Не так давно Мильнер и Хокинг нашумели анонсом своего проекта Breakthrough Starshot. Проект стоит $100 млн, которые будут потрачены на исследование технической возможности полета до Альфы Центавра. Инженерная и исследовательская фаза продлятся некоторое количество лет, после чего разработка самой миссии полета к Альфе Центавра потребует бюджета крупнейшего на сегодня научного эксперимента.

Итак, что же известно на данный момент от разработчиков проекта?

Концепт системы, включая лазерный излучатель и световой парус

Проект Breakthrough Starshot, по словам авторов, - это попытка подойти к космическим путешествиям со стороны Кремниевой Долины.

Он предполагает постройку массива лазеров в высокогорных районах Земли, и создание специальных нанокрафтов - массива космических фемтоспутников , которые разгоняются излучением этих лазеров.

Компоненты системы

Нанокрафты - это роботизированные космические корабли массой порядка граммов, состоящие из двух частей:

1) Электронный модуль StarChip: Закон Мура позволил значительно уменьшить в размерах электронные компоненты. Это позволяет создать граммовые устройства, несущие на себе камеры, фотонные подруливатели, питание, навигационное и коммуникационное оборудование, представляющие собой полностью функциональный космический зонд. При этом стоимость этих зондов при массовом производстве будет равна стоимости смартфона.

4 камеры

Камеры на 2 мегапикселя, массой менее грамма доступны по низкой цене. Их развитие также подчиняется закону Мура, позволяя удваивать количество пикселей для той же массы матрицы каждые два года.

Интересны также потенциальные возможности камер, работающих по принципу плоского массива Фурье-захвата (PFCA). Они не требуют зеркал, линз и других движущихся частей. Состоят из массива полупроводниковых элементов, которые реагируют на свет в зависимости от его угла падения.

По объему PFCA могут быть в 100 тысяч раз меньше самой маленькой фокусной камеры. Впрочем, пока данная технология находится на старте своего пути.

Мона Лиза, снятая камерой PFCA.

Защитное покрытие

Специальное покрытие необходимо для защиты конструкции нанокрафтов от столкновения с частицами в межзвездном пространстве. Один из таких материалов - это бериллиево-медный сплав.

Батарея

Конструкция батареи представляет собой один из самых сложных технических вызовов проекта.

В настоящее время, в качестве основного источника энергии на борту рассматривается плутоний-238 или америций-241. На питание системы отведено 150 грамм. Сюда включена масса радиоизотопа и суперконденсатора, который будет заряжаться от ядерного распада.

Существуют также идеи воспользоваться нагревом фронтальной части поверхности нанокрафтов (из-за взаимодействия с межзвездной пылью). Тепловой источник может обеспечить подачу 6мВт на каждый квадратный сантиметр своей площади во время крейсерской фазы миссии в межзвездном пространстве.

Сам световой парус, возможно, удастся покрыть тонкой пленкой из фотоэлектрического материала, как это было сделано в японской миссии солнечного паруса IKAROS . Это может оказаться очень полезным при приближении к другой звезде на расстояние 2 астрономических единиц. На расстоянии 1 астрономической единицы подобный материал, даже обладая эффективностью всего 10%, будет способен обеспечить 2кВт мощности. Это более чем в 100 тысяч раз превышает мощность радиоактивного источника энергии, и, вероятно, позволит достигнуть значительно более высоких скоростей передачи данных по лазерной связи.

Коммуникация

Ориентация передатчика на Землю

Поиск Земли - достаточно простая задача, учитывая ее близость к Солнцу - очень яркой звезде, если смотреть со стороны Альфы Центавра.

Из-за дифракционного предела, угловой диаметр луча длиной волны 1 микрон на антенне метрового класса, составит около 0.1 угловой секунды. Ориентация такой точности может быть достигнута при использовании фотонных двигателей малой тяги.

Посылка изображений с помощью лазера, используя парус как антенну

Изображения целевых планет могут передаваться одноваттным лазером на борту, в импульсном режиме. При подходе к цели, парус будет использоваться для фокусировки лазерного сигнала.

Например, для паруса размером 4м, дифракционный предел размера пятна на Земле будет порядка 1000м . Примерно такого же масштаба планируется делать принимающий массив антенн. Использование паруса в качестве оптической системы может потребовать разных форм паруса на старте миссии (при разгоне) и во время коммуникационной фазы. Для более эффективной передачи информации, при приближении к цели, парусу может быть придана форма линзы Френеля. Из-за доплеровского эффекта при сдвиге нанокрафтов относительно Земли, необходимо использование волны лазера короче, чем у системы запуска - это позволит поддерживать высокую скорость передачи через атмосферу нашей планеты.

Получение изображений с помощью массива лазерных излучателей

Недавние успехи группы MIL Lincoln Labs и Лаборатории Реактивного Движения показали возможность детектировать единичные фотоны, испускаемые лазером с очень больших расстояний. В настоящее время рекордсменом является система LADEE, которая способна работать на лунных расстояниях. Она использует методику криогенно охлажденных нанотрубок. Это позволяет передавать 2 бита на фотон. Система использует 10см оптику на космическом корабле и однометровый телескоп на земле.

Массив лазерных излучателей, задействованый при разгоне нанокрафтов, будет использована в инверсном режиме, как массив принимающих антенн.

Солнечный парус

Целостность паруса под тягой

На этапе исследования предполагается использование в миссии 100 гигаватного лазера. Как такое излучение повлияет на солнечный парус?

Самый совершенный отражающий материал на сегодня - это диэлектрическое зеркало - композитный материал с толщиной слоя подобранной под длину волны.

Диэлектрическое зеркало способно снижать количество поглощаемого тепла на 5 порядков, отражая 99.999% излучения.
Для лазера 100 ГВатт и паруса 4х4м - это значит что каждый квадратный метр паруса будет нагреваться энергией в 60 кВт. Это очень много - около 50 электрических чайников на полной мощности. Такую мощность рассеять излучением трудно. Но, как утверждают разработчики, это нагреет парус, но не расплавит его. Предполагается, что используя полностью диэлектрический парус с оптимизированными материалами будет возможно снизить поглощение ниже 9 порядков от приходящего излучения.

Рассматриваются варианты использования новых материалов вроде графена.

Возможно также использование материалов с низким поглощением, даже без высокой отражающей способности (например, стекло). Подобные материалы применяются в оптоволоконной оптике при высоких нагрузках.

Кроме защиты со стороны паруса, электроника модуля StarChip должна быть защищена от набегающего потока. Это может быть достигнуто сочетанием геометрии (ориентируя электронику «в профиль», с низким поперечным сечением) и покрытием самых важных компонентов специальной защитой. Такими покрытиями могут выступать упоминавшиеся многослойные диэлектрические решения, уже продемнострированные в лабораториях. Слабо поглощающий материал паруса вместе с ограниченным использованием высокоотражающего материала для защиты электроники, будет защищать StarChip не превышая граммового масштаба массы модуля. Для дальнейшего производства изучается конструкция из кремниевых микрокубов на подложке из диоксида кремния.

Устройство

Необходимо разработать скелет паруса, который будет держать нагрузку при разгоне устройства, быть устойчивым к взаимодействию с межзвездной средой, и будет способен менять форму паруса. В данный момент рассматривается ряд композитных материалов на основе графена, которые способны менять свою длину в зависимости от электрического напряжения, приложенного к ним. Ранее было показано, что центробежное ускорение крошечных масс по краям может натягивать парус.

Удержание на луче

Форма луча и устройства светового паруса должны быть оптимизированы для стабильности на фазе запуска. В этот период порядка 10 минут, парус получает 1 тераджоуль световой энергии. По этой причине, даже мелкие различия свойств паруса или неоднородности луча, переместят центр давления с центра масс паруса, и сместят его вектор тяги.

Современная индустрия оптических покрытий при массовом производстве смартфонов и телескопной оптики уже находится на приемлемом для миссии уровне качества. Но конечный материал паруса пока не существует и должен быть разработан.

Лазерный излучатель

Стоимость

Оценка ориентировочной стоимости лазерного массива на Земле основана на экстраполяции двух последних десятилетий, а также на перспективах удешевления при массовом производстве.

Стоимость лазерных усилителей снижается экспоненциально с 1990г по 2015г, сокращаясь вдвое каждые полтора года. Если тренд продолжится, строительство большого излучателя в ближайшие десятилетия обойдется на несколько порядков дешевле.

Пока разработчики сравнивают стоимость с крупнейшим научным проектом в мире. Это может быть, например, МКС (стоимостью $157 млрд) или экспериментальный термоядерный реактор ITER ($15 млрд).

Фаза

Для проверки возможностей системы был изучен случай с парусом метрового масштаба. Например, для фокусировки луча света на парусе 4х4м на расстоянии в 200 тысяч километров, потребуется угол фокусировки в 2 нанорадиана (0.4 угловых миллисекунд). Это дифракционный предел для километрового лазерного излучателя, работающего на длине волны в 1 микрон.

Интерферометрия для Event Horizon Telescope продемонстрировала возможность достижения суб-нанорадианной точности на длине волны 1мм.

Атмосфера

Атмосфера вводит два эффекта:

Поглощение (нарушение целостности передачи)
- снижение качества луча (размывание луча)

Передающая способность атмосферы на длине волны 1 мкм очень хороша - более 90% для объектов расположенных высоко в горах. При таком расположении установки это снизит размывание луча в атмосферой, что позволит адаптивной оптике максимально приблизиться к дифракционному пределу. Атмосферная турбулентность, которая размывает луч, примерно в 4 раза ниже на высоте 5 км, чем на уровне моря. Еще больше нивелировать действие атмосферы можно коррекцией режима работы лазерных излучателей с помощью маяка в космосе.

Проект Breakthrough Starshot хочет достичь дифракционного предела для оптических лазерных систем в 0.2-1 км. Это на 1-2 порядка лучше существующих решений, однако нет никаких фундаментальных ограничений в достижении этой цели.

Запуск:

Точность наведения на метровый парус

Лазерный излучатель должен фокусироваться в пятно на парусе меньше чем размер самого паруса на орбите 60 000 км над землей.
Наведение лазера должно быть согласовано с положением звездной системы Альфы Центавра так, чтобы пролет системы проходил в пределах двух астрономических единиц. Использование фотонных двигателей малой тяги позволит корректировать курс на 1-2 астрономических единицы.

В задаче позиционирования луча основной является проблема удержания паруса на луче. Это зависит от размеров паруса и расстояния до него. Для метрового паруса рабочее расстояние для запуска может достигать нескольких миллионов километров. Точность прицеливания, необходимая на такой дистанции составляет несколько угловых миллисекунд. Существует несколько способов решения этой проблемы.
Модель атмосферы калибруют с помощью радара, лазерного луча и оптических измерений в реальном времени. Это позволит достичь необходимой точности позиционирования.

Большинство земных телескопов (например, телескоп Кека) имеют точность порядка нескольких угловых секунд и ограничено могут отслеживать объекты в режиме 100 угловых миллисекунд. Для целей миссии необходимо значительное улучшение точности.
Тем не менее, генерация лазерного луча системой с фазированной решеткой, с системой отслеживания сигнала маяка (для коррекции влияния атмосферы) космического аппарата может позволить достичь необходимой точности.

Удержание на паруса на луче

Существует ряд эффектов, которые делают эту задачу сложной. Это нестабильность луча, режимы работы лазера, силы действующие на парус, нагревание паруса, неоднородности атмосферы, вызванные энергией излучателей.

Вышеописанные проблемы можно решать вращением паруса и регуляция формы как паруса, так и пучка лучей, приходящих на него. Обратная связь поможет работе лазерных излучателей, но короткое время полета требует самостоятельной стабилизации системы.

Один из перспективных подходов заключается в том, чтобы придавать парусу специальную форму, стабилизирующую его положение на луче. Т.е., при вращении, на парус будут воздействовать такие крутящие моменты и силы, которые будут стремиться восстановить его ориентацию. Высокочастотная дрожь снизит общее количество передаваемой парусу энергии, но хорошая динамика паруса может снизить его восприимчивость к помехам, выше определенной частоты.

Поскольку для формирования луча будет использоваться массив с фазированной решеткой, профиль пучка может иметь такую форму, чтобы максимизировать способность паруса сохранять свою собственную позицию на луче, даже без механизма обратной связи.

Производство и хранение энергии

Производство и хранение энергии является технологическим вызовом.
Генерация 100 ГВт мощности и доставка ее в течение нескольких минут вполне достижимо на современном уровне технологий. Электростанции на природном газе могут генерировать энергию по цене $0.1 за киловатт-час.
В настоящее время так же доступны батареи и суперконденсаторы, которые способны обеспечить необходимую емкость хранения по разумной цене.

Точное определение орбитальной позиции экзопланеты

Для того, чтобы доставить нанокрафт к экзопланете с точность до 1 астрономической единицы, может потребоваться точный учет всех массивных тел вблизи траектории полета.
Часть информации может быть собрана первыми миссиями проекта и учтена в последующих запусках. Также принимаются усилия для лучшего понимания эфемерид - орбитальных позиции крупных объектов в конкретные моменты времени, способных повлиять на траекторию движения. Это включает в себя сотрудничество с крупнейшими телескопами в южном полушарии, включая Very Large Telescopes и Gemini.

Крейсерский этап:

Межзвездная пыль

Основываясь на оценках плотности пыли в ближайшей к нам межзвездной среде, за время путешествия к Альфе Центавра каждый квадратный сантиметр фронтальной площади поперечного сечения электронного модуля StarChip и светового паруса, столкнется примерно с 1000 пылевых частиц размером от 100 нанометров и выше. Тем не менее, вероятность столкновения с частицей в 1 микрометр за все время полета, составляет около 10%. А вероятность встретить более крупные частицы - незначительна.

Пылевая частица размером 100 нанометров, двигающаяся на скорость в 20% от скорости света, проникнет в электронный модуль на глубину порядка 0.4мм. Для оценки эффекта, приведены расчеты для модуля, размерами 10см х 0.1мм. Площадь поперечного сечения такого модуля составляет 0.1 см 2 . Защитное покрытие из бериллиевой бронзы, нанесенное на переднюю часть такого модуля, может обеспечить его защиту от воздействия пыли и эрозии. При необходимости, геометрия StarChip может быть изменена (например в форме «иглы») для дальнейшего уменьшения площади поперечного сечения.

Сам парус, для минимизации повреждений, может быть свернут в более обтекаемую конфигурации во время крейсерской фазы полета.

Импульс от удара частицы размером 100 нм сравнительно мал, и может быть компенсирован фотонными подруливателями.

Влияние межпланетной пыли внутри солнечной системы незначительно по сравнению с межзвездной пылью. О наличии пыли в системе Альфы Центавра известно мало.

Межзвездная среда и космические лучи

Средняя длина свободного пробега и ларморовский радиус частиц межзвездной плазмы намного больше, чем размер нанокрафта. Это означает, что такие частицы будут влиять на стенки независимо друг от друга, не образуя ударный шок.

Протоны из межзвездной плазмы на скорости 20% от скорости света, будут воздействовать на нанокрафт с кинетическими энергиями 18 МэВ, а электроны будут иметь энергию 10.2 кэВ. При этом не имеет значения, объединены ли протон и электрон в атом водорода, или прилетают по отдельности. Будет происходить эрозия поверхности нанокрафта из-за распыления. Количество распыленных таким образом атомов будет составлять порядка 1000 на см 2 . Полная потеря массы передней поверхности устройства составит лишь несколько слоев.

Протоны на энергии 18 МэВ будут проникать на глубину порядка нескольких миллиметров. Поэтому будет необходим защитный слой, способный остановить такие частицы, чтобы избежать повреждения электроники.

Космические лучи гораздо менее редки, чем межзвездные протоны, а значит могут быть проигнорированы. Столкновения с более тяжелыми элементами должны быть смягчены защитным покрытием: ядра гелия имеют энергии порядка 72 МэВ и их количество составляет около 10% от количества свободных протонов. Ядра элементов углерода, азота и кислорода несут энергии в 200-300 МэВ и присутствуют в количестве 0.01% от общего количества.
Для разработки технологий защиты, необходимо проведение лабораторных экспериментов для ионов, движущихся со скоростью 20% от скорости света и сталкивающихся с твердым телом.

Столкновения с межзвездными ионами и электронами, теоретически, может иметь свои преимущества: они могли бы придать нанокрафту потенциал до 10 кВ (кинетическая энергия на электрон). Фронтальная поверхность нанокрафтов будет нагреваться со скоростью 6 мВт на см 2 , что даст небольшой термоэлектрический источник энергии при путешествии в межзвездной среде.

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ КОСМОСА. ВСЕЛЕННАЯ И ЕЁ УСТРОЙСТВО

ЗВЕЗДЫ - ЭТО ТОЖЕ СОЛНЦА

Первым человеком, который понял, что все звезды - это тоже солнца, был итальянский ученый Джордано Бруно. Если бы можно было покинуть Солнечную систему и приблизиться к звездам, то мы бы убедились, что они представляют собой самосветящиеся газовые шары. Есть среди них сходные с Солнцем и размерами, и температурой поверхности, и цветом, зависящим от температуры. Но есть звезды, которые отличаются от Солнца - гиганты и сверхгиганты; или звезды, которые по размерам уступают не только Земле, но и Луне - карлики. У нашего Солнца, рядовой звезды, есть планетная система. Является ли оно исключительной звездой, или у других звезд тоже есть свои системы планет? Таких звезд, как наше Солнце, очень много, поэтому, возможно, и многие другие звезды обладают своими семействами планет. К сожалению, даже в самые большие телескопы невозможно рассмотреть планетные системы у самых близких звезд. Обнаружить другие планетные системы пока не удается и с помощью радиолокаторов. Открытие других планетных систем помогло бы лучше понять не только, как произошла наша Солнечная система, но и как возникла и развивалась в ней жизнь, поэтому ученые не прекращают свои исследования.

ДАЛЕКО ЛИ ДО ЗВЕЗД?

При наблюдении за какой-нибудь звездой с двух противоположных точек земного шара практически невозможно заметить различия в направлениях на звезду. Звезды находятся от Земли во много раз дальше, чем Луна, планеты, Солнце. Определить расстояние до ближайшей к нам звезды удалось русскому ученому В.Я.Струве. Это было более ста лет назад. Для этого ему пришлось наблюдать ее не с концов земного диаметра, а с концов прямой линии, которая в 23600 раз длиннее. Где же он мог взять такую прямую линию, которая на земном шаре не может уместиться? Оказывается, эта линия существует в природе. Это диаметр земной орбиты. За полгода земной шар перенесет нас на другую сторону от Солнца. Зная диаметр земной орбиты (а он вдвое больше среднего расстояния до Солнца), измерив углы, под которыми наблюдается звезда, можно вычислить расстояние до нее.

Самые близкие к нам звезды - Проксима Центавра и Альфа Центавра - находятся в 270 000 раз дальше от Земли, чем Солнце. Лучу света от этих звезд приходится лететь до Земли 4,5 года.

Расстояния до звезд огромны и измерять их километрами неудобно. Получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года.

Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300000 км/с надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз (10 000 000 000 000).

Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более.

МОЖНО ЛИ ДОЛЕТЕТЬ ДО ЗВЕЗД?

До Плутона - самой дальней планеты Солнечной системы космический аппарат летит немногим больше десяти лет. А можно ли долететь до Большой Медведицы или Кассиопеи? Долететь до созвездий невозможно. Каждое созвездие - это тот участок неба, который виден с Земли. Из-за очень большого расстояния нам кажется, что звезды расположены рядом. На самом деле звезды, входящие в одно созвездие, находятся на разных расстояниях от Земли. Эти расстояния огромны, и поэтому звезды при приближении к ним будут расступаться, как деревья в лесу. А если вы захотите долететь до звезды? Теоретически это возможно. Но с какой же скоростью надо двигаться и сколько лет добираться, например, до Сириуса? Если со скоростью света (300 000 км/с, самой большой скоростью в природе), то потребуется почти девять лет. А до Веги - 27. А до Полярной звезды расстояние пятьсот световых лет, т.е. луч света от Полярной звезды к Земле летит 500 лет. Это значит, что если эта звезда потухнет, то на Земле узнают об этом через 500 лет, а сейчас мы видим ее такой, какой она была 500 лет назад.

В настоящее время не придумали еще таких летательных аппаратов, которые смогли бы мчаться со световой скоростью или близкой к ней. Если придумать способ двигаться со скоростью света, то полет к звездам будет возможен.

ПОЧЕМУ ЗВЕЗДЫ СВЕТЯТ ПО-РАЗНОМУ?

Долгое время думали, что звезды светят по-разному потому, что расположены от нае на разных расстояниях и чем больше расстояние до звезды, тем меньше ее яркость. Однако выяснилось, что даясе если бы звезды находились на равных расстояниях от Земли, то имели бы различный видимый блеск. Видимый блеск звезды зависит не только от расстояния, но и от температуры звезды, размеров ее поверхности. Астрономы сравнивают звезды, используя специальную единицу измерения - абсолютную звездную величину. Она позволяет вычислить истинное излучение звезды. Например, чтобы сравнить светимость двух разных источников света, их надо поместить на одинаковом расстоянии от точки наблюдения, с помощью прибора (фотометра) измерить величину их излучения и затем сравнить. Наше Солнце - самая яркая звезда на небе, так как это ближайшая к нам звезда. Видимый блеск Солнца превосходит блеск любой звезды. Но если бы Солнце и другие звезды поместить на стандартное расстояние, то оказалось бы, что Солнце далеко не самая яркая звезда. В астрономии всегда необходимо отличать видимое, кажущееся от действительного, истинного. Расчеты показывают, что, например, Солнце по видимому блеску превосходит Полярную звезду в 370 000 000 000 раз, но действительная светимость звезды больше солнечной в 4570 раз, т.е. если бы Полярная и Солнце находились от Земли на одинаковом расстоянии, то Полярная светила бы ярче Солнца в 4570 раз. Светимость звезд зависит от их размеров и температуры.

КАКАЯ ЗВЕЗДА САМАЯ ЯРКАЯ?

Всего на небе находится 20 наиболее ярких звезд. Несколько особенно ярких звезд по своему блеску превышают блеск звезд 1-й звездной величины. Для этих звезд пришлось ввести отрицательные звездные величины. Для точного обозначения яркости звезд приходится прибегать к дробям. Самая яркая звезда северного полушария неба - Бега - имеет блеск 0,1 звездной величины, а самая яркая звезда всего неба - Сириус - имеет блеск минус 1,3 звездной величины.

Для всех звезд, видимых невооруженным глазом, и для многих более слабых точно измерена их звездная величина, Сириус более чем в 1000 раз ярче любой самой слабой звезды, которую можно наблюдать на небе.

В обычный театральный бинокль хорошо видны звезды до 7-й звездной величины, в призменный полевой бинокль - до 9-й звездной величины, в телескоп же видны и более слабые звезды. В современные телескопы можно наблюдать звезды до 18-й звездной величины. На фотографиях, снятых с помощью крупнейших телескопов, можно увидеть звезды до 23-й звездной величины. Они в 6 000 000 раз слабее по блеску самых слабосветящихся звезд, которые мы видим невооруженным глазом.

И если невооруженному глазу доступно всего лишь 3000 видимых над горизонтом звезд, то в самые мощные современные телескопы можно наблюдать миллиарды звезд.

ОДИНАКОВЫЕ ЛИ ПУТИ СОВЕРШАЮТ ЗВЕЗДЫ ПО НЕБУ?

Наблюдая за движением звезд, мы заметим, что звезды в восточной, части неба, т.е. слева от небесного меридиана, поднимаются над горизонтом. Пройдя через небесный меридиан и попав в западную часть неба, они начинают опускаться к горизонту. Значит, когда они проходили через небесный меридиан, то в этот момент достигли своей наибольшей высоты над горизонтом. Астрономы называют наивысшее положение над горизонтом верхней кульминацией данной звезды. Самое низкое положение над горизонтом называется нижней кульминацией. Астрономы поделили все звезды по виду их небесных движений на три группы.

1. Звезды незаходящие. Они, двигаясь вокруг полюса, никогда не заходят за горизонт, т.е.видны всю ночь, и в течение всего года у них можно наблюдать верхнюю и нижнюю кульминации.

2. Звезды восходящие и заходящие, у них видна только верхняя кульминация.

3. Звезды невосходящие, невидимые, все время находящиеся за горизонтом.

Если путешествовать по Земному шару вдоль меридиана, то можно заметить, как меняются суточные пути звезд на небесной сфере. Допустим, мы находимся на Северном полюсе. Все звезды северного полушария будут описывать круги по небу вокруг полюса мира и будут незаходя-щими в течение всей долгой (в полгода) полярной ночи. А теперь будем двигаться на юг. В умеренных широтах часть звезд не заходит за горизонт - это звезды, принадлежащие группе околополярных созвездий, другая часть звезд восходит и заходит. А если мы попадем на экватор, то там все звезды восходят и заходят перпендикулярно плоскости горизонта. Каждая звезда проходит над горизонтом ровно половину своего пути. Ось мира расположена в плоскости горизонта. Наблюдатели на экваторе при условии хорошей видимости в принципе могли бы видеть все звезды, если бы ночь длилась все 24 часа и не восходило бы Солнце.

ПОЧЕМУ МЕНЯЕТСЯ ВИД ЗВЕЗДНОГО НЕБА В ТЕЧЕНИЕ ГОДА?

В разные времена года по вечерам можно наблюдать разные созвездия. Отчего это происходит?

Солнце, как показывают наблюдения, не только движется вместе со всеми звездами в течение суток, восходя на востоке и заходя на западе, но еще и медленно перемещается среди звезд в обратном направлении, т.е. с запада на восток, переходя из созвездия в созвездие. То созвездие, в котором в данный момент находится Солнце, мы наблюдать не можем, так как оно восходит вместе с Солнцем и движется по небу днем, т.е. тогда, когда звезды не видны. Солнце своими лучами "гасит" звезды не только того созвездия, где оно находится, но и все другие. Поэтому наблюдать их нельзя. Путь, по которому Солнце перемещается среди звезд в течение года, называется эклиптикой. Он проходит по двенадцати так называемым зодиакальным созвездиям, в каждом из которых Солнце ежегодно бывает приблизительно по одному месяцу.

Годичное движение Солнца среди звезд - кажущееся. На самом деле движется сам наблюдатель вместе с Землей вокруг Солнца, поэтому и кажется, что Солнце переходит из одного созвездия в другое. И если мы будем в течение года по вечерам наблюдать звезды, то обнаружим, что вид звездного неба постепенно изменяется. Мы сможем познакомиться с созвездиями, видимыми в различное время года.

ЛЕКЦИЯ:

"ЧЕРЕЗ СЕМЬ МИЛЛИОНОВ ЛЕТ"

Лектор Моисеев И.М.

ССО "Энергия" МВТУ им. Баумана

пос. Усть-Абакан

Уважаемые товарищи! Хочу сразу предупредить, что речь пойдет о спорных и довольно-таки отвлеченных вопросах. Многое из того, что мне хочется вам рассказать, не является насущной проблемой сегодняшнего дня. Однако, понимание задачи, о которой я буду говорить, и возможности её решения имеет серьезный мировоззренческий характер.

Нам придется оперировать очень большими, по нашим меркам, числами. Мне хочется, чтобы вы хорошо их осознали, напоминаю: миллион - это тысяча тысяч, миллиард - тысяча миллионов. Чтобы просто посчитать до тысячи понадобиться 3 часа. До миллиона - 125 суток. До миллиарда - 350 лет. Представили? Ну что же. Тогда можно начинать.

20 миллиардов лет назад возникла Вселенная.

Где-то 5-6 миллиардов лет назад вспыхнуло наше Солнце.

4 миллиарда лет назад остыл расплавленный шар, который сейчас называется планетой Земля. Примерно миллион лет назад появился Человек.

Всего несколько тысяч лет существуют государства.

Около ста лет назад было изобретено радио и, наконец, 27 лет назад началась космическая эра.

Это время. Теперь поговорим о пространственных масштабах.

Как известно, луч света проходит в секунду 300 тысяч км. Мы воспользуемся скоростью света для измерения расстояний. Для того, чтобы луч света прошел расстояние равное длине экватора, ему понадобится 1/7 секунды. Чтобы достичь Луны - немногим больше 1 секунды. Расстояние от Земли до Солнца свет проходит за 8 минут. До границы Солнечной системы лучу света придется добираться более 5 часов. А вот до ближайшей звезды - Проксимы Центавра - лучу света лететь более 4-х лет. 75 тысяч лет понадобится чтобы луч света достиг центра нашей Галактики. 40 миллиардов лет понадобится лучу света, чтобы пересечь нашу Вселенную.

Мы живем на планете Земля. Наша планета является очень малой частью Солнечной системы, в которую входит I звезда - Солнце, 9 больших планет, десятки спутников планет, миллионы комет и астероидов и множество других материальных тел, помельче. Наша солнечная система находится на периферии Галактики, громадной звездной системе, в которую входит 10 миллиардов звезд, подобных Солнцу. Таких галактик во Вселенной - тысячи

миллиардов. Это - мир, в котором мы живем. Теперь, когда мы это все представили, настало время поставить первую задачу.

Итак. Нам надо.добраться до ближайшей звездной системы - системы Альфа Центавра. В эту систему входит 3 звезды: Альфа Центавра А - звезда похожая на наше Солнце, Альфа Центавра В и Проксима Центавра - небольшие красные звезды. Весьма вероятно, что в эту систему входят и планеты. Расстояние до неё - 4,3 световых года. Если бы мы могли двигаться со скоростью света, нам бы понадобилось почти 9 лет для путешествия туда и обратно. Но мы не можем двигаться со скоростью света. В настоящее время в нашем распоряжении есть только химические ракеты, их максимальная достигнутая скорость 20 км/сек. С этой скоростью до Альфы Центавра надо лететь более 70 тысяч лет. В нашем распоряжении есть электроракетные и ядерно-тепловые двигатели. Однако, первые из-за малой тяги не могут разогнать до приличных скоростей свой собственный вес, а вторые, грубо говоря, всего вдвое лучше химических. Писатели-фантасты любят посылать своих героев к звездам на фотонных, или, более правильно, аннигиляционных ракетах. Аннигиляционыые двигатели теоретически могут разогнать ракету до скорости, очень близ ной к скорости света, всего за один год. Но для того, чтобы делать аннигиляционные двигательные установки, нужно большое количество антивещества, а как его получить - совершенно неизвестно. Кроме того, совершенно неясна конструкция такого двигателя. А нам нужен реальный двигатель. Такой, чтобы мы знали, как его сделать и могли бы начать работу по его созданию прямо сейчас. А то ведь, если мы будем ждать, пока найдут неизвестные сейчас принципы мы можем остаться у разбитого корыта. К счастью такой двигатель существует. Правда, пока только на бумаге, но если мы с вами захотим, то сможем создать его и в металле. Это импульсный термоядерный ракетный двигатель. Давайте познакомимся с ним поподробнее. В этом двигателе с большой частотой сгорают маленькие порции термоядерного горючего. При этом выделяется очень большая энергия, продукты реакции - элементарные частицы - разлетаются с большой скоростью и толкают ракету вперед. Остановимся на основных проблемах, связанных с созданием такого двигателя и на путях их решения.

Проблема номер один - проблема поджига. Надо поджечь, то есть инициировать термоядерную реакцию в маленькой, не более 10 миллиграмм весом, таблетке термоядерного топлива. Такая таблетка обычно называется мишенью. Для того, чтобы реакция шла достаточно интенсивно, температура мишени должна достигать сотен миллионов градусов. Причем, чтобы успела прореагировать большая часть мишени, этот нагрев надо осуществить за очень короткое время. /Если мы будем нагревать медленно, мишень успеет испариться, так и не сгорев./ Расчеты и эксперименты показывают, что в мишень надо вложить энергию в один миллион джоулей за время в одну миллиардную секунды. Мощность такого импульса равна мощности 200 тысяч Красноярских ГЭС. А вот потребляемая мощность будет уже не так велика - 100 тысяч киловатт, если мы будем взрывать 100 мишеней в секунду. Первый вариант решения проблемы поджига нашел известный советский физик Басов. Он предложил поджигать мишени лучом лазера, в котором действительно можно сконцентрировать требуемую мощность. В этой области ведутся интенсивные работы и в недалеком будущем будут пущены первые термоядерные электростанции, работающие на этом принципе. Существуют и другие варианты решения этой проблемы, но они пока мало исследованы.

Проблема номер два - проблема камеры сгорания. При сгорании наших мишеней будет образовываться большое число элементарных частиц, несущих большую энергию, и мощное электромагнитное излучение, причем все это разлетается во все стороны. А нам нужно направить как можно больше продуктов реакции в одну сторону - против движения нашей ракеты - только в этом случае ракета сможет набирать скорость. Эту проблему мы сможем решить только с помощью магнитного поля. Магнитное поле определенной силы может изменить траектории продуктов реакции и направить их в нужном направлении. Такое поле мы создать можем.

Проблема номер три - проблема радиаторов. Электромагнитное излучение не поддается управлению магнитным полем. Это излучение поглощается элементами конструкции двигателя и преобразуется в тепло, которое должно быть сброшено в космос. Сброс избыточного тепла обычно осуществляется с помощью радиаторов - больших тонких пластин, набранных из тепловых трубок - простых устройств, позволяющих передавать тепло на большие расстояния. Однако, для наших условий, масса такой системы оказывается непозволительно большой.

Выход нашелся и здесь. Предложено применять для сброса тепла потоки маленьких твердых частиц или капель жидкости, нагретых до высокой температуры. Такие устройства новы, но вполне осуществимы.

При проектировании нашего двигателя возникнет еще много проблем, но все они разрешимы, причем, что важно, разрешимы на современном уровне развития науки и техники.

Представим себе двигатель в целом. Основу его составляет камера сгорания - усеченный конус, размером в несколько десятков метров. На оси этого конуса 100 раз в секунду происходят термоядерные взрывы, силой в несколько тонн тротила каждый. Реактивная струя истекает из широкого основания конуса. Этот конус образован двумя кольцами соленоидов. Стенок нет. Внутри конуса сильное магнитное поле. На верхнем соленоиде установлена лазерная система под-жига, система подачи мишеней в камеру сгорания, система отбора электроэнергии, необходимая для питания лазерной установки. /Для этого отбирается часть энергии взрывов./ По боковым образующим конуса текут струи жидкости - это радиатор. Для обеспечения необходимой тяги нам понадобится установить на нашей ракете около 200 таких двигателей.

Двигательную установку мы сделали. Теперь поговорим о полезной нагрузке. Наш аппарат будет пилотируемым. Поэтому основной частью будет обитаемый отсек. Он может быть выполнен в форме гантели. "Гантель" будет иметь размеры в две-три сотни метров. Она будет вращаться вокруг своей поперечной оси для создания искусственной силы тяжести. Со всех сторон она будет окружена термоядерным топливом, которое защитит экипаж от космического излучения. Кроме обитаемого отсека в полезную нагрузку войдут система энергообеспечения, система связи, вспомогательные системы.

Как видите, в постройке межзвездного космического корабля нет ничего невозможного, просто много сложного. Все проблемы преодолимы. Сейчас я познакомлю вас с характеристиками корабля, полученными в результате предварительного проектирования.

Масса на старте		млн тонн
Масса двигателя		тыс тонн
Масса полезной нагрузки		тыс тонн
Максимальная скорость		скорости света
Время полета		лет
Экипаж	1000	человек

Такой корабль позволит нам долететь до системы Альфа Центавра.

Прошу обратить внимание - только долететь. Вернуться он не сможет. Легко посчитать, что при сохранении той же конструкции, для того, чтобы иметь возможность вернуться наш корабль на старте должен весить 8 миллиардов тонн. Это явно превышает наши возможности. Да и зачем возвращаться? Всю новую - и очень огромную, надо заметить - информацию мы можем передать по радио. А нам надо будет остаться в системе Альфа Центавра, высадиться на планеты и начать их освоение.

Как мы это будем делать? Есть ли такая возможность? Да, есть. Мы запускаем из Солнечной системы, скажем, сто кораблей. Сто тысяч добровольцев. Через 60 лет они, их дети и внуки прибудут в систему Альфы Центавра и выйдут на орбиту вокруг самой удобной для освоения планеты. После разведки, люди начнут переделку всей планеты, ведь вряд ли она окажется копией нашей Земли. Если она будет чересчур горячей, можно закрыть ее от звезды пылевым экраном. Если чересчур холодной - направить на нее дополнительную энергию с помощью больших и очень легких зеркал, можем мы сделать такие. Мы можем переделать и атмосферу. Например, как это предложил сделать Карл Саган /тот самый, который недавно послал письмо К.У.Черненко, в котором выражал свою обеспокоенность планами милитаризации космического пространства. Ответ Черненко публиковался тогда во всех газетах./ - он предложил забросить в атмосферу другой планеты специально подобранные микроорганизмы которые будут поглощать углекислый газ и выделять кислород. Мы, в принципе, можем так же создать искусственные механизмы, которые способны репродуцироваться /размножаться/ и быстро могут переделать атмосферу и поверхностный слой любой планеты. Все это не просто, но возможно. Когда мы мало-мальски освоимся в новой системе, мы можем сделать следующий шаг - запустить новую эскадру кораблей к новой звездной системе, с теми же целями.

И так далее. А вот теперь - самое главное. Кульминационный пункт. Действуя таким образом, мы за СЕМЬ МИЛЛИОНОВ ЛЕТ можем освоить всю нашу Галактику. Семь миллионов лет по масштабам Вселенной - ничтожно малый срок. И через семь миллионов лет, не больше, вся наша Галактика, эта огромная система с миллиардами планетных систем, станет большим домом Человечества. Ради такой цели стоит поработать. Конечно, проблем самого разного рода здесь, конечно, больше, чем решений. Но, повторяю, все их можно решить. И я не сомневаюсь - они будут разрешены.

Единственное, что может остановить Человечество на его звездном пути - ядерная война. Те же средства, которые позволяют Человечеству выйти к звездам, могут уничтожить его в самом начале пути. Конечно, мне не нужно вас агитировать за мир. Но я позволю себе напомнить вам, что сейчас активная борьба за мирное будущее Человечества - это единственное, что может спасти не только нашу жизнь, но и огромное будущее нашего Человечества.

В какой-то момент жизни каждый из нас задавал этот вопрос: как долго лететь к звездам? Можно ли осуществить такой перелет за одну человеческую жизнь, могут ли такие полеты стать нормой повседневности? На этот сложный вопрос очень много ответов, в зависимости от того, кто спрашивает. Некоторые простые, другие сложнее. Чтобы найти исчерпывающий ответ, слишком многое нужно принять во внимание.

К сожалению, никаких реальных оценок, которые помогли бы найти такой ответ, не существует, и это расстраивает футурологов и энтузиастов межзвездных путешествий. Нравится нам это или нет, космос очень большой (и сложный), и наши технологии все еще ограничены. Но если мы когда-нибудь решимся покинуть «родное гнездышко», у нас будет несколько способов добраться до ближайшей звездной системы в нашей галактике.

Ближайшей звездой к нашей Земле является Солнце, вполне себе «средняя» звезда по схеме «главной последовательности» Герцшпрунга – Рассела. Это означает, что звезда весьма стабильна и обеспечивает достаточно солнечного света, чтобы на нашей планете развивалась жизнь. Мы знаем, что вокруг звезд рядом с нашей Солнечной системой вращаются и другие планеты, и многие из этих звезд похожи на нашу собственную.

Часть первая: современные методы

В будущем, если человечество желает покинуть Солнечную систему, у нас будет огромный выбор звезд, на которые мы могли бы отправиться, и многие из них вполне могут располагать благоприятными для жизни условиями. Но куда мы отправимся и сколько времени у нас займет дорога туда? Не забывайте, что все это всего лишь домыслы, и нет никаких ориентиров для межзвездных путешествий в настоящее время. Ну, как говорил Гагарин, поехали!

Дотянуться до звезды

Как уже отмечалось, ближайшая звезда к нашей Солнечной системе - это Проксима Центавра, и поэтому имеет большой смысл начать планирование межзвездной миссии именно с нее. Будучи частью тройной звездной системы Альфа Центавра, Проксима находится в 4,24 светового года (1,3 парсека) от Земли. Альфа Центавра - это, по сути, самая яркая звезда из трех в системе, часть тесной бинарной системы в 4,37 светового года от Земли - тогда как Проксима Центавра (самая тусклая из трех) представляет собой изолированный красный карлик в 0,13 световых лет от двойной системы.

И хотя беседы о межзвездных путешествиях навевают мысли о всевозможных путешествиях «быстрее скорости света» (БСС), начиная от варп-скоростей и червоточины до подпространственных двигателей, такие теории либо в высшей степени вымышлены (вроде двигателя Алькубьерре), либо существуют лишь в научной фантастике. Любая миссия в глубокий космос растянется на поколения людей.

Итак, если начинать с одной из самых медленных форм космических путешествий, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра?

Современные методы

Вопрос оценки длительности перемещения в космосе куда проще, если в нем замешаны существующие технологии и тела в нашей Солнечной системе. К примеру, используя технологию, используемую миссией «Новых горизонтов», 16 двигателей на гидразиновом монотопливе, можно добраться до Луны всего за 8 часов и 35 минут.

Есть также миссия SMART-1 Европейского космического агентства, которая двигалась к Луне с помощью ионной тяги. С этой революционной технологией, вариант которой использовал также космический зонд Dawn, чтобы достичь Весты, миссии SMART-1 потребовался год, месяц и две недели, чтобы добраться до Луны.

От быстрого ракетного космического аппарата до экономного ионного двигателя, у нас есть парочка вариантов передвижения по местному космосу - плюс можно использовать Юпитер или Сатурн как огромную гравитационную рогатку. Тем не менее, если мы планируем выбраться чуть подальше, нам придется наращивать мощь технологий и изучать новые возможности.

Когда мы говорим о возможных методах, мы говорим о тех, что вовлекают существующие технологии, или о тех, которых пока не существуют, но которые технически осуществимы. Некоторые из них, как вы увидите, проверены временем и подтверждены, а другие пока остаются под вопросом. Вкратце, они представляют возможный, но очень затратный по времени и финансам сценарий путешествия даже к ближайшей звезде.

Ионное движение

Сейчас самой медленной и самой экономичной формой двигателя является ионный двигатель. Несколько десятилетий назад ионное движение считалось предметом научной фантастики. Но в последние года технологии поддержки ионных двигателей перешли от теории к практике, и весьма успешно. Миссия SMART-1 Европейского космического агентства - пример успешно проведенной миссии к Луне за 13 месяцев спирального движения от Земли.

SMART-1 использовала ионные двигатели на солнечной энергии, в которых электроэнергия собиралась солнечными батареями и использовалась для питания двигателей эффекта Холла. Чтобы доставить SMART-1 на Луну, потребовалось всего 82 килограмма ксенонового топлива. 1 килограмм ксенонового топлива обеспечивает дельта-V в 45 м/с. Это крайне эффективная форма движения, но далеко не самая быстрая.

Одной из первых миссий, использовавших технологию ионного двигателя, была миссия Deep Space 1 к комете Боррелли в 1998 году. DS1 тоже использовал ксеноновый ионный двигатель и потратил 81,5 кг топлива. За 20 месяцев тяги DS1 развил скорости в 56 000 км/ч на момент пролета кометы.

Ионные двигатели более экономичны, чем ракетные технологии, поскольку их тяга на единицу массы ракетного топлива (удельный импульс) намного выше. Но ионным двигателям нужно много времени, чтобы разогнать космический аппарат до существенных скоростей, и максимальная скорость зависит от топливной поддержки и объемов выработки электроэнергии.

Поэтому, если использовать ионное движение в миссии к Проксиме Центавра, двигатели должны иметь мощный источник энергии (ядерная энергия) и большие запасы топлива (хотя и меньше, чем обычные ракеты). Но если отталкиваться от допущения, что 81,5 кг ксенонового топлива переводится в 56 000 км/ч (и не будет никаких других форм движения), можно произвести расчеты.

На максимальной скорости в 56 000 км/ч Deep Space 1 потребовалось бы 81 000 лет, чтобы преодолеть 4,24 светового года между Землей и Проксимой Центавра. По времени это порядка 2700 поколений людей. Можно с уверенность сказать, что межпланетный ионный двигатель будет слишком медленным для пилотируемой межзвездной миссии.

Но если ионные двигатели будут крупнее и мощнее (то есть скорость исхода ионов будет значительно выше), если будет достаточно ракетного топлива, которого хватит на все 4,24 светового года, время путешествия значительно сократится. Но все равно останется значительно больше срока человеческой жизни.

Гравитационный маневр

Самый быстрый способ космических путешествий - это использование гравитационного маневра. Этот метод включает использование космическим аппаратом относительного движения (то есть орбиту) и гравитации планеты для изменения пути и скорости. Гравитационные маневры являются крайне полезной техникой космических полетов, особенно при использовании Земли или другой массивной планеты (вроде газового гиганта) для ускорения.

Космический аппарат Mariner 10 первым использовал этот метод, используя гравитационную тягу Венеры для разгона в сторону Меркурия в феврале 1974 года. В 1980-х зонд «Вояджер-1» использовал Сатурн и Юпитер для гравитационных маневров и разгона до 60 000 км/ч с последующим выходом в межзвездное пространство.

Миссии Helios 2, которая началась в 1976 году и должна была исследовать межпланетную среду между 0,3 а. е. и 1 а. е. от Солнца, принадлежит рекорд самой высокой скорости, развитой с помощью гравитационного маневра. На тот момент Helios 1 (запущенному в 1974 году) и Helios 2 принадлежал рекорд самого близкого подхода к Солнцу. Helios 2 был запущен обычной ракетой и выведен на сильно вытянутую орбиту.

Из-за большого эксцентриситета (0,54) 190-дневной солнечной орбиты, в перигелии Helios 2 удалось достичь максимальной скорости свыше 240 000 км/ч. Эта орбитальная скорость была развита за счет только лишь гравитационного притяжения Солнца. Технически скорость перигелия Helios 2 не была результатом гравитационного маневра, а максимальной орбитальной скоростью, но аппарат все равно удерживает рекорд самого быстрого искусственного объекта.

Если бы «Вояджер-1» двигался в направлении красного карлика Проксимы Центавра с постоянной скорость в 60 000 км/ч, ему потребовалось бы 76 000 лет (или более 2500 поколений), чтобы преодолеть это расстояние. Но если бы зонд развил рекордную скорость Helios 2 - постоянную скорость в 240 000 км/ч - ему потребовалось бы 19 000 лет (или более 600 поколений), чтобы преодолеть 4,243 светового года. Существенно лучше, хотя и близко не практично.

Электромагнитный двигатель EM Drive

Другой предложенный метод межзвездных путешествий - это радиочастотный двигатель с резонансной полостью, известный также как EM Drive. У предложенного еще в 2001 году Роджером Шойером, британским ученым, который создал Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) для реализации проекта, двигателя в основе лежит идея того, что электромагнитные микроволновые полости позволяют напрямую преобразовывать электроэнергию в тягу.

Если традиционные электромагнитные двигатели предназначены для приведения в движение определенной массы (вроде ионизированных частиц), конкретно эта двигательная система не зависит от реакции массы и не испускает направленного излучения. Вообще, этот двигатель встретили с изрядной долей скепсиса во многом потому, что он нарушает закон сохранения импульса, согласно которому импульс системы остается постоянным и его нельзя создать или уничтожить, а только изменить под действием силы.

Тем не менее последние эксперименты с этой технологией очевидно привели к положительным результатам. В июле 2014 года, на 50-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference в Кливленде, штат Огайо, ученые NASA, занимающиеся передовыми реактивными разработками, заявили, что успешно испытали новую конструкцию электромагнитного двигателя.

В апреле 2015 года ученые NASA Eagleworks (часть Космического центра им. Джонсона) заявили, что успешно испытали этот двигатель в вакууме, что может указывать на возможное применение в космосе. В июле того же года группа ученых из отделения космических систем Дрезденского технологического университета разработала собственную версию двигателя и наблюдала ощутимую тягу.

В 2010 году профессор Чжуан Янг из Северо-Западного политехнического университета в Сиань, Китай, начала публиковать серию статей о своих исследованиях технологии EM Drive. В 2012 году она сообщила о высокой входной мощности (2,5 кВт) и зафиксированной тяге в 720 мн. В 2014 году она также провела обширные испытания, включая замеры внутренней температуры со встроенными термопарами, которые показали, что система работает.

По расчетам на базе прототипа NASA (которому дали оценку мощности в 0,4 Н/кВт), космический аппарат на электромагнитном двигателе может осуществить поездку к Плутону менее чем за 18 месяцев. Это в шесть раз меньше, чем потребовалось зонду «Новые горизонты», который двигался на скорости 58 000 км/ч.

Звучит впечатляюще. Но даже в таком случае корабль на электромагнитных двигателях будет лететь к Проксиме Центавра 13 000 лет. Близко, но все еще недостаточно. Кроме того, пока в этой технологии не будут расставлены все точки над ё, рано говорить о ее использовании.

Ядерное тепловое и ядерное электрическое движение

Еще одна возможность осуществить межзвездный перелет - использовать космический аппарат, оснащенный ядерными двигателями. NASA десятилетиями изучало такие варианты. В ракете на ядерном тепловом движении можно было бы использовать урановые или дейтериевые реакторы, чтобы нагревать водород в реакторе, превращая его в ионизированный газ (плазму водорода), который затем будет направляться в сопло ракеты, генерируя тягу.

Ракета с ядерным электрическим приводом включает тот же реактор, преобразующий тепло и энергию в электроэнергию, которая затем питает электродвигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерный синтез или ядерное деление для создания тяги, а не на химическое топливо, на котором работают все современные космические агентства.

По сравнению с химическими двигателями, у ядерных есть неоспоримые преимущества. Во-первых, это практически неограниченная энергетическая плотность по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, ядерный двигатель также будет вырабатывать мощную тягу по сравнению с используемым объемом топлива. Это позволит сократить объемы необходимого топлива, а вместе с тем вес и стоимость конкретного аппарата.

Хотя двигатели на тепловой ядерной энергии пока в космос не выходили, их прототипы создавались и испытывались, а предлагалось их еще больше.

И все же, несмотря на преимущества в экономии топлива и удельном импульсе, самая лучшая из предложенных концепций ядерного теплового двигателя имеет максимальный удельный импульс в 5000 секунд (50 кН c/кг). Используя ядерные двигатели, работающие на ядерном делении или синтезе, ученые NASA могли бы доставить космический аппарат на Марс всего за 90 дней, если Красная планета будет в 55 000 000 километрах от Земли.

Но если говорить о путешествии к Проксиме Центавра, ядерной ракете потребуются столетия, чтобы разогнаться до существенной доли скорости света. Потом потребуются несколько десятилетий пути, а за ними еще много веков торможения на пути к цели. Мы все еще в 1000 годах от пункта назначения. Что хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.

Часть вторая: теоретические методы

Если использовать существующие технологии, времени, чтобы отправить ученых и астронавтов в межзвездную миссию, потребуется очень и очень много. Путешествие будет мучительно долгим (даже по космическим меркам). Если мы хотим осуществить такое путешествие хотя бы за одну жизнь, ну или за поколение, нам нужны более радикальные (читай: сугубо теоретические) меры. И если червоточины и подпространственные двигатели на текущий момент являются абсолютно фантастическими, много лет существовали другие идеи, в реализацию которых мы верим.

Ядерная силовая установка

Ядерная силовая установка - это теоретически возможный «двигатель» для быстрого космического путешествия. Концепцию первоначально предложил Станислав Улам в 1946 году, польско-американский математик, принимавший участие в Манхэттенском проекте, а предварительные расчеты сделали Ф. Райнес и Улам в 1947 году. Проект «Орион» был запущен в 1958 году и просуществовал до 1963-го.

Под руководством Теда Тейлора из General Atomics и физика Фримена Дайсона из Института перспективных исследований в Принстоне, «Орион» должен был использовать силу импульсных ядерных взрывов, чтобы обеспечить огромную тягу с очень высоким удельным импульсом.

В двух словах, проект «Орион» включает крупный космический аппарат, который набирает скорость за счет поддержки термоядерных боеголовок, выбрасывая бомбы позади и ускоряясь за счет взрывной волны, которая уходит в расположенный сзади «пушер», панель для толчка. После каждого толчка сила взрыва поглощается этой панелью и преобразуется в движение вперед.

Хотя по современным меркам эту конструкцию сложно назвать элегантной, преимущество концепции в том, что она обеспечивает высокую удельную тягу - то есть извлекает максимальное количество энергии из источника топлива (в данном случае ядерных бомб) при минимальных затратах. Кроме того, эта концепция может теоретически разгонять очень высокие скорости, по некоторым оценкам, до 5% от скорости света (5,4 × 107 км/ч).

Конечно, у этого проекта имеются неизбежные минусы. С одной стороны, корабль такого размера будет крайне дорого строить. По оценкам, которые сделал Дайсон в 1968 году, космический аппарат «Орион» на водородных бомбах весил бы от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн. И по крайней мере три четверти этого веса будут приходиться на ядерные бомбы, каждая из которых весит примерно одну тонну.

Скромные подсчеты Дайсона показали, что общая стоимость строительства «Ориона» составила бы 367 миллиардов долларов. С поправкой на инфляцию, эта сумма выливается в 2,5 триллиона долларов, это довольно много. Даже при самых скромных оценкам, аппарат будет крайне дорогим в производстве.

Есть еще небольшая проблема радиации, которую он будет излучать, не говоря уж о ядерных отходах. Считается, что именно по этой причине проект был свернут в рамках договора о частичном запрете испытаний от 1963 года, когда мировые правительства стремились ограничить ядерные испытания и остановить чрезмерный выброс радиоактивных осадков в атмосферу планеты.

Ракеты на ядерном синтезе

Другая возможность использования ядерной энергии заключается в термоядерных реакциях для получения тяги. В рамках этой концепции, энергия должна создаваться во время воспламенения гранул смеси дейтерия и гелия-3 в реакционной камере инерционным удержанием с использованием электронных лучей (подобно тому, что делают в Национальном комплексе зажигания в Калифорнии). Такой термоядерный реактор взрывал бы 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму, которая затем перенаправлялась бы в сопло, создавая тягу.

Подобно ракете, которая полагается на ядерный реактор, эта концепция обладает преимуществами с точки зрения эффективности топлива и удельного импульса. По оценке, скорость должна достигать 10 600 км/ч, что намного превышает пределы скорости обычных ракет. Более того, эта технология активно изучалась в течение последних нескольких десятилетий, и было сделано много предложений.

Например, между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество провело исследование возможности проекта «Дедал». Опираясь на современные знания и технологии термоядерного синтеза, ученые призвали к строительству двухступенчатого беспилотного научного зонда, который смог бы добраться до звезды Барнарда (5,9 светового года от Земли) за срок человеческой жизни.

Первая ступень, крупнейшая из двух, работала бы в течение 2,05 года и разогнать аппарат до 7,1% скорости света. Затем эта ступень отбрасывается, зажигается вторая, и аппарат разгоняется до 12% скорости света за 1,8 года. Потом двигатель второй ступени отключается, и корабль летит в течение 46 лет.

По оценкам проекта «Дедал», миссии потребовалось бы 50 лет, чтобы достичь звезды Барнарда. Если к Проксиме Центавра, то же судно доберется за 36 лет. Но, конечно, проект включает массу нерешенных вопросов, в частности неразрешимых с использованием современных технологий - и большинство из них до сих пор не решены.

К примеру, на Земле практически нет гелия-3, а значит, его придется добывать в другом месте (вероятнее всего, на Луне). Во-вторых, реакция, которая движет аппарат, требует, чтобы испускаемая энергия значительно превышала энергию, затраченную на запуск реакции. И хотя эксперименты на Земле уже превзошли «точку безубыточности», мы еще далеки от тех объемов энергии, что смогут питать межзвездный аппарат.

В-третьих, остается вопрос стоимости такого судна. Даже по скромным стандартам беспилотного аппарата проекта «Дедал», полностью оборудованный аппарат будет весить 60 000 тонн. Чтобы вы понимали, вес брутто NASA SLS чуть выше 30 метрических тонн, и один только запуск обойдется в 5 миллиардов долларов (по оценкам 2013 года).

Короче говоря, ракету на ядерном синтезе будет не только слишком дорого строить, но и потребуется уровень термоядерного реактора, намного превышающий наши возможности. Icarus Interstellar, международная организация гражданских ученых (некоторые из которых работали в NASA или ЕКА), пытается оживить концепцию с проектом «Икар». Собранная в 2009 году группа надеется сделать движение на синтезе (и другое) возможным в обозримом будущем.

Термоядерный ПВРД

Известный также как ПВРД Буссарда, двигатель впервые предложил физик Роберт Буссард в 1960 году. По своей сути, это улучшение стандартной термоядерной ракеты, которая использует магнитные поля для сжатия водородного топлива до точки запуска синтеза. Но в случае ПВРД, огромная электромагнитная воронка всасывает водород из межзвездной среды и сливает в реактор как топливо.

По мере того как аппарат набирает скорость, реактивная масса попадает в ограничивающее магнитное поле, которое сжимает ее до начала термоядерного синтеза. Затем магнитное поле направляет энергию в сопло ракеты, ускоряя судно. Поскольку никакие топливные баки не будут его замедлять, термоядерный ПВРД может развить скорость порядка 4% световой и отправиться куда угодно в галактику.

Тем не менее у этой миссии есть масса возможных недостатков. К примеру, проблема трения. Космический аппарат полагается на высокую скорость сбора топлива, но вместе с тем будет сталкиваться с большим количеством межзвездного водорода и терять скорость - особенно в плотных регионах галактики. Во-вторых, дейтерия и трития (которые используются в реакторах на Земле) в космосе немного, а синтез обычного водорода, которого много в космосе, пока нам неподвластен.

Впрочем, научная фантастика полюбила эту концепцию. Самым известным примером является, пожалуй, франшиза «Звездный путь», где используются «коллекторы Буссарда». В реальности же наше понимание реакторов синтеза далеко не так прекрасно, как хотелось бы.

Лазерный парус

Солнечные паруса давно считаются эффективным способом покорения Солнечной системы. Помимо того, что они относительно просты и дешевы в изготовлении, у них большой плюс: им не нужно топливо. Вместо использования ракет, нуждающихся в топливе, парус использует давление радиации звезд, чтобы разгонять сверхтонкие зеркала до высоких скоростей.

Тем не менее, в случае межзвездного перелета, такой парус придется подталкивать сфокусированными лучами энергии (лазером или микроволнами), чтобы разгонять до скорости, близкой к световой. Концепцию впервые предложил Роберт Форвард в 1984 году, физик лаборатории Hughes Aircraft.

Его идея сохраняет преимущества солнечного паруса в том, что не требует топлива на борту, а также и в том, что лазерная энергия не рассеивается на расстоянии так же, как и солнечная радиация. Таким образом, хотя лазерному парусу потребуется некоторое время, чтобы разогнаться до околосветовой скорости, он впоследствии будет ограничен только скоростью самого света.

По данным исследования Роберта Фрисби в 2000 году, директора по исследованиям передовых двигательных концепций в Лаборатории реактивного движения NASA, лазерный парус разгонится до половины световой скорости меньше чем за десять лет. Он также рассчитал, что парус диаметром 320 километров мог бы добраться до Проксимы Центавра за 12 лет. Между тем, парус 965 километров в диаметре прибудет на место всего через 9 лет.

Однако строить такой парус придется из передовых композитных материалов, чтобы избежать плавления. Что будет особенно сложно, учитывая размеры паруса. Еще хуже обстоит дело с расходами. По мнению Фрисби, лазерам потребуется стабильный поток в 17 000 тераватт энергии - примерно столько весь мир потребляет за один день.

Двигатель на антиматерии

Любители научной фантастики хорошо знают, что такое антиматерия. Но если вы забыли, антиматерия - это вещество, состоящее из частиц, которые имеют такую же массу, как и обычные частицы, но противоположный заряд. Двигатель на антиматерии - это гипотетический двигатель, в основе которого лежат взаимодействия между материей и антиматерией для генерации энергии, или создания тяги.

Короче говоря, двигатель на антиматерии использует сталкивающиеся между собой частицы водорода и антиводорода. Испущенная в процессе аннигиляции энергия сравнима по объемам с энергией взрыва термоядерной бомбы в сопровождении потока субатомных частиц - пионов и мюонов. Эти частицы, которые движутся со скоростью одной третьей от скорости света, перенаправляются в магнитное сопло и вырабатывают тягу.

Преимущество такого класса ракет в том, что большую часть массы смеси материи/антиматерии можно преобразовать в энергию, что обеспечивает высокую плотность энергии и удельный импульс, превосходящий любую другую ракету. Более того, реакция аннигиляции может разогнать ракету до половины скорости света.

Такой класс ракет будет самым быстрым и самым энергоэффективным из возможных (или невозможных, но предлагаемых). Если обычные химические ракеты требуют тонны топлива, чтобы продвигать космический корабль к месту назначения, двигатель на антиматерии будет делать ту же работу за счет нескольких миллиграммов топлива. Взаимное уничтожение полукилограмма частиц водорода и антиводорода высвобождает больше энергии, чем 10-мегатонная водородная бомба.

Именно по этой причине Институт перспективных концепций NASA исследует эту технологию как возможную для будущих миссий на Марс. К сожалению, если рассматривать миссии к ближайшим звездным системам, сумма необходимого топлива растет в геометрической прогрессии, и расходы становятся астрономическими (и это не каламбур).

Согласно отчету, подготовленному к 39-й конференции AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference и Exhibit, двухступенчатая ракета на антивеществе потребует больше 815 000 метрических тонн топлива, чтобы добраться до Проксимы Центавра за 40 лет. Это относительно быстро. Но цена…

Хотя один грамм антивещества производит невероятное количество энергии, производство одного только грамма потребует 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и выльется в триллион долларов. В настоящее время общее количество антивещества, которое было создано людьми, составляет меньше 20 нанограммов.

И даже если бы мы могли задешево производить антиматерию, нам потребовался бы массивный корабль, который смог бы удерживать необходимое количество топлива. Согласно докладу доктора Даррела Смита и Джонатана Вебби из Авиационного университета Эмбри-Риддл в штате Аризона, межзвездный корабль с двигателем на антивеществе мог бы набрать скорость в 0,5 световой и достичь Проксимы Центавра чуть больше чем за 8 лет. Тем не менее сам корабль весил бы 400 тонн и потребовал бы 170 тонн топлива из антивещества.

Возможный способ обойти это - создать судно, которое будет создавать антивещество с последующим его использованием в качестве топлива. Эта концепция, известная как Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), была предложена Ричардом Обаузи из Icarus Interstellar. Опираясь на идею переработки на месте, корабль VARIES должен использовать крупные лазеры (запитанные огромными солнечными батареями), создающие частицы антивещества при выстреле в пустой космос.

Подобно концепции с термоядерным ПВРД, это предложение решает проблему перевозки топлива за счет его добычи прямо из космоса. Но опять же, стоимость такого корабля будет чрезвычайно высокой, если строить его нашими современными методами. Мы просто не в силах создавать антивещество в огромных масштабах. А еще нужно решить проблему с радиацией, поскольку аннигиляция материи и антиматерии производит вспышки высокоэнергетических гамма-лучей.

Они не только представляют опасность для экипажа, но и для двигателя, чтобы те не развалились на субатомные частицы под воздействием всей этой радиации. Короче говоря, двигатель на антивеществе совершенно непрактичен с учетом наших современных технологий.

Варп-двигатель Алькубьерре

Любители научной фантастики, без сомнения, знакомы с концепцией варп-двигателя (или двигателя Алькубьерре). Предложенная мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, эта идея была попыткой вообразить мгновенное перемещение в пространстве без нарушения специальной теории относительности Эйнштейна. Если коротко, эта концепция включает растяжение ткани пространства-времени в волну, которая теоретически приведет к тому, что пространство перед объектом будет сжиматься, а позади - расширяться.

Объект внутри этой волны (наш корабль) сможет ехать на этой волне, будучи в «варп-пузыре», со скоростью намного превышающей релятивистскую. Поскольку корабль не движется в самом пузыре, а переносится им, законы относительности и пространства-времени нарушаться не будут. По сути, этот метод не включает движение быстрее скорости света в локальном смысле.

«Быстрее света» он только в том смысле, что корабль может достичь пункта назначения быстрее луча света, путешествующий за пределами варп-пузыря. Если предположить, что космический аппарат будет оснащен системой Алькубьерре, он доберется до Проксимы Центавра меньше чем за 4 года. Поэтому, если говорить о теоретическом межзвездном космическом путешествии, это, безусловно, наиболее перспективная технология в плане скорости.

Разумеется, вся эта концепция чрезвычайно спорная. Среди аргументов против, например, то, что она не принимает во внимание квантовую механику и может быть опровергнута теорией всего (вроде петлевой квантовой гравитации). Расчеты необходимого объема энергии также показали, что варп-двигатель будет непомерно прожорлив. Другие неопределенности включают безопасность такой системы, эффекты пространства-времени в пункте назначения и нарушения причинности.

Тем не менее в 2012 году ученый NASA Гарольд Уайт заявил, что вместе с коллегами начал исследовать возможность создания двигателя Алькубьерре. Уайт заявил, что они построили интерферометр, который будет улавливать пространственные искажения, произведенные расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.

В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля, которые проводились в условиях вакуума. К сожалению, результаты сочли «неубедительными». В долгосрочной перспективе мы можем выяснить, что метрика Алькубьерре нарушает один или несколько фундаментальных законов природы. И даже если его физика окажется верной, нет никаких гарантий, что систему Алькубьерре можно использовать для полетов.

В общем, все как обычно: вы родились слишком рано для путешествия к ближайшей звезде. Тем не менее, если человечество почувствует необходимость построить «межзвездный ковчег», который будет вмещать самоподдерживающееся человеческое общество, добраться до Проксимы Центавра удастся лет за сто. Если мы, конечно, захотим инвестировать в такое мероприятие.

Что касается времени, все доступные методы кажутся крайне ограниченными. И если потратить сотни тысяч лет на путешествие к ближайшей звезде может нас мало интересовать, когда наше собственное выживание стоит на кону, по мере развития космических технологий, методы будут оставаться чрезвычайно непрактичным. К моменту, когда наш ковчег доберется до ближайшей звезды, его технологии станут устаревшими, а самого человечества может уже не существовать.

Так что если мы не осуществим крупный прорыв в сфере синтеза, антиматерии или лазерных технологий, мы будем довольствоваться изучением нашей собственной Солнечной системы.

Допустим, Земле конец. Солнце готово вот-вот взорваться, к планете приближается астероид размером с Техас. Крупные города населены зомби, а в сельской местности фермеры усиленно сажают кукурузу, потому что другие посевы гибнут. Нужно срочно покидать планету, но вот беда - в районе Сатурна никаких червоточин не обнаружено, а сверхсветовых двигателей из далёкой-далёкой галактики не завезли. До ближайшей звезды - больше четырёх световых лет. Сможет ли человечество достичь её, располагая современными технологиями? Ответ не столь очевиден.

Вряд ли кто-то станет утверждать, что глобальная экологическая катастрофа, которая поставит под угрозу существование всей жизни на Земле, может случиться лишь в кино. На нашей планете не раз происходили массовые вымирания, во время которых гибло до 90% существующих видов. Земля переживала периоды глобального оледенения, сталкивалась с астероидами, проходила через всплески вулканической активности.

Конечно, даже во время самых страшных катастроф жизнь никогда не исчезала полностью. Но того же не скажешь о господствовавших на тот момент видах, которые вымирали, освобождая дорогу другим. А кто сейчас господствующий вид? Вот-вот.

Вполне вероятно, что возможность покинуть родной дом и отправиться к звёздам в поисках нового сможет когда-нибудь спасти человечество. Однако вряд ли стоит уповать, что какие-нибудь космические благодетели откроют нам дорогу к звёздам. Стоит прикинуть, каковы наши теоретические возможности добраться до звёзд своими силами.

Космический ковчег

В первую очередь на ум приходят традиционные двигатели на химической тяге. В настоящий момент четырём земным аппаратам (все они были запущены ещё в 1970-х) удалось развить третью космическую скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему.

Наиболее быстрый из них, «Вояджер-1», за прошедшие с момента запуска 37 лет удалился от Земли на расстояние в 130 а.е. (астрономических единиц, то есть 130 расстояний от Земли до Солнца). Каждый год аппарат преодолевает примерно 3,5 а.е. Расстояние до Альфы Центавра - 4,36 световых лет, или 275 725 а.е. С такой скоростью аппарату потребуется почти 79 тысяч лет, чтобы добраться до соседней звезды. Мягко говоря, ждать придётся долго.

Фото Земли (над стрелочкой) с расстояния 6 миллиардов километров, сделанное «Вояджером-1». Это расстояние космический аппарат прошёл за 13 лет.

Можно найти способ лететь быстрее, а можно просто смириться и лететь несколько тысяч лет. Тогда конечной точки достигнут лишь далёкие потомки тех, кто отправился в путешествие. Именно в этом заключается идея так называемого корабля поколений - космического ковчега, представляющего собой рассчитанную на длительное путешествие замкнутую экосистему.

В фантастике есть множество различных сюжетов о кораблях поколений. О них писали Гарри Гаррисон («Пленённая Вселенная»), Клиффорд Саймак («Поколение, достигшее цели»), Брайан Олдисс («Без остановки»), из более современных писателей - Бернард Вербер («Звёздная бабочка»). Довольно часто далёкие потомки первых обитателей вообще забывают о том, откуда они вылетели и в чём цель их путешествия. Или даже начинают считать, что весь существующий мир сводится к кораблю, как, например, рассказывается в романе Роберта Хайнлайна «Пасынки Вселенной». Другой интересный сюжет показан в восьмом эпизоде третьего сезона классического «Звёздного пути», где экипаж «Энтерпрайза» пытается предотвратить столкновение корабля поколений, чьи обитатели забыли о своей миссии, и обитаемой планеты, к которой он направлялся.

Плюс корабля поколений заключается в том, что этот вариант не потребует принципиально новых двигателей. Однако нужно будет разработать самодостаточную экосистему, которая сможет существовать без поставок извне в течение многих тысяч лет. И не стоит забывать о том, что люди могут попросту поубивать друг друга.

Проведённый в начале 1990-х под замкнутым куполом эксперимент «Биосфера-2» продемонстрировал ряд опасностей, которые могут подстерегать людей при таких путешествиях. Это и быстрое разделение коллектива на несколько группировок, враждебно настроенных друг к другу, и неконтролируемое размножение вредителей, которое вызвало недостаток кислорода в воздухе. Даже обычный ветер, как оказалось, играет важнейшую роль - без регулярного раскачивания деревья становятся хрупкими и ломаются.

Решить многие проблемы длительного полёта поможет технология, погружающая людей в длительный анабиоз. Тогда ни конфликты не страшны, ни скука, да и система жизнеобеспечения потребуется минимальная. Главное - обеспечить её энергией на длительный срок. Например, с помощью ядерного реактора.

С темой корабля поколений связан весьма интересный парадокс под названием Wait Calculation («Расчётное ожидание»), описанный учёным Эндрю Кеннеди. Согласно этому парадоксу, в течение некоторого времени после отправки первого корабля поколений на Земле могут быть открыты новые, более быстрые способы передвижения, что позволит стартующим позже кораблям обогнать первоначальных поселенцев. Так что не исключено, что к моменту прибытия пункт назначения уже будет перенаселён далёкими потомками колонизаторов, которые отправились позднее.

Установки для анабиоза в фильме «Чужой».

Верхом на ядерной бомбе

Предположим, нас не устраивает, что до звёзд долетят потомки наших потомков, и мы хотим сами подставить лицо лучам чужого солнца. В этом случае не обойтись без космического корабля, способного разогнаться до скоростей, которые доставят его к соседней звезде за время меньше одной человеческой жизни. И тут поможет старая добрая ядерная бомба.

Идея подобного корабля появилась ещё в конце 1950-х. Космический аппарат предназначался для полётов внутри Солнечной системы, однако его вполне можно было бы использовать и для межзвёздных путешествий. Принцип его работы таков: за кормой устанавливают мощную бронированную плиту. Из космического аппарата в направлении, противоположном полёту, равномерно выбрасываются маломощные ядерные заряды, которые подрываются на небольшом (до 100 метров) расстоянии.

Заряды сконструированы таким образом, чтобы большая часть продуктов взрыва направлена в хвост космического корабля. Отражающая плита принимает на себя импульс и передаёт его кораблю через систему амортизаторов (без неё перегрузки будут губительны для экипажа). От повреждения световой вспышкой, потоками гамма-излучения и высокотемпературной плазмой отражающую плиту защищает покрытие из графитовой смазки, которое заново распыляется после каждого подрыва.

Проект NERVA - пример ядерного ракетного двигателя.

На первый взгляд подобная схема кажется безумной, но она вполне жизнеспособна. Во время одного из ядерных испытаний на атолле Эниветок в 9 метрах от центра взрыва были размещены покрытые графитом стальные сферы. После испытания они были найдены неповреждёнными, что доказывает эффективность графитовой защиты для корабля. Но подписанный в 1963 году «Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой» поставил крест на этой идее.

Артур Кларк хотел оснастить космический корабль Discovery One из фильма «Космическая одиссея 2001 года» чем-то вроде ядерно-взрывного двигателя. Однако Стэнли Кубрик попросил его отказаться от идеи, испугавшись, что зрители сочтут это пародией на его фильм «Доктор Стрейнджлав, или Как я перестал бояться и полюбил атомную бомбу».

Какую же скорость можно развить с помощью серии ядерных взрывов? Больше всего сведений существует о проекте взрыволёта «Орион», который разрабатывался в конце 1950-х в США при участии учёных Теодора Тейлора и Фримена Дайсона. 400 000-тонный корабль планировалось разогнать до 3,3% скорости света - тогда полёт до системы Альфы Центавра продлился бы 133 года. Однако, согласно нынешним оценкам, подобным способом можно разогнать корабль до 10% скорости света. В таком случае полёт продлится примерно 45 лет, что позволит экипажу дожить до прибытия в пункт назначения.

Конечно, постройка такого корабля - весьма недешёвое дело. По оценке Дайсона, на создание «Ориона» потребовалось бы примерно 3 триллиона долларов в современных ценах. Но если мы узнаем, что нашей планете будет грозить глобальная катастрофа, то, вероятно, именно корабль с ядерно-импульсным двигателем станет последним шансом человечества на выживание.

Газовый гигант

Дальнейшим развитием идей «Ориона» стал проект беспилотного корабля «Дедал», который разрабатывался в 1970-х годах группой учёных из Британского межпланетного общества. Исследователи задались целью спроектировать беспилотный космический аппарат, способный в течение человеческой жизни достичь одной из ближайших звёзд, провести научные исследования и передать на Землю полученную информацию. Главным условием исследования было использование в проекте либо существующих, либо предвидимых в ближайшее время технологий.

Целью полёта была выбрана находящаяся от нас на расстоянии 5,91 светового года звезда Барнарда - в 1970-е годы считалось, что вокруг этой звезды вращается несколько планет. Сейчас мы знаем, что в данной системе нет планет. Разработчики «Дедала» нацелились на создание двигателя, который мог бы доставить корабль до пункта назначения за время, не превышающее 50 лет. В итоге они пришли к идее двухступенчатого аппарата.

Необходимое ускорение обеспечивала серия маломощных ядерных взрывов, происходящих внутри специальной двигательной установки. В качестве топлива использовались микроскопические гранулы из смеси дейтерия с гелием-3, облучаемые потоком высокоэнергетических электронов. Согласно проекту, в двигателе должно было происходить до 250 взрывов в секунду. Соплом служило мощное магнитное поле, создаваемое силовыми установками корабля.

По плану первая ступень корабля работала в течение двух лет, разгоняя корабль до 7% скорости света. После этого «Дедал» сбрасывал отработанную двигательную установку, избавляясь от большей части своей массы, и запускал вторую ступень, которая позволяла ему разогнаться до окончательной скорости в 12,2% световой. Это позволило бы достичь звезды Барнарда через 49 лет после запуска. Ещё 6 лет ушло бы на передачу сигнала на Землю.

Полная масса «Дедала» составляла 54 тысячи тонн, из которых 50 тысяч приходилось на термоядерное горючее. Однако предполагаемый гелий-3 чрезвычайно редко встречается на Земле - зато его полно в атмосферах газовых гигантов. Поэтому авторы проекта предполагали добыть гелий-3 на Юпитере с помощью «плавающего» в его атмосфере автоматизированного завода; на весь процесс добычи ушло бы примерно 20 лет. На той же орбите Юпитера предполагалось осуществить окончательную сборку корабля, который бы затем стартовал к другой звёздной системе.

Самым сложным элементом во всей концепции «Дедала» была именно добыча гелия-3 из атмосферы Юпитера. Для этого нужно было долететь до Юпитера (что тоже не так-то легко и быстро), основать базу на одном из спутников, построить завод, где-то хранить топливо… И это уже не говоря о мощных радиационных поясах вокруг газового гиганта, которые дополнительно усложнили бы жизнь технике и инженерам.

Ещё одна проблема состояла в том, что «Дедал» не имел возможности погасить скорость и выйти на орбиту звезды Барнарда. Корабль и выпущенные им зонды просто бы прошли мимо звезды по пролётной траектории, преодолев всю систему за несколько дней.

Сейчас международная группа из двадцати учёных и инженеров, действующая под эгидой Британского межпланетного сообщества, работает над проектом корабля «Икар». «Икар» - своеобразный «римейк» Дедала, учитывающий накопленные за последние 30 лет знания и технологии. Одно из основных направлений работы - поиск других видов топлива, которое можно было бы добыть и на Земле.

Со скоростью света

Можно ли разогнать космический корабль до скорости света? Эту задачу можно решить несколькими способами. Наиболее перспективный из них - аннигиляционный двигатель на антиматерии. Принцип его действия заключается в следующем: антиматерия подаётся в рабочую камеру, где она входит в соприкосновение с обычным веществом, порождая управляемый взрыв. Ионы, возникшие в процессе взрыва, выбрасываются через сопло двигателя, создавая тягу. Из всех возможных двигателей аннигиляционный теоретически позволяет достичь наибольших скоростей. Взаимодействие материи и антиматерии высвобождает колоссальное количество энергии, а скорость истечения образующихся в ходе этого процесса частиц близка к световой.

Но тут встаёт вопрос добычи топлива. Само по себе антивещество уже давно перестало быть фантастикой - учёным впервые удалось синтезировать антиводород ещё в 1995 году. Но добыть его в достаточных количествах невозможно. В настоящее время антиматерию можно получить лишь с помощью ускорителей частиц. При этом количество создаваемого ими вещества измеряется мизерными долями граммов, а его стоимость составляет астрономические суммы. На одну миллиардную грамма антивещества учёным из Европейского центра ядерных исследований (того самого, где создали Большой адронный коллайдер) пришлось потратить несколько сотен миллионов швейцарских франков. С другой стороны, стоимость производства будет постепенно уменьшаться и в будущем может достичь куда более приемлемых значений.

Кроме того, придётся придумать способ, позволяющий хранить антивещество - ведь при соприкосновении с обычной материей оно мгновенно аннигилируется. Одно из решений - охлаждать антивещество до сверхнизких температур и использовать магнитные ловушки, не позволяющие ему соприкасаться со стенками бака. На данный момент рекордное время хранения антивещества составляет 1000 секунд. Не годы, конечно, но с учётом того, что в первый раз антивещество удалось удержать лишь на 172 миллисекунды, прогресс есть.

И даже быстрее

Многочисленные фантастические фильмы приучили нас к тому, что добраться до других звёздных систем можно куда быстрее, чем за несколько лет. Достаточно включить варп-двигатель или гиперпространственный привод, откинуться поудобнее в кресле - и уже через несколько минут оказаться на другом краю галактики. Теория относительности запрещает путешествия со скоростями, превышающими скорость света, но в то же время оставляет лазейки, позволяющие обойти эти ограничения. Если бы могли разорвать или растянуть пространство-время, то смогли бы путешествовать быстрее света, не нарушая никаких законов.

Разрыв пространства более известен как кротовая нора, или червоточина. Физически она представляет собой тоннель, связывающий две удалённые области пространства-времени. Почему бы не использовать такой тоннель для путешествия в дальний космос? Дело в том, что создание подобной кротовый норы требует наличия в разных точках вселенной двух сингулярностей (это то, что находится за горизонтом событий чёрных дыр, - фактически гравитация в чистом виде), которые смогут разорвать пространство-время, создав тоннель, позволяющий путешественникам «срезать» путь через гиперпространство.

Кроме того, для поддержания подобного тоннеля в устойчивом состоянии необходимо, чтобы он был заполнен экзотической материей с отрицательной энергией, - а существование подобной материи до сих пор не доказано. В любом случае, создать кротовую нору по силам лишь сверхцивилизации, которая на много тысяч лет будет опережать нынешнюю в развитии и чьи технологии с нашей точки зрения будут похожи на волшебство.

Второй, более доступный вариант - «растягивание» пространства. В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре предположил, что можно изменить его геометрию, создав волну, сжимающую пространство впереди корабля и расширяющую его сзади. Таким образом звездолёт окажется в «пузыре» искривлённого пространства, которое само будет двигаться быстрее света, благодаря чему корабль не нарушит фундаментальных физических принципов. По словам самого Алькубьерре, .

Правда, сам учёный счёл, что реализовать подобную технологию на практике будет невозможно, так как для этого потребуется колоссальное количестве массы-энергии. Первые вычисления давали значения, превышающие массу всей существующей Вселенной, последующие уточнения уменьшили её до «всего лишь» юпитерианской.

Но в 2011 году Гарольд Уайт, возглавляющий исследовательскую группу Eagleworks при NASA, провёл расчёты, которые показали, что если изменить некоторые параметры, то для создания пузыря Алькубьерре может потребоваться куда меньше энергии, чем считалось ранее, и перерабатывать целую планету уже не потребуется. Сейчас группа Уайта прорабатывает возможность «пузыря Алькубьерре» на практике.

Если у экспериментов будут результаты, то это станет первым маленьким шажком к тому, чтобы создать двигатель, позволяющий путешествовать в 10 раз быстрее скорости света. Разумеется, космический аппарат, использующий пузырь Алькубьерре, отправится в путешествие через много десятков, а то и сотен лет. Но сама перспектива того, что такое действительно возможно, уже захватывает дух.

Полёт «Валькирии»

Практически все предлагаемые проекты звездолётов имеют один существенный недостаток: они весят десятки тысяч тонн, и их создание требует огромного количество запусков и сборочных операций на орбите, что увеличивает стоимость постройки на порядок. Но если человечество всё же научится получать большое количество антиматерии, у него появится альтернатива этим громоздким конструкциям.

В 1990-х годах писатель Чарльз Пелегрино и физик Джим Пауэлл предложили проект звездолёта, известный как «Валькирия». Его можно описать как нечто вроде космического тягача. Корабль представляет собой связку из двух аннигиляционных двигателей, соединённых между собой сверхпрочным тросом длиной 20 километров. В центре связки находятся несколько отсеков для экипажа. Корабль использует первый двигатель, чтобы набрать скорость, близкую к световой, а второй - чтобы погасить её при выходе на орбиту вокруг звезды. Благодаря использованию троса вместо жёсткой конструкции масса корабля составляет всего 2100 тонн (для сравнения, масса МКС - 400 тонн), из которых 2000 тонн приходятся на двигатели. Теоретически такой корабль может разогнаться до скорости в 92% от скорости света.

Модифицированный вариант данного корабля, названный Venture Star, показан в фильме «Аватар» (2011), одним из научных консультантов которого был как раз Чарльз Пелегрино. Venture Star отправляется в путешествие, разгоняясь при помощи лазеров и 16-километрового солнечного паруса, после чего тормозит у Альфы Центавра с помощью двигателя на антиматерии. На обратном пути последовательность меняется. Корабль способен разогнаться до 70% скорость света и долететь до Альфа Центавра менее чем за 7 лет.

Без топлива

Как существующие, так и перспективные ракетные двигатели имеют одну проблему - топливо всегда составляет большую часть их массы на старте. Однако есть проекты звездолётов, которым вообще не нужно будет брать с собой топливо.

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил концепцию двигателя, который использовал бы находящийся в межзвёздном пространстве водород в качестве горючего для термоядерного двигателя. К сожалению, несмотря на всю привлекательность идеи (водород - самый распространённый элемент во Вселенной), у неё есть ряд теоретических проблем, начиная от способа сбора водорода и заканчивая расчётной максимальной скоростью, которая вряд ли превысит 12% световой. А значит, до системы Альфа Центавра придётся лететь минимум полвека.

Другая интересная концепция - применение солнечного паруса. Если построить на земной орбите или на Луне огромный сверхмощный лазер, то его энергию можно было бы использовать, чтобы разогнать оснащённый гигантским солнечным парусом звездолёт до достаточно больших скоростей. Правда, по расчётам инженеров, чтобы придать пилотируемому кораблю массой 78 500 тонн скорость в половину световой, потребуется солнечный парус диаметром в 1000 километров.

Ещё одна очевидная проблема звездолёта с солнечным парусом заключается в том, что его нужно как-то затормозить. Одно из её решений - при подлёте к цели выпустить позади звездолёта второй, меньший по размерам парус. Основной же отсоединится от корабля и продолжит самостоятельное путешествие.

***

Межзвёздное путешествие - очень сложное и дорогостоящее предприятие. Создать корабль, способный за относительно небольшой срок покрыть космическое расстояние, - одна из самых грандиозных задач, стоящих перед человечеством в будущем. Конечно, это потребует усилий нескольких государств, если не всей планеты. Сейчас это кажется утопией - у правительств слишком много забот и слишком много способов потратить деньги. Полёт на Марс в миллионы раз проще полёта к Альфе Центавра - и тем не менее вряд ли сейчас кто-то рискнёт назвать год, когда он всё же состоится.

Оживить работы в этом направлении может или глобальная опасность, грозящая всей планете, или же создание единой планетарной цивилизации, которая сможет преодолеть внутренние склоки и захочет покинуть свою колыбель. Время для этого ещё не пришло - но это не значит, что оно не придёт никогда.