Возможность межзвездного путешествия

Звездолеты, которые могут доставить нас к звездам

Человечество зависит от исследований. Мы стремимся удовлетворить наше любопытство, исследуя новые территории, расширяя торговые пути и учась адаптироваться к новой местности. И хотя раньше нам было достаточно исследовать только нашу Землю, теперь мы направляем свой взгляд куда-то гораздо дальше от своей планеты. Световые годы звездных систем — это наше будущее не только потому, что мы сосредоточены на поиске другой планеты, пригодной для обитания, и не только потому, что эта идея звучит очень романтично и новаторски, но и потому, что действительно необходимо когда-нибудь достичь их. Наше светящее Солнце убьет обитаемость нашей планеты всего за 1 миллиард лет, поскольку оно увеличит свою яркость на 10%. Этого достаточно, чтобы испарить наши океаны и сделать слишком жаркими условия для нашей жизни.

Наша ближайшая соседняя звезда — Проксима Центавра, вокруг которой возможно вращается обитаемая экзопланета, находится всего в 4,2 световых годах от нас. Давайте будем откровенны, традиционные ракеты и современные методы космических путешествий просто непригодны, чтобы отправиться в систему Центавра. Мы сейчас используем корабли с ионными двигателями малой тяги, химические ракеты и гравитационные маневры вокруг планет, чтобы исследовать космическое пространство. Наша самая быстрая ракета, Аполлон-10, достигла максимальной скорости 25 000 миль в час. Быстрый. Но на такой скорости это будет еще сотни тысяч лет, чтобы добраться до наших межзвездных соседей. Нам нужен метод путешествия, который позволит нам попасть туда в течение  жизни одного поколения людей. 

Мы сейчас используем ремесла с двигателями с низким тяговым усилием, химическими ракетами и гравитационными маневрами вокруг планет, чтобы исследовать космическое пространство. Наша самая быстрая ракета, Apollo 10, достигла максимальной скорости чуть более 40 000 километров в час. Это быстро. Но с такой скоростью нам всё равно потребуются сотни тысяч лет, чтобы добраться до наших межзвездных соседей. Нам нужен способ путешествий, который позволит нам добраться туда в течение человеческой жизни. То есть нам нужен корабль, который может двигаться со скоростью не менее 10% скорости света.

Сначала немного о ракетостроении.

Классическое ракетное уравнение, также известное как формула Циолковского.

Формула Циолковского говорит нам, что максимальная скорость зависит от массы топлива, скорости реактивной струи (как быстро реактивные газы покидают двигатель ракеты) и общей массы корабля. 

Причина, по которой ракеты для дальних полётов должны быть значительно больше, чем те корабли, которые сейчас запускают в космос, заключается в том, что скорость и замедление требуют, чтоб значительная часть корабля была топливом. Удвоение скорости движения ракеты и её замедление, когда она приближается к месту посадки, означало бы, что она должна состоять на 86% из топлива. Утроение скорости ракеты приводит к ещё большему увеличению —  требуя 99,75% топлива и оставляя только 0,25% для полезной массы фактического корабля.

Предложение совершить межзвездное путешествие с ракетами, которые у нас есть сейчас, потребует объема топлива больше, чем наблюдаемая Вселенная. Итак, какую технологию мы можем использовать, чтобы преодолеть расстояние в 4,2 световых года?

Нам нужно топливо с максимальным количеством плотности энергии — превращение массы покоя в энергию, например, во время ядерного синтеза, который происходит на Солнце.

Если бы мы увеличили наш ядерный арсенал в 200 раз, мы могли бы взорвать бомбы сзади нашего корабля и использовать эти взрывы, чтобы двигаться вперед. Нам понадобится 300 000 бомб, что займёт 75% массы корабля. Через месяц детонации мы сможем достичь 10% скорости света и, сэкономив половину топлива для замедления, мы достигнем нашей следующей звездной системы чуть менее чем за 90 лет. Это, конечно, путешествие в один конец, и люди, которые покинут нашу Землю, не смогут колонизировать новую планету.

Проблема пилотируемого межзвездного путешествия имеет различные предлагаемые решения: криосон, искусственное продление жизни, корабль с несколькими поколениями или искусственный интеллект, который помог бы вырастить человеческие эмбрионы после их прибытия на новую планету. Каждое из этих решений имеет свой собственный набор проблем, которые надо преодолеть.

Путешествие с использованием взрыва ядерных бомб рассматривалось для проекта «Орион» (Orion) в 1950-х годах, но в настоящее время мы находимся под договором, который запрещает взрывы ядерных бомб в космосе.

Рисунок корабля проекта «Орион»

Кроме того, синтез — не самый эффективный способ превращения массы покоя в энергию. Наиболее эффективным методом — около 100% — будет антивещество. И мы можем создать антиматерию, используя ускорители частиц. Когда частицы материи и антиматерии соединяются, они разрушают друг друга, превращая свою массу покоя в энергию. Этот метод дает в 50 раз больше энергии на килограмм топлива, чем вышеупомянутый метод синтеза. Это означает, что всего 10 граммов антиматерии могут доставить нас на Марс за месяц. Частицы антиматерии, аннигилируя в сопле двигателя, дадут  поток энергии, чтобы продвинуть корабль вперед. И чем больше антиматерии мы сделаем, тем быстрее мы сможем отправиться в путешествие к Проксима Центавра, достигнув её всего за около 30 лет.

Проблема в том, что антиматерия медленная, опасная и чрезвычайно дорогостоящая. Даже её небольшое количество, которое нам нужно для межзвездных путешествий, пока невозможно получить при нынешнем уровне технологий. Мы должны увеличить получение антиматерии в 10²⁴ раз, чтобы рассматривать такие технологии, как пионные ракеты, т.е. ракеты, использующие аннигиляцию.

Однако, мы можем, сделать световой парус из уже имеющихся материалов, который способен достичь 10% скорости света. Легкий большой парус с сапфировым покрытием (или покрытый каким-либо другим отражающим и термостойким материалом), который толкается вперед энергией мощного луча света, который мы испускаем от поверхности Луны. Луч будет иметь мощность, эквивалентную мощности 100 атомных электростанций, и потребует питания либо от реакторов на гелий-3, либо от солнечных панелей вокруг нашего Солнца.

Проект Breakthrough Starshot, поддержанный Стивеном Хокингом, использует небольшие звездолеты («StarChips»), прикрепляющиеся к легкому парусу, который будет развертываться с основного корабля, а затем продвигаться вперед мощными лазерами, чтобы достичь до 20% скорости света. Создание достаточно мощных лазеров является основной проблемой, но исследователи надеются, что к 2036 году будут иметь прототип. Если это сработает, то это будет означать, что путь до системы Центавра займет всего 20–30 лет.

В этом году Планетарное общество предпримет первый управляемый полет солнечного паруса на околоземной орбите, запустив LightSail 2.

Следует отметить, что превышение скорости света более чем на 10% увеличит шансы на столкновения с космическими микрочастицами. Путешествие на таких больших скоростях создает угрозу повреждения корабля даже очень маленьким космическим мусором. Кстати, это еще одно предлагаемое использование легких парусов в космосе — один или несколько таких объектов перед кораблем могут выступать в качестве своеобразного защитного зонтика.

Космос — это не пустота. Даже если кажется, что это так.

Другие возможности для межзвездных путешествий включают в себя варп-двигатели, которые управляют структурой пространства, чтобы продвинуть нас вперед на кажущихся невозможными скоростях быстрее света, и Кугельблиц, который по существу является двигателем с черной дырой. Мы могли бы создать черную дыру сконцентрировав достаточно света в достаточно небольшом пространстве. Излучение Хокинга от черной дыры обеспечит нас энергией  в 10000 раз большей, чем потребляет мир. Мы могли бы также сжимать материю, используя гамма-лучи для создания дыры, хотя в обоих методах лазеры должны быть еще более мощными, чем сама черная дыра.

Так может выглядеть корабль с варп-двигателем по версии NASA.

Это также Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда, который работает немного иначе, чем все упомянутые до сих пор методы. Он собирает вещество межзвездной среды (газ и пыль), чтобы сжать их, а затем использовать в качестве термоядерного топлива в двигателе в задней части корабля. Он не имеет собственного топлива — он собирает топливо из среды межзвездного пространства. 

При проектировании нашего будущего межзвёздного корабля должен быть баланс между тем, как быстро он может двиаться и сколько времени нам потребуется, чтобы создать его — соображение, называемое расчетом ожидания. Нет смысла запускать корабль, полный людей, чтобы через несколько лет его обогнал новый, более быстрый корабль. Но мы также не хотим ждать слишком долго. Говоря «мы не можем запустить сейчас, потому что в следующем году будут лучшие технологии», — это оправдание, которое мы могли бы всегда использовать, но мы не должны так делать.