответствует 30 000 земных лет, а полет до туманности Андромеды - 27,2 собственных года, или 1,5 миллиона земных лет. Столько же потребуется и на обратный путь.

Конечно, герои Ефремова не отказались бы за 27 собственных или «зависимых» лет добраться до туманности Андромеды. Но мы не учли расхода «горючего» - запасов элементарных частиц. Отношение начальной и конечной массы ракеты составит в этом случае 2,5 триллиона! Из 2,5 миллиона тонн начальной массы до туманности Андромеды долетит… 1 грамм. А если предусмотреть и обратное возвращение, то это число (2,5 триллиона) надо еще возвести в квадрат. К тому же на Земле за это время пройдет 3 миллиона лет…

Есть ли смысл отправляться в такой полет? На это ответит будущее…

КОГДА ЖЕ ЭТО БУДЕТ?

Вернемся из наших воображаемых путешествий на реальную, сегодняшнюю Землю и попытаемся ответить на самый трудный вопрос: когда человек сможет полететь к звездам?

Ответить на этот вопрос нелегко. Ведь трудности предстоит преодолеть немалые. Фотонная ракета - это пока только принцип двигателя. Кроме того, не надо забывать о межзвездном газе, который при движении ракеты с субсветовой скоростью превратится в поток частиц высоких энергий, подобный самым жестким космическим лучам. Придется считаться и с сопротивлением межзвездного газа.

Конечно, вряд ли можно ожидать, что уже в текущем столетии люди полетят к другим звездам: нам хватит работы и в солнечной системе, да и на нашей родной планете еще немало важных дел, не так ли?

Дайте космонавту и герою Космонавта и Героя April 5th, 2016

Александр Мисуркин - уникальный космонавт. Он провел 167 суток на орбите, из них 20 часов в открытом космосе, и в числе экипажа "Союза" впервые пролетел по "короткой схеме" от Байконура до МКС за 6 часов. Но его уникальность не в этом, а в том, что даже спустя два года после полета он не имеет звания "летчик-космонавт". Он летчик - налет более тысячи часов. Он космонавт. Но не летчик-космонавт. И не Герой, хотя после первого полета сейчас все космонавты получают Золотую Звезду. Про него просто... забыли.

О почти детективной истории того как Звезда обошла героя рассказано на сайте "Новостей космонавтики". Ситуация складывается странная: вроде бы все заинтересованные участники присуждения награды в курсе о ситуации, и никто не против. Александр не бил морды командиру взвода Звездного десанта, не дебоширил на ночных улицах Звездного городка, и не купался в фонтанах на День космонавтики. Однако, все представления к награде неотвратимо терялись в недрах многоступенчатой бюрократической машины. Поначалу какие-то объективные причины для проволочек были: по данным ГИБДД их экипаж на орбите превысил первую космическую и был оштрафован.

Примерно через полгода, то есть весной 2014 г., кадровики ЦПК и РКК «Энергия» наконец подготовили единое представление экипажа к наградам: Сашу Мисуркина - к званию Героя Российской Федерации, Павла Виноградова - к ордену «За заслуги перед Отечеством» III степени - и согласно принятому порядку отправили на согласование в администрацию Московской области.

К концу лета это представление вернулось в отдел кадров «Энергии» по той причине, что у П. В. Виноградова обнаружился неоплаченный штраф за превышение скорости в июне 2013г. (Павел в это время был в космосе и летел со скоростью почти 8км/с. Неужели ГИБДД стало размещать радары на орбите?) Дело затягивалось. Чтобы не задерживать награждение Мисуркина, кадровики по просьбе Павла Владимировича сделали отдельные представления на каждого из них, и документы Мисуркина снова были отосланы в администрацию области. Виноградову же, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки, пришлось оплатить штраф и написать «оправдательное» письмо на имя губернатора области А. Ю. Воробьёва с обещанием исправиться и никогда больше «не нарушать».

Но впоследствии никаких вразумительных объяснений наградного игнора не поступало. Скорее всего ситуацию усугубила реформа Роскосмоса : создание ОРКК, перерождение Федерального космического агентства в госкорпорацию. И сейчас, нужная бумага лежит на чьем-нибудь столе под грудой новых документов или прежний владелец кабинета не успел подписать, а прошедший ему на смену чиновник не стал разбираться в старых бумагах. В общем, всякое бывает. И в текущей ситуации мы можем либо негодовать от равнодушия бюрократии, либо что-то предпринять.

Я предлагаю подписать онлайн-письмо новому главе Роскосмоса . Не знаю будет ли какой эффект, иногда петиции работают, иногда нет. Мы можем по крайней мере попытаться, заодно выразив свое уважение космонавту, не дожидаясь официальных церемоний.

Когда-то в детстве, увлекаясь фантастикой, я прочитал книгу Артура Кларка «Черты будущего». Зачитал ее буквально до дыр. Мне очень льстило, что я доживу в этой жизни до того периода, когда мы полетим в дальний космос, освоим и заселим ближайшие планеты. Недавно я вновь перечитал эту книгу, и с грустью отметил, что ничего этого не случилось, и скорее всего не случится не только в ближайшее будущее, но и в течение еще лет ста и более. Почему я пришел к таким выводам?

Будучи уже взрослым, я начал понимать, что для таких супермасштабных проектов, как межпланетные и межзвездные перелеты, требуются не только огромные средства, но и особые технологии, знания, а самое главное консолидация всего человечества на планете. Итак, по-порядку.

Стоит признать неприятный факт, что сегодняшняя официальная наука со своими закостенелыми взглядами на мироздание, неспособно совершить открытия, которые отправят человечество к звездам. Да, за последние 20 лет компьютерные технологии сделали мощный скачек, но для космических путешествий этого явно недостаточно. Материалистическая наука, оперирующая не верными понятиями пространства, времени, энергии и материи не может сделать того открытия, которое даст людям ключ от космических врат Вселенной. Результат — мы до сих пор крутимся вокруг нашего земного шарика. Максимум, чего мы сможем достичь в ближайшие сто лет, это еще одна высадка на Луну, и возможно полет человека на Марс.

Никаких фотонных двигателей и прочих научно-фантастических аппаратов за это время построено не будет. Должна быть пересмотрена сама структура пространства-времени, и догмат о пределе скорости света, как максимально возможной и непреодолимой в физической вселенной. До сих пор у ученых нет внятного определения пространства, энергии, времени и материи. Если посмотреть в словаре эти понятия, то они, подобно циклической ссылке, ссылаются друг на друга.

И второе, для осуществления проекта межзвездных полетов потребуются все ресурсы человечества. Но современное экономико-политическое обустройство Земли неспособно на такие проекты по своей сути. Экономика, ориентированная на потребление и прибыль любой ценой, не заинтересована в подобном мероприятии, так как прибыли тут в ближайшие десятилетия ждать не стоит.

Меняя экономику планеты, понадобиться избавиться от всех конфликтов и воин на Земле, объединить человечество ради высоких целей освоения дальнего космоса, а это, при сегодняшней ситуации в мире, не видится возможным. По сути, должна образоваться Новая цивилизация на планете Земля, с новыми ценностями и порядком, новым мировозрением и мышлением, чтобы человек отправился к звездам. Невольно вспоминается роман Ефремова «Туманность Андромеды». Объединенное человечество, в этом произведении великого мастера, шагнуло далеко за пределы своего обитания. А пока Земля напоминает муравейник, где каждая особь и клан копошится и старается выжить, урвав себе территорию в пределах муравейника побольше и кусок по-жирнее. Но для исследования пространства за пределами своего жилища нужно объединение всех сил и ресурсов. А для Земли пока это слишком большая роскошь!

Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.

Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.

Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?

ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ

Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.

Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.

Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.

«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».

Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.

Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.

Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.

КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ

Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.

Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.

Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.

Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.

Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).

ПОРВАЛИ ПАРУС!

Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.

Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.

На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».

Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...

Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.

В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.

Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).

СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.

Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:

• рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
• резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.

Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.

А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).

Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.

КРОТОВАЯ НОРА

Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.

Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.

Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.

Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.

ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ

Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.

Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.

Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.

Ирина ГРОМОВА