В ноябре этого года запустят отбор участников для следующего этапа эксперимента SIRIUS — имитации дальнего космического полета. Впрочем, «дальний» — понятие относительное. Расстояние до Марса во много раз меньше, чем до ближайшей звезды, но даже до соседней планеты лететь минимум семь месяцев. Есть ли у нас технологии для более далеких путешествий? Сможем ли мы когда-нибудь добраться хотя бы до соседней системы? Разбираемся, какие технологии мы сможем использовать для межзвездных путешествий.
Итак, сегодня у нас есть химические и ионные двигатели, а также гравитационные маневры: используя силу притяжения крупных тел (например Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы), мы можем придавать космическим аппаратам дополнительное ускорение. Химические двигатели требуют много топлива, которое неоткуда взять в межзвездном пространстве. Недостаток ионных — слишком малая тяга, зато и топливо они расходуют намного экономнее. В общем, наши черепашьи скорости позволят нам долететь даже до Проксимы, находящейся всего в 4,2 световых года (40 триллионов километров) от Земли, лишь за десятки тысяч лет. Получится ли у нас добраться до других миров в какие-то обозримые сроки?
1. «Дедал» и «Икар»
В начале 1970-х годов одиннадцать членов Британского межпланетного сообщества разработали технический проект межпланетного непилотируемого корабля «Дедал». Аппарат планировали собирать на орбите Юпитера, оснастить двумя термоядерными реакторами и запустить к звезде Барнарда — красному карлику в созвездии Змееносца на расстоянии 5,96 светового года от Земли (ближе — только Проксима). Сейчас мы уже знаем, что вокруг нее вращается как минимум одна экзопланета класса суперземля, вероятно, полностью покрытая льдом.
Приводить «Дедал» в движение должны были импульсные термоядерные двигатели. В камеру такого двигателя подается таблетка с топливом (смесью дейтерия и трития), она разогревается наносекундным лазерным импульсом мощностью несколько сотен тераватт. Таким образом на поверхности таблетки температура достигает ста миллионов градусов, а давление — миллионы атмосфер. В результате запускается термоядерная реакция и происходит взрыв мощностью несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. 250 взрывов в секунду — и вылетающая из сопла плазма создает реактивную тягу.
«Дедал» планировался двухступенчатым: к тяговой ступени крепился автоматических зонд массой 450 тонн. Масса всего корабля составляла 3500 тонн, а топлива — 50 тысяч тонн. По расчетам, корабль разогнался бы до 12 процентов скорости света и долетел бы до звезды Барнарда за 50 лет. Нюанс в том, что на это уйдет все топливо, и затормозить зонд «Дедала» не сможет: он пробудет в звездной системе около 70 часов и улетит в межзвездное пространство. Да, затормозить в космосе — тоже сложная задача.
Впрочем, стоит ли лететь 50 лет, чтобы пробыть у цели 70 часов — вопрос философский. А вот множество технических проблем до сих пор не решены. Мы до сих пор не можем строить на орбите настолько большие и массивные объекты, да и осуществимость описанного выше двигателя вызывает вопросы.
Развитие «Дедал» получил в «Икаре», созданном тем же Британским межпланетным обществом и Межзвездной организации Icarus — международного консорциума ученых, инженеров и энтузиастов, которые рассчитывают к 2100 году создать осуществимый проект межзвездного путешествия. «Икар» должен достичь любой потенциально обитаемой экзопланеты в радиусе 22 световых лет от Земли. Корабль наследует концепцию «Дедала», но базируется на последних достижениях в области электроники и техники. Разработчики предполагают, что это позволит уменьшить массу и размеры корабля (а значит, использовать меньше топлива).
2. Двигатель Бассарда
В 1960 году физик Роберт Бассард предложил концепцию межзвездного прямоточного двигателя. Бассард пытался решить одну из основных проблем дальнего полета — огромное количество топлива, которое нужно брать с собой вместо полезной нагрузки.
В основе двигателя — захват межзвездного вещества кораблем, летящим на высокой скорости. Водород и пыль затем используется в качестве топлива в термоядерном ракетном двигателе. Таким образом кораблю понадобится какой-то запас вещества, чтобы разогнаться до достаточно высокой для захвата скорости, а затем он сможет отправиться в сколь угодно долго автономное «плавание».
Разумеется, у двигателя Бассарда есть и свои ограничения. Во-первых, вещество в межзвездной среде очень разреженное, поэтому для его улавливания нужен коллектор большой площади с высокой напряженностью электромагнитного поля. Во-вторых, каждый уловленный атом водорода снижает импульс, поэтому скорость подобного аппарата будет ограничен 0,119 скорости света. Таким образом магнитная улавливающая воронка будет скорее тормозом, а не «сачком» для атомов.
3. Космический парус
Космический парус — полностью осуществимая концепция, которая уже применяется на летательных аппаратах, пусть и в качестве эксперимента. Впервые подобную конструкцию развернули в 1993 году на борту российского «Прогресса», а использовали для движения на японском аппарате для исследования Венеры IKAROS. Для перемещений по Солнечной системе концепция вполне рабочая: поток частиц от нашей звезды, известный как солнечный ветер, достаточно плотный для приведения аппаратов в движение. Но чем дальше от Солнца, тем разреженнее становится пространство, так что парус оказывается бесполезным.
Впрочем, использовать парус для межзвездных путешествий возможно. Просто для разгона нужно применить не Солнце, а… лазерный луч с Земли! Мощные лазерные лучи, направленные на аппарат с парусом, сообщат тому достаточный импульс для того, чтобы развить достаточно высокую скорость, прежде чем корабль окажется слишком далеко от Земли, чтобы эффективно на него воздействовать. В этой концепции снова же мы снимаем проблему большого запаса топлива для путешествия.
Использование паруса для межзвездного путешествия реализуется в рамках проекта Breakthrough Starshot. Он предполагает ускорение космического корабля до 15–20% скорости света и полет до Проксимы Центавра за 20–30 лет.
4. Корабль поколений
Все описанные выше способы предполагают непилотируемые миссии, ведь даже 30 лет туда и 30 лет обратно — слишком много для человеческой жизни. А что если гнаться не за скоростью, а за автономностью? Эта идея лежит в основе так называемого «корабля поколений». Концепция предполагает создание автономного человеческого сообщества, которое сможет в течение сотен лет путешествовать по космосу до другой звездной системы. Подробнее о корабле поколений мы писали в этой статье.
Другой вариант — ввести экипаж в состояние гибернации, то есть в спячку, подобную той, в которую впадают некоторые животные зимой. В таком состоянии все жизненные процессы в организме замедлятся, и экипаж сможет провести в состоянии сна несколько десятков, а то и сотни лет. Опыты на собаках и свиньях говорят, что ввести сложным организм в гибернацию, а затем без повреждений вывести из нее в принципе возможно. Даже человека вводят в подобное состояние для проведения сложных медицинских процедур — но на время, не превышающее часа. Что будет с организмом спустя несколько десятилетий мы пока не можем предположить.
5. Совсем фантастика
Если предыдущие проекты находятся хотя бы в самой начальной стадии реализации (ну хотя бы отдельных технологий, необходимых для них), то в этом пункте поговорим о совсем фантастических проектах, но не противоречащих законам физики.
Разумеется, в первую очередь скажем о варп-двигателе, который в теории позволит путешествовать даже со скоростью, превышающей скорость света. Законы природы при этом не нарушаются: сам звездолет находится в состоянии покоя, а передвигается он вместе с пузырем пространства вокруг него. Подробно мы рассказывали о варп-двигателях в этом материале.
Отличным вариантом обеспечения звездолет необходимой энергией была бы антиматерия (кстати, во франшизе «Звездный путь» варп-двигатели корабля питаются как раз за счет реактора на антиматерии). Аннигиляция (то есть взаимоуничтожение) вещества и антивещества дает огромное количество энергии.
К сожалению, сегодня антивещество — самая дорогая субстанция на нашей планете, а технологий использования его в качестве вещества для реактора у нас нет и в помине.
Другой довольно экзотический вариант — двигатель кугельблиц. Его придумал физик-теоретик Джон Уилер, который предположил, что если сфокусировать в небольшой точке пространства достаточно энергии, то это приведет к появлению микроскопической черной дыры. Такой объект будет испускать излучение Хокинга, которое и можно использовать как источник энергии. Этот двигатель достигнет 10% от скорости света за 20 дней, а черная дыра просуществует около 3,5 года и выработает за это время 160 петаватт энергии. А потом нужно будет создать новую черную дыру. Впрочем, пока что это чистая теория.