«Летим мы по вольному свету,
Нас ветру догнать нелегко.
До самой далекой планеты
Не так уж, друзья, далеко!»
Из популярной песни
Печать захлестнула волна сообщений об НЛО — неопознанных летающих объектах. Очевидцы утверждают, что видели НЛО явно техногенной природы. У них нет сомнения, что они наблюдали космические корабли инопланетных цивилизаций.
Однако наше сознание отказывается принять это: для планет Солнечной системы наличие цивилизаций, кроме Земли, почти исключено, ибо на них нет условий для жизни, по крайней мере, на их поверхности. Может быть, под поверхностью? Вряд ли, хотя.
А на планетах других систем жизнь, возможно, и есть, но очень уж далеко до них: ближайшие 28 звезд расположены в пределах от 4 (Ближайшая Центавра) до 13 световых лет (Звезда Каптейна). Такие звезды, как Сириус А и Сириус Б, Порцион А и Б, Тау-Кита, находятся внутри этого интервала. Не близко!
Если корабли будут летать туда и обратно со скоростью света, то в оба конца им потребуется от 8 до 26 лет, и это только до ближайших звезд. Не считая времени на ускорение и замедление. Вряд ли такое целесообразно, а значит, летать нужно быстрее света.
Что ж, прикинем, сколько времени займет разгон до таких скоростей (и торможение). Ради наглядности результаты сведены в таблицу, из которой можно сразу узнать время, необходимое для достижения той или иной скорости при том или ином ускорении.
Получается: если полагать допустимый срок путешествия в один конец равным одному месяцу, то лететь нужно со скоростью порядка многих десятков скоростей света, а разгоняться (и тормозиться) с ускорением во много сотен земных ускорений. М-да! Поневоле задумаешься, осуществимы ли вообще межзвездные рейсы? Но откуда же тогда прибывают к нам НЛО? Да еще ведут себя вызывающе: вдруг исчезают, маневрируют под прямыми углами, что-то излучают.
Чтобы объяснить такое поведение НЛО, нужно всего лишь ответить на три вопроса:
- Можно ли в принципе летать со скоростями, превышающими скорость света (в школе учили, что нельзя)?
- Можно ли сильно ускоряться, не разрушая организма? (По современным представлениям уже 10-кратная перегрузка является предельно допустимой).
- Можно ли добыть энергию на разгон и торможение? (Расчет показывает, что никакой термоядерной энергии на это не хватит).
И тем не менее, эфиродинамика дает положительные ответы на все три вопроса. Летать со скоростями, превышающими скорость света, нельзя только из-за запрета, наложенного теорией относительности А. Эйнштейна. Но с какой стати его теория относительности возведена в ранг абсолютной истины? Наше отношение к ней мы уже высказали.
Теория относительности не может ни в коей мере являться мерилом истины в подобном вопросе, а никакой другой теории, обосновывающей данный запрет, не существует. В соответствии же с эфиродинамическими представлениями скорость света есть скорость второго звука в эфире, т. е. скорость распространения поперечного движения, но ни в коем случае не продольного, скорость которого на 13 порядков выше скорости света. Вероятно, преодоление светового барьера составит немалые трудности, но, как говорится, это дело техники, а не принципа. С этим запретом пора расставаться раз и навсегда. Нет такого запрета у природы!
Приступим ко второму вопросу. Рассмотрим, как ускоряется космонавт. Газы ракеты давят на стенку камеры сгорания, та — на ракету, ракета — на спинку кресла, спинка кресла — на космонавта. А тело, вся масса космонавта, пытаясь по инерции остаться в покое, деформируется и при сильных воздействиях может разрушиться.
Но если бы тот же космонавт падал в поле тяжести какой-нибудь звезды, то он, хотя и ускорялся бы значительно быстрее, никакой деформации вообще бы не испытал, ибо все элементы его тела ускоряются одновременно и одинаково. То же будет, если продувать космонавта эфиром. В этом случае поток эфира — реального вязкого газа ускорит каждый протон и космонавта в целом без деформации тела. Причем ускорение может иметь любое значение, лишь бы поток был однородным. Так что здесь возможности тоже есть.
Если градиент поля составляет 1% на 1 м, то допустимое ускорение составило бы 50 — 100g, а при 0,1% на 1 м — 500 — 1000g, так что и здесь никаких принципиальных ограничений не существует.
Положительный ответ на предыдущие два вопроса заставляет задуматься над проблемой получения энергии для ускорения, а на конечном этапе — для торможения аппарата и для преодоления сопротивления межзвездной среды. Существующие методы ускорения космических аппаратов основаны на реактивном движении.
Аппарат должен ускорить и отбросить некую инертную массу, от которой он фактически и отталкивается. Для этого нужно всю эту массу иметь при себе. Отсюда и возникла идея К. Э. Циолковского о двух- и трехступенчатых ракетах, согласно которой первые ступени являются резервуарами горючего и носителями в виде горючего и окислителя этой самой массы.
Сами отделяющиеся ступени являются, в принципе, нужными лишь для хранения этого горючего, и их масса, так же как и масса горючего, не выбрасываемого в данный момент в пространство, являются паразитными, препятствующими ускорению аппарата. Если бы было возможно за счет имеющейся тяги ускорять только сам аппарат, то можно было бы получить значительно большие ускорения, чем сейчас, так как при той же тяге разгону подвергалась бы значительно меньшая масса. Но еще эффективнее было бы вообще не возить с собой горючее, а пользоваться тем, что предоставляет в распоряжение таких аппаратов сам космос. И такие предложения, как известно, существуют.
Известны предложения использовать в качестве инертной массы и даже в качестве ядерного горючего межзвездный водород. Существуют предложения об использовании излучений звезд в качестве давящего поля.
Есть идеи относительно использования энергии реликтового излучения, межзвездных магнитных и электромагнитных полей и т. п. К сожалению, следует отметить, что расчеты не подтверждают перспективности применения указанных видов энергии, хотя сама идея использования запасов космической энергии весьма заманчива. Но хотя до настоящего времени и не было названо тех видов энергии космоса, которые было бы целесообразно применить для ускорения и торможения межзвездных кораблей, следует полагать, что принципиальных ограничений здесь тоже не существует.
Эфиродинамика предлагает и в этом вопросе свое решение. Если аппарат будет иметь форму чечевицы, то для него несложно определить сопротивление эфира движению. В соответствии с расчетом (Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя.
М. Наука, 1974, с. 685) для тела такой формы, образованного двумя сферами, при диаметре 50 м и толщине 5 м коэффициент лобового сопротивления, учитывающего и сопротивление давления, и сопротивление трения, составляет 0,005. На скорости, равной скорости света, сопротивление эфира составит примерно 50 т., а на скорости, равной 10 скоростям света — 5000 т.
Если сам аппарат весит 100 т. и если ускорение составляет 100 g, то инерционное сопротивление составляет 10 тысяч тонн. Таким образом, тяги двигателя в 10-20 тыс. тонн было бы достаточно для приведения аппарата в движение с ускорением и торможением в 100 g и дальнейшего движения со скоростью порядка 10 скоростей света.
Для сравнения следует заметить, что тяговое усилие четырех двигателей современного тяжелого самолета типа Ан-124 («Руслан») составляет 100 т., а отдельные двигатели ЖРД развивают тягу до 1000 т., что по порядку величин уже близко к требуемому. Правда, эти двигатели создают не объемное ускорение, а поверхностное, работать они могут относительно кратковременно, но все же видно, что порядок величины тяги достижим.
Для того чтобы создать объемное ускорение тела, нужно продувать его насквозь эфирным потоком. Для создания нужного ускорения скорость продува не обязательно должна быть сверхсветовой, достаточно, как показывает расчет, иметь скорость продува на один порядок меньше. Это не должно вызывать недоумения, так как все зависит от принципа организации потока.
Таким образом, возникает необходимость в изыскании способа создания потока эфира, ускоряющего космический аппарат и воздействующего на все элементы его объема.
Для того чтобы создать необходимый поток эфира, продувающий космический аппарат, можно воспользоваться методом аннигиляции эфирных вихрей. Для этого нужно, чтобы в головной части аппарата были созданы условия для вихреобразования эфира и чтобы по обеим сторонам аппарата были проложены вихрепроводы, выполненные из диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью.
Если в передней части аппарата создать два вихря с одинаковым знаком винтового движения, а затем препроводить эти вихри в заднюю часть аппарата и там сложить их так, чтобы вращательное движение было взаимно погашено, то в некотором объеме в хвостовой части аппарата окажется ничем не сдерживаемый уплотненный эфир, имеющий ту же температуру, что и окружающий эфир. Этот объем взорвется, так как ничто не препятствует его расширению. Расширяясь, эфир частью будет отброшен, что проявится в виде реактивной струи, частью пройдет вперед, увлекая за собой аппарат и все, что в нем находится. И корабль полетит, опережая свет, в обычном евклидовом пространстве и в обычном времени.
А как же быть с парадоксами близнецов, увеличением массы и сокращением длин? А никак. Постулаты — они и есть постулаты — вольные выдумки, плоды свободной фантазии. И они должны быть отметены вместе с «теорией», их породившей. Ибо если человечеству настала пора решать прикладные задачи, то его не должны останавливать никакие раздутые авторитеты с их невесть откуда взявшимися умозрительными шлагбаумами.
Источник: www.atsuk.dart.ru
Сможем ли мы когда-нибудь добраться до звезд за пределами нашей Солнечной системы?
С начала освоения космоса мы многого достигли. Мы успешно запустили людей на Луну, приземлились на Марс и даже на Титан, один из естественных спутников Сатурна. Сегодня у нас есть антропогенные спутники по всей Солнечной системе, но задумывались ли вы когда-нибудь, когда сможете достичь другой звезды?
Я имею в виду это вообще возможно? Voyager 1, самый дальний искусственный зонд, покинул Солнечную систему четыре года назад или около того и был запущен еще в 1977 году. После более чем 40-летнего путешествия беспилотный зонд теперь находится на расстоянии 21 миллиарда километров от Солнца с постоянная скорость 16,99 к / с. Это также самый быстрый космический корабль, покинувший Солнечную систему.
Кто-то скажет: если мы сможем это сделать, достигнем окраин нашей солнечной системы, тогда мы определенно сможем достичь других звезд. Ну, давайте не будем сразу делать какие-либо выводы.
Достигнув Проксимы Центавра, ближайшей к Земле звезды
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, скорость света является высшим пределом, при котором любая материя или информация могут путешествовать во вселенной. Хотя обычно это связано со светом, в действительности это скорость, с которой все безмассовые частицы движутся в вакууме. Точное значение скорости света составляет 299 792 458 м / с.
Ближайшая к нашей планете звезда Проксима Центавра находится на расстоянии более 4 световых лет. Это означает, что даже свету звезды, движущемуся со скоростью 299 792 458 м/с, потребуется четыре года, чтобы достичь Земли и наоборот.
Благодаря своей относительной близости, звездная система была одним из возможных мест для пролета первого межзвездного космического полета. Исследования показали, что звезда в настоящее время движется к нам с расчетной скоростью 22,2 км/с. С такой скоростью звездная система будет находиться на расстоянии 3,11 светового года от Земли через 26 700 лет.
Voyager 1 движется со скоростью 17 000 м/с относительно Солнца. Но самым быстрым, созданным человеком, является зонд Helios B, запущенный для изучения солнечного процесса, который зафиксировал максимальную скорость 70 220 м/с или 252 792 км/ч. Так что, если случайно зонд Voyager направлялся к Проксиме Центавра с постоянной скоростью 17 000 м/с, для преодоления расстояния понадобилось бы более 76 000 лет.
С другой стороны, если зонд способен достичь невероятной скорости Гелиоса В, то для достижения красного карлика потребуется не менее 19 000 лет. Последнее звучит лучше, но все равно не жизнеспособно.
Современное состояние технологий космических путешествий
Технология, которую мы используем сегодня, должна быть усовершенствована, и она включает технологии, которые мы используем в космических путешествиях. В настоящее время одной из самых передовых форм движителей, используемых в космических кораблях, является двигатель с ионным приводом. Было время, когда ионные двигатели считались научной фантастикой, но сегодня это совершенно другое.
В последние годы технология ионной тяги используется в различных текущих межпланетных миссиях, включая Deep Space 1 и Dawn. Он также использовался на лунной орбите ESA SMART-1, который успешно завершил свою миссию в 2006 году. Теперь, если мы будем использовать ионные двигатели в нашем стремлении достичь Проксимы Центавра, для двигателей потребуется огромное количество топлива (ксенона).
Если мы предположим, что 82 кг ксенона (максимальная емкость Deep Space 1) приводят в движение пробную машину с максимальной скоростью 56 000 км / ч, то для достижения Проксимы Центавра потребуется более 81 000 лет.
Гравитационный метод
Помимо продвинутых двигателей, космическое путешествие также может быть ускорено благодаря успешной реализации метода Gravity Assist. Он включает космический корабль, использующий гравитационную силу планетарного тела, чтобы изменить его скорость и траекторию или траекторию. Гравитационная помощь — очень полезная техника для выполнения космических миссий.
В 1974 году NASA Mariner 10 стало первой космической миссией, которая использовала гравитационное притяжение Венеры, чтобы выстрелить в Меркурий. Затем, в 1980-х годах, зонд Voyager 1 использовал гравитационное поле Юпитера и Сатурна для достижения своей текущей скорости, что приводит его в межзвездное пространство.
Вот как выглядит будущее
Электромагнитный (EM) привод
Одной из популярных футуристических концепций является радиочастотно-резонансный полый двигатель или просто EM Drive. Основная идея этой технологии заключается в создании тяги от электромагнитного поля внутри полости. Первоначально он был предложен британским ученым Роджером К. Шоуиером еще в 2001 году.
В 2015 году ученые подтвердили, что космический корабль с поддержкой EM Drive может совершить поездку в Плутон всего за 18 месяцев (New Horizons достигли этого результата за 9 лет). Однако исследователи не имеют четкого представления о том, как это будет работать. На основании этого расчета космическому кораблю EM Drive, связанному с Proxima, потребуется более 13 000 лет, чтобы достичь их. Я думаю, что мы приближаемся, но пока не совсем.
Ядерная тепловая и ядерная электрическая тяга
Тогда есть концепция космических кораблей, использующих ядерные двигатели. Идея, которую НАСА размышляло десятилетиями. В ракете с ядерным тепловым движением (NTP) дейтерий или уран используются для нагрева жидкого водорода внутри реактора, превращая его в плазму, которая затем выбрасывается через сопло ракеты для создания тяги.
Антиматерия двигателя
Вы когда-нибудь слышали об антивеществе? Если нет, антивещество — это в основном материал античастицы с противоположным зарядом обычных частиц. Антивещество использует продукт взаимодействия между веществом и антивеществом как движитель. В отчете, представленном на 39-й совместной конференции и выставке AIAA / ASME / SAE / ASEE, говорится, что для двухступенчатой ракеты с двигателем на антиматерии потребуется более 800 000 метрических тонн топлива, чтобы достичь Проксимы Центавра.
Хотя один грамм антивещества будет генерировать огромное количество энергии, производство одного грамма потребует 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и много денег. В настоящее время человеку удалось создать только менее 20 нанограммов антивещества.
Итак, ясно, что если мы не сделаем какой-то необычайный прорыв в области движителей, мы можем просто ограничиться нашей собственной солнечной системой или нам придется придумать страшную стратегию долгосрочного транзита.
Источник: new-science.ru
Как долететь до ближайших к нам звезд?
Космобиология
Опубликовано 15.05.2018
В научно-фантастических произведениях много людей рассуждали в свое время на тему отправки космических кораблей с колонистами. И распространении семян человечества среди звезд. Открытие новых миров, превращение человечества в межзвездный вид, и возможно даже обнаружение внеземных цивилизаций – все эти наши мечты о путешествиях за пределами Солнечной системы пока остаются фантазиями. И вероятно не станут реальностью в ближайшее время.
На протяжении десятилетий ученые размышляли о том, как именно человечество сможет достигнуть такой амбициозной цели. Каждая из придуманных концепций, сформулированных учеными, имеет массу плюсов и минусов. Эти плюсы и минусы были проанализированы в недавнем исследовании Мартина Брэддока, члена Мансфилдского и Саттонского астрономического общества, члена Королевского общества биологии и члена Королевского астрономического общества.
Исследование доктора Брэддока
Исследование, озаглавленное «Концепции глубокого космического путешествия. От декартовых приводов и гибернации к мировым кораблям и криогенным веществам», недавно появилось в научном журнале «Современные тенденции в биомедицинской инженерии и биологических науках»(издание Juniper Journals). Как указывает Брэддок в своем исследовании, вопрос о том, как люди могут исследовать соседние планетные системы, стал более актуальным в последние годы благодаря открытиям экзопланет.
Существует множество предложенных теоретических способов перемещения между нашей Солнечной системой и другими звездами в Галактике. Тем не менее помимо технологий и времени, которые для этого потребуются, существуют также биологические и психологические последствия для человеческих экипажей. И их нужно будет заблаговременно принять во внимание.
В своем исследовании доктор Брэддок рассматривает пять основных способов осуществления миссий в другие планетные системы. К ним относятся сверхсветовые (FTL) путешествия, режим гибернации (спящий режим), режим замедленного старения (так называемое антивозрастное проектирование), огромные корабли, способные поддерживать несколько поколений путешественников, а также использование технологии криогенного замораживания.
Быстрее скорости света
Путешествия со скоростями, превышающими скорость света (FTL) имеют очевидные преимущества. Но пока они остаются полностью теоретическими. Есть лишь понятия, которые исследуются сегодня. Концепция FTL, известная как Alcubierre Warp Drive, в настоящее время исследуется несколькими организациями, в число которых входят Фонд Tau Zero и Лаборатория физики Eagleworks из Космического центра NASA.
Советуем почитать Деформации времени
Если кратко, такой метод космических путешествий использует изменение геометрии ткани пространства-времени. Которое (теоретически) заставит пространство перед кораблем сжиматься и за ним расширяться. При этом корабль будет перемещаться как бы внутри некого объекта, известного как «Warp – пузырь». Так как корабль не перемещается внутри пузыря, а переносится вдоль самого пространства, обычные релятивистские эффекты, такие как временные сдвиги, к нему будут не применимы.
Как указывает доктор Брэддок, преимущества такой двигательной системы заключаются в возможности реализации «неоспоримого» путешествия на скоростях, превышающих скорости света без нарушения законов физики. Кроме того корабль, путешествующий в «пузыре», не должен беспокоиться о столкновении с космическим мусором. И у него не было бы верхнего предела максимально достижимой скорости. К сожалению, недостатки этого метода путешествий тоже весьма очевидны.
Они включают в себя тот факт, что в настоящее время нет известных способов создания Warp – пузыря в области пространства, которая нам нужна. Кроме того, для создания такого эффекта потребуются чрезвычайно высокие энергии. И неизвестно, как корабль сможет выйти из «пузыря» после того, как туда попадет. Короче говоря, FTL является на данный момент чисто теоретической концепцией. И нет никаких признаков того, что она перейдет из области теории к практике в ближайшем будущем.
Гибернация
Наиболее правдоподобные концепции межзвездного космического путешествия вряд ли рассчитывают на достижение скоростей, имеющих значения более чем десять процентов от скорости света – около ~ 388 500 000 км /ч. Это, конечно очень высокое значение. Если учитывать, что самой быстрой миссией на сегодняшний день была миссия Helios-2, которая достигла максимальной скорости более 240 000 км/ч. Тем не менее эти скорости вполне реалистичны для достижения в рамках современных технологий.
В случае использования метода гибернации преимущества (и недостатки) являются более понятными. Нужно отметить, что такая технология вполне реализуема. И в настоящее время широко изучается ее физика в коротких временных интервалах. Как в отношении людей, так и животных. В последнем случае естественные циклы гибернации являются наиболее убедительным доказательством того, что спячка может длиться месяцами без каких либо инцидентов.
Советуем почитать Холодные рассветы Плутона
Однако недостатки есть и здесь. Например, существуют риски атрофии тканей в результате продолжительных периодов времени, проведенных в условиях невесомости. Это может быть смягчено искусственной гравитацией или другими средствами (такими как электростимуляция мышц). Но необходимы серьезные клинические исследования, прежде чем эту технологию можно было бы применять.
Такие исследования вызовут целый ряд проблем, связанных с этикой. Поскольку такие исследования будут нести с собой некоторые риски.
Отложенное старение
Стратегия отложенного старения (SENS) – еще один способ, предлагающий людям возможность противостоять эффектам длительных космических полетов путем изменения процесса старения. В дополнение к тому, что этот метод позволить одному и тому же поколению, которое садилось на корабль, добраться до места назначения, этот метод также может помочь в развитии исследований терапии стволовыми клетками здесь, на Земле.
Однако в контексте длительных космических полетов для обеспечения полного омоложения вероятно потребуется многократное лечение. (Или непрерывное в течение всего процесса перелета). Значительный объем исследований также потребуется выполнить заблаговременно. Это поможет проверить эффективность процесса, и рассмотреть отдельные компоненты старения. Что снова приведет к ряду этических проблем.
Огромные межзвездные корабли
Корабли – обители могут использоваться как автономные самоходные космические станции. Достаточно большие для размещения нескольких поколений космических путешественников. Эти корабли будут полагаться на обычное движение. И, следовательно, будут способны через столетия (или тысячелетия) достичь другой планетной системы. Очевидные преимущества такой концепции заключаются в том, что она выполнит две основные задачи исследования космоса – поддержание человеческой популяции в космосе и заселение потенциально пригодных для жизни экзопланет.
Кроме того, такой корабль будет опираться на концепции движения, которые в настоящее время возможны. А экипаж из тысяч человек умножит шансы на успешную колонизацию другой планеты. Конечно, затраты на строительство и поддержание таких крупных космических кораблей были бы непомерно высокими. Есть также моральные и этические проблемы отправки человеческих экипажей в глубокие пространства в течение столь длительного периода времени.
Советуем почитать Инопланетяне. Одна физика для всех
Например, есть ли какая-то гарантия того, что экипаж не сойдет с ума и не убьет друг друга? И, наконец, если новые, более совершенные корабли появятся на Земле за время перелета? Это означает, что более быстрый корабль, который позже покинет Землю, сможет обогнать корабль-обитель. Прежде, чем тот достигнет пункта назначения. Зачем тратить столько денег на корабль, который скорее всего, устареет, прежде чем доберется до совей цели?
Криогенная заморозка
Наконец, существует криогеника. Эта концепция широко изучалась в последние несколько десятилетий как возможное средство расширения качества жизни. И для применения в космических путешествиях. Во многих отношениях эта концепция является продолжением технологии гибернации. Однако немного выигрывает в связи с рядом недавних технических достижений.
Непосредственным преимуществом этого метода является то, что он учитывает все существующие ограничения, налагаемые технологиями и релятивистской Вселенной.
В принципе, не имеет значения, возможны ли FTL (или скорости выше 0,10 с). Или как долго будет проходить полет, если экипаж будет спать. И прекрасно сохраниться за все это время. Кроме того, мы уже знаем, что технология работает. О чем свидетельствуют недавние открытия.
Они показали, что ткани органов, и даже целые организмы нагревались и оживали после глубокой криогенной заморозки.
Однако риски здесь даже больше, чем в случае с гибернацией. Например, долгосрочные эффекты от криогенного замораживания на физиологию и центральную нервную систему животных и людей пока не известны. Это означает, что перед тем, как кто-то когда-либо предпримет такие попытки, потребуются обширные испытания. В том числе испытания на людях. Что снова вызовет ряд этических проблем.
Наверняка существует много неизвестных способов, связанных со всеми потенциальными методами межзвездных путешествий. Необходимо произвести гораздо больше исследований и разработок, прежде чем мы сможем с уверенностью сказать, какой из них является наиболее возможным. Доктор Брэддок признает, что гораздо более вероятно то, что в любых межзвездных путешествиях будут задействованы роботизированные исследователи, использующие технологию телеприсутствия, чтобы показать нам другие миры.
Эта статья впервые появилась на сайте Живой Космос. Подписывайтесь на наши каналы!
Источник: alivespace.ru
Дотянуться рукой до звезд: долетим ли мы до других светил
Порой кажется, что звезды довольно близко и мы сможем отправиться к ним и даже поселиться на некоторых планетах. Но космос огромен, а человек ограничен — прежде всего законами физики. Сможем ли мы долететь хотя бы до соседней звезды? Попробуем разобраться.
Мы живем в век технологического и научного прогресса: космические станции выходят на орбиты астероидов, два зонда вышли в межзвездное пространство (пусть и летели туда не одно десятилетие), миллиардеры строят ракеты и планируют заниматься космическим туризмом, мы создаем умопомрачительных размеров ускорители частиц, на которых надеемся обнаружить более фундаментальные частицы и взаимодействия. Но все это происходит не так далеко от нас — в широком смысле. Все это осуществляется на Земле. Международная космическая станция располагается всего в 408 километрах над поверхностью планеты, а между тем Луна — наш спутник и ближайшее небесное тело — находится в почти одной световой секунде от нас, в 384 400 километрах от Земли.
Сможем ли мы — как биологический вид, как цивилизация — когда-нибудь в буквальном смысле дотянуться до других звезд? Сможем ли мы отправиться хотя бы к проксиме Центавра в четырех световых годах от нас — сами, на высокотехнологичных космических кораблях? Или нам остается лишь отправлять зонды и роботов, не выходя за пределы Солнечной системы?
Как писал фантаст Дуглас Адамс: «Космос огромен». Космос действительно умопомрачительно огромен — мы даже не можем до конца представить себе насколько.
Взять, примеру, ту же проксиму Центавра — ближайшую звезду. Как мы упомянули выше, она находится в четырех световых годах от нас. Дабы понять, что это значит, надо всего лишь уложить в своей голове, что для того, чтобы туда добраться, придется лететь к ней с постоянной скоростью в 300 тысяч километров в секунду на протяжении четырех лет. Самому быстрому космическому аппарату из когда-либо запущенных людьми понадобилось бы затратить на этот путь десятки тысяч лет, а если быть точнее — 80 тысяч лет New Horizons летел бы до проксимы Центавра.
Тем не менее научная фантастика продолжает обнадеживать, что однажды мы доберемся до других звезд. Капитан Кирк и Спок перемещаются от мира к миру на своем варп-двигателе, нарушая местные политические законы. Хан Соло и Чуи могут запросто пересечь 12 парсек, несмотря на всю нелогичность. В романе Пола Андерсона «Тау ноль» путешественники летят на корабле с бассердовским двигателем, который собирает вещество из космоса и перерабатывает его в топливо, постоянно ускоряясь и постепенно все больше приближаясь к скорости света. Примеры можно перечислять очень долго.
Научная фантастика порой кажется пророческой. Взять, например, мобильные (а сначала — сотовые) телефоны: в 1966 году в сериале «Звездный путь» появился коммуникатор, очень напоминающий привычную нам «раскладушку», тогда как компания Motorola представила первый в мире сотовый телефон только в 1973 году. Но научная фантастика — это все же выдумка. Авторы произведений, насколько бы они ни делали их приближенными к научным данным, обходят, а порой и скрывают главные препятствия — вроде законов физики.
И речь идет не о каких-то пространных правилах, которые неприменимы к каждому моменту времени. Речь о физических законах Вселенной, которые запросто разрушат все ваши воздушные замки, если вы попытаетесь их игнорировать. От этих законов зависит ваша недолгая жизнь, которой необходимы атмосфера, определенное давление, температура и еще много чего.
Представим, что кто-то на Земле решил отправить космический аппарат к другой звезде, при этом повинуясь законам физики. Чтобы все не было изначально печально, мы даже понизим планку. Пусть это будет не массивный звездолет со множеством пассажиров, которые не дождутся, когда доберутся до какого-нибудь курортного планетоида.
И речь не об отряде космического десанта, снаряженного футуристическим оружием, который отправили к соседней звезде для защиты колонистов от каких-нибудь ксеноморфов, гигантских жуков или исполинских червей.
Скажем, речь идет о небольшом роботизированном аппарате, который отправят с Земли до альфы Центавра. Самый быстрый космический аппарат из когда-либо запущенных — New Horizons, он летит со скоростью 58,5 тысячи километров в час. Этому храброму маленькому зонду понадобится около 80 тысяч лет, чтобы добраться до альфы Центавра.
По большей части дело в том, что у нас нет достаточно мощной силовой установки. Самый перспективный вариант на сегодня — ионный двигатель, который NASA использовало на своем аппарате Dawn. По некоторым предположениям, такой двигатель помог бы достичь альфы Центавра примерно за 19 тысяч лет после гравитационного маневра вокруг Солнца.
Это уже позволило бы сэкономить немалые 60 тысяч лет — время, которое мы могли бы потратить на изобретение новых способов ускорения, новых двигателей. Мы могли бы изобрести функциональный двигатель Алькубьерре или тот же бассердовский двигатель, например, а значит, найти способы манипулировать в высокой степени не только веществом, но и самим пространством-временем.
Однако, если отвлечься от чистых спекуляций и взглянуть на то, что нам доступно сегодня, то лучший способ добраться до соседней звезды, пусть хотя бы отправить к ней зонд, — воспользоваться солнечными парусами вроде тех, что были предложены предприятием Breakthrough Starshot. Они могут использовать для ускорения солнечный свет и мощные наземные лазеры.
По сути, идея в том, чтобы отправить малоразмерные, легковесные аппараты на солнечных парусах — их намного проще ускорить. Например, та же инициатива Breakthrough Starshot планирует (или планировала) разгонять целую серию таких зондов при помощи решетки мощных наземных лазеров до 15-20% от скорости света. Таким образом, эти зонды могли бы долететь до альфы Центавра за 20-30 лет (неплохой результат по сравнению с 80 тысячами лет). Если экстраполировать эту идею, то по прибытии можно было бы запрограммировать зонды на создание как минимум коммуникационной сети в пункте назначения.
Кроме того, в NASA какое-то время испытывали футуристическую технологию, известную как EmDrive. Правда, по сей день это не более чем интересная концепция и спекуляция, однако если его когда-то удастся заставить EmDrive работать как задумано — а значит, в космосе для движения уже не будет нужно какое-либо топливо, — то все равно придется учитывать законы физики. Не стоит забывать, что невозможно двигаться быстрее света. На что у того же NASA есть еще один ответ: варп-двигатель.
Этот двигатель основан на концепции, исследованиях и расчетах Мигеля Алькубьерре, который его и предложил в 1994 году. Если физикам и техникам когда-то удастся претворить эту смелую идею в жизнь, то такой двигатель позволит делать именно то, что часто происходит в научной фантастике: сжимать пространство и перемещаться в нем быстрее света. Но пока что все сводится к концепт-артам гипотетических кораблей с варп-двигателями и очень сложной математике. Для работы такого двигателя необходима так называемая экзотическая материя, обладающая свойствами отрицательной энергии, — что это и откуда это взять, не может сегодня сказать ни один ученый. А это, в свою очередь, немаленькое препятствие на пути к реализации такой технологии.
На каком же этапе по факту мы находимся сегодня, говоря о готовности к путешествию к другой звезде, даже ближайшей? Вкратце: на Марсе все еще нет ни одного человека, а на Луне мы не были с 1972 года. Концепция зондов Breakthrough Starshot с 2017 года так и остается концепцией. Если говорить об ученых, то астробиолог Адам Франк из Рочестерского университета (читайте интервью с ним в грядущем выпуске нашего журнала) считает, что к звездам мы вряд ли полетим, но обязательно колонизируем Солнечную систему, если переживем изменение климата. Нам лишь остается ждать и мечтать.
Источник: naked-science.ru
Как лететь с Земли до звезд
Тема межзвездного перелета нереспектабельна для физика: это, скорее, область литературы, точнее, научной фантастики. Однако меня вдохновил пример Фримена Дайсона, который всю жизнь пускался во всякие нереспектабельные мероприятия (включая проект межзвездного корабля) и при этом более-менее сохранил свою репутацию. Собственно, я подошел к этой теме как раз через научную фантастику, написав книгу «Ковчег 47 Либра», дошедшую до довольно большой читательской аудитории (во многом благодаря пиратам). Теперь я попытался подойти к задаче чуть более серьезно и сделать ряд сопутствующих оценок хотя бы на коленке. Результаты изложил в виде серии коротких роликов, ради которых запустил свой канал на «Трубе».
Названия подзаголовков соответствуют названиям роликов.
1. Зачем лететь
Есть сильное подозрение, что мы очень одиноки во Вселенной. Это уже обсуждалось в «ТрВ-Наука», причем в дискуссии участвовали очень серьезные люди. Оценки различались, но консенсус был очевиден: развитая жизнь на Земле появилась в результате цепи нескольких крайне маловероятных событий.
Вероятно, жизнь, по крайней мере развитая выше уровня анаэробных бактерий, — редчайший феномен. Если бы Галактика кишела жизнью, в межзвездном перелете не было бы смысла. Но, скорее всего, мы будем одну за другой обнаруживать планеты, пригодные для жизни, но мертвые от сотворения.
Если это действительно так, земная жизнь уникальна и бесценна. Тогда у человечества появляется величайшая цель — распространить этот феномен, запустить цепь последовательных колонизаций планет и, значит, открыть для жизни перспективу на космологические времена. Вот для этого и надо прикинуть, возможен ли в принципе межзвездный перелет, причем такой, который может доставить жизнь через жуткую пропасть во много световых лет. Сколько именно световых лет потребуется преодолеть?
2. Куда лететь
К сожалению, ближайшая экзопланета — Проксима Центавра b — почти наверняка не пригодна для обитания, как и планеты системы Траппист-1, как и другие сравнительно близкие планеты у красных карликов. И не только потому, что они попадают в приливное замыкание (всё время смотрят одной стороной на звезду или световые сутки равны двум орбитальным периодам той планеты).
Главная неприятность — огромная магнитная активность красных карликов. Проксима Центавра b получает дозу рентгена и потока ветра в сотни раз больше, чем Земля. Самое тяжелое — эрозия атмосферы (что и случилось с Марсом). Единственная защита — сильное магнитное поле, но вряд ли оно может существовать у медленно вращающейся планеты.
Для пригодных для жизни планет остается всего полтора звездных класса — G и яркая половина класса K (оранжевые карлики). Впрочем, таких звезд больше 10%. Из многотысячной коллекции «Кеплера» всего несколько планет находятся в их зоне обитаемости, все на расстоянии около тысячи световых лет от нас.
Дело в том, что против благоприятных земель работает очень сильный эффект селекции. «Кеплер» их в принципе видит, но он проработал по основной программе всего три с небольшим года. Этого недостаточно, чтобы уверенно зафиксировать земли с большим периодом обращения — надо накопить несколько транзитов, чтобы выделить сигнал от планеты.
Тем не менее, народ сумел оценить величину эффекта селекции и выдал оценку: около 15–25% звезд класса G имеют землеподобные планеты в зоне обитаемости. Это значит, что ближайший аналог Земли у аналога Солнца находится от нас в 15–20 световых годах, а всего таких планет в Галактике больше миллиарда. Если мы хотим иметь некий выбор, надо заложиться на 30 световых лет. Как и за какое время можно долететь на такое расстояние без нарушения законов физики?
3. На чем лететь
— Не на антивеществе (эффективность производства ~ 10 −9 и вряд ли может быть поднята выше 10 −7 ).
— Не на гравитационных трюках типа warp engine или кротовой норы: они требуют экзотической материи с отрицательной плотностью энергии в немыслимых количествах.
— Не на новых неведомых физических законах. Новая физика, несомненно, появится, но она не будет иметь никакого отношения ни к средствам передвижения, ни к нашим масштабам вообще. Наши масштабы слишком хорошо изучены, интуиция подсказывает, что здесь не возникнет ничего радикально нового. Упование на будущие открытия сродни упованию на Господа, это отличный повод для отказа от умственных усилий в настоящем.
— Не на звездном парусе, разогнанном сверхмощными лазерами.
— Вряд ли корабли к звездам полетят на неуправляемом термоядерном синтезе (взрыволете). Кроме огромной минимальной массы у метода очень низкая эффективность из-за изотропного разлета продуктов взрыва. Перехватить можно лишь одну четверть импульса разлетающихся продуктов взрыва.
— Есть слабая надежда на управляемый термоядерный синтез, но не в дейтерий-тритиевом варианте, а с помощью реакции дейтерий — гелий-3. Там вместо нейтрона вылетает протон, и все продукты распада можно вытолкнуть в одном направлении. Увы, произведение требуемых температуры плотности и времени удержания для этой реакции на два порядка больше, чем у дейтерий-тритиевой. Поэтому надежда слабая.
— Лететь придется на старом добром уране ( 235 U). Не потому что это очень эффективное топливо (энергетический выход 0,001 mc 2 против 0,004 mc 2 для термояда), а потому что это единственный более-менее реалистичный вариант. Проблем и здесь будет масса, но среди них, кажется, нет безнадежных.
4. Энергетика и сроки
Оптимальная скорость истечения рабочего вещества вычисляется по формуле (V = csqrtКПД>) , где (E) — выделенная энергия, при том что в струю кинули вещество, которое эту энергию выделило. При КПД = 0,25 получаем скорость истечения 7000 км/с. Скорее всего, коэффициент полезного действия будет еще меньше, так как включает в себя неполное сгорание урана, потери при преобразовании энергии и потери в двигателе. Казалось бы, взяв топлива в 10 раз больше, чем весит корабль, можно развить скорость до 5% световой и направить к Альфе Центавра зонд, который долетит туда за время жизни человека — 80 лет.
Увы, не получится. Если зонд весит 10 т (сюда входит вес реактора, радиатора и двигателя), то при разгоне за 30 лет требуется мощность больше 10 ГВт, что само по себе проблематично, но главное — чтобы отвести эту энергию, требуется радиатор площадью 20 га (при минимальной температуре 500 К). Засада всегда находится в неожиданном месте! Поэтому приходится следовать принципу «тише едешь — дальше будешь».
Если срок перелета многократно превышает время человеческой жизни, то, казалось бы, спешить особо некуда. При умеренных параметрах перелета время путешествия за 30 световых лет с торможением составит около 3000 лет: полезная нагрузка порядка 100 т, мощность порядка 150 МВт, площадь радиаторов — 30 соток, тяга двигателей — несколько килограммов, при этом реактор и двигатели работают всё время. Не то чтобы совсем щадящий режим, но выглядит небезнадежно.
Такой срок ставит ограничение на состав пассажиров корабля: никаких активных живых организмов, только семена, споры и замороженные эмбрионы из нескольких клеток.
5. Дизайн и защита
Естественно, нет никакой нужды запихивать реактор, радиаторы и двигатель в один корпус. Это будет, скорее, длинный караван на ниточке: двигатель впереди, за ним в километре энергоблок и отдельно радиаторы, а позади, в десятках километров, — полезная нагрузка. Может быть, еще какие-то «бусинки». Вес «ниточки» при ничтожном ускорении всей системы проблем не представляет, зато отпадает проблема излучения реактора. Но не отпадает проблема космических лучей.
За 3000 лет перелета космические лучи убьют на корабле всё живое за исключением каких-нибудь особо резистивных спор. Нужна защита, именно магнитная, поскольку пассивная защита из вещества неэффективна или же безумно тяжела.
Если поместить полезную нагрузку в сверхпроводящий соленоид с магнитным полем, скажем, 10 Тл, радиусом 12 м, то он срежет поток космических лучей с энергией до примерно 20 ГэВ (нужен сверхпроводник примерно на 30 К, поскольку равновесная температура в открытом космосе порядка 20 К). Берем спектр космических лучей выше 20 ГэВ, интегрируем и получаем интенсивность излучения около 0,1 мкЗв/ч — это меньше естественного радиоактивного фона на Земле. Однако за 3000 лет полета всё равно набирается ощутимая доза — 1,6 Зв. С семенами растений и простыми организмами нет проблем: семена всходили, а нематоды оживали после многих тысяч лет пребывания в мерзлоте, где они накопили гораздо большую дозу. Но что произойдет при этом с эмбрионами млекопитающих, я не знаю.
А нельзя ли сделать соленоид гораздо больше, чтобы еще снизить фон? Здесь еще одна засада — прочность материала на разрыв. Магнитное поле будет распирать соленоид, при R = 12 м и Н = 12 Тл сила будет около 6 т на погонный сантиметр обмотки или 10 000 т на всю длину. Чтобы удержать такую силу, нужны тонны самого прочного материала. Но всё равно это гораздо легче пассивной защиты.
Получается, что мощность защиты ограничена и слишком медленно лететь нельзя. Но все-таки есть зазор в параметрах перелета, когда он возможен, хотя и близок к пределу. При расстоянии до ближайших гостеприимных планет, скажем, в сто световых лет этот зазор закрывается.
6. Что там делать
Оптимальная цель — планета с жидкой водой на поверхности и с азотной атмосферой с примесью СО2. Кислорода там не будет. Значит, надо заняться обустройством планеты (отвратительное слово «терраформирование» предпочитаю не употреблять). Всё, что надо, могут сделать бактерии, а за ними — растения. Тут есть еще одна засада — неокисленное железо.
На Земле оно больше миллиарда лет пожирало большую часть биогенного кислорода. Но у нас благодаря эволюции есть гораздо более эффективные организмы, будут и ГМО, еще более мощные по части выделения кислорода, поэтому не придется ждать миллиард лет, но, скорее всего, тысячи лет ждать придется.
Поэтому высокоразвитая жизнь должна быть либо послана вторым кораблем через тысячи лет (если те, кто послал первый корабль, доверяют далеким потомкам), либо дожидаться своей очереди тысячи лет в жидком азоте (если далеким потомкам не доверять, что надежней).
«Активация» первой очереди простых организмов проблем не представляет, выращивание высших животных требует искусственного интеллекта, намного превышающего современный, но это как раз то направление, в котором эволюция еще не закончилась.
Есть масса других узких мест — видимых и пока что скрытых. В целом проблема межзвездного перелета захватывающе интересна, хотя интерес этот пока что чисто академический. Однако можно надеяться, со временем он перестанет быть таковым. Тут такой букет междисциплинарных задач!
Собственно, я и пытаюсь, публикуя эти тезисы, записывая ролики, сочинив фантастический роман, подогреть интерес к проблеме, будь она пока хоть трижды академической. Все-таки цель, несмотря на свою отпугивающую сложность, остается великой.
Источник: elementy.ru