Попытка осмыслить способ межзвёздных перемещений .

 

Человеку вполне по силам, если он того захочет, стать хозяином Солнечной системы, простирающейся до Плутона и даже за пределы его орбиты. Освоение новых территорий, добыча полезных ископаемых, торговля, связь и другие виды человеческой деятельности будут развиваться примерно так же, как сейчас на Земле.

Регулярные космические трассы пролягут между всеми главными космическими портами, и возможно, что поверхности таких планет, как Марс или даже негостеприимная Венера, превратятся в комфортабельное место проживания людей. Все это становится возможным благодаря изобретению и созданию ракет. Человечество вступает в новую эру распространения нашей цивилизации.

Такая империя будет воистину огромной по сравнению с тем, чем когда-либо приходилось владеть человеку, и все же по сравнению с размерами Галактики, в которой нашей Солнце - всего лишь рядовая звезда среди сотен миллиардов других звезд, освоенный мир будет лишь незначительной частью мирового пространства, подобной капле в море. Итак, захочет ли человечество, вернее, сможет ли оно распространить свое влияние до отдаленных звезд Галактики? Какие виды на будущее человечества открывает перспектива освоения не только межпланетного, но и межзвездного пространства? Какие понадобятся средства передвижения и механизмы и как они помогут человечеству еще дальше расширить свои владения?

Необозримые пространства.

Как только Человек поглубже заглянул в просторы Вселенной, стало очевидным, что принятые на Земле меры измерения расстояний непригодны, когда речь заходит о звездах. Вряд ли мы можем представить себе, что такое 150 миллионов километров, которыми измеряется расстояние до Солнца. Например, чтобы проехать такой путь, если бы это было возможно, пришлось бы довести до полного износа более 1000 автомобилей. Никто еще не преодолевал подобных расстояний (если, конечно, не принимать во внимание собственное движение Земли). С другой стороны, космические аппараты уже покрыли вдесятеро большие расстояния в исследовательских полетах во внешние части Солнечной системы.

При рассмотрении явлений в пределах Солнечной системы в повседневной практике используется особая мера длины - астрономическая единица (часто для краткости обозначаемая а. е.), равная расстоянию от Земли до Солнца и имеющая величину 149 500 000 км. Все планеты отстоят от Солнца на расстояниях не более 40 а. е., которые могут показаться обманчиво малыми.

Однако если осознать, что это небольшое число на самом деле очень велико по обычным меркам, то сколь же огромна умопомрачительная величина 271 800 а. е.! До звезды Альфа Центавра в четверть миллиона раз дальше, чем до Солнца. Свет, который испускает эта звезда и который распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с, достигает Земли за 4,333333 года, а ведь это ближайшая звездная соседка Земли!

Для исчисления межзвездных расстояний приходится ввести еще одну единицу измерения. Такой единицей служит световой год, который на самом деле - не мера времени, а расстояние, проходимое светом за один год. Таким образом, десять световых лет эквивалентны примерно 633 000 а. е., или 95 000 000 000 000 км.

Наша Галактика, часто называемая Млечным Путем, имеет сплюснутую дискообразную форму и содержит более 100 000 миллионов звезд. Она простирается приблизительно на 100 000 световых лет. Всю Галактику целиком увидеть невозможно, но о ее строении можно судить по радио и оптическим исследованиям астрономов, а также по наблюдениям за другими, подобными ей галактиками на небесной сфере, например туманностью Андромеды. Солнце находится на расстоянии 27 000 световых лет от центра Галактики, т. е. примерно на полпути до ее границы. Оно относится к группе сравнительно молодых звезд, к так называемому звездному населению I типа, которые еще находятся на раннем этапе активного «выгорания водорода». Большинство звезд в галактическом диске, который имеет спиральные рукава (так хорошо видимые на многих фотоснимках галактик), относится к этому типу. Некоторые звезды, относящиеся к звездному населению II типа, старше и находятся преимущественно в ядрах галактик. Запасы водорода в этих звездах истощаются, и они постепенно стареют.

Некоторые малые звезды, однако, будут продолжать гореть многие тысячи миллионов лет, устойчиво поддерживая свое слабое свечение, когда Солнце уже погаснет. В той области Галактики, где находится Солнце, звезды отстоят друг от друга на расстоянии около пяти световых лет, но в области ядра Галактики расстояние между ними составляет всего лишь доли светового года. Астрономы и астрофизики не знают, какие условия господствуют в центре Галактики, за исключением того, что они, по-видимому, вряд ли подходят для человека. Некоторые ученые-космологи считают теперь, что там может находиться гигантская «черная дыра», поглощающая близлежащие звезды. Представления такого рода приходится привлекать, чтобы объяснить чрезвычайно драматические события, наблюдаемые в некоторых отдаленных галактиках.

Таково ближайшее по космическим масштабам окружение Солнца, но даже и оно - лишь малая частица обозримой Вселенной, имеющей в радиусе, как полагают, около 15 000 миллионов световых лет и содержащей, возможно, до 10 000 000 миллионов галактик, подобных Млечному Пути. Короче, размеры Вселенной не укладываются в рамки нашего воображения. Существуют масштабы, с которыми ее можно сравнивать, но эти масштабы сами по себе слишком велики, чтобы их можно было себе представить. Итак, именно в этом состоит основная проблема межзвездных полетов. Как сумеет преодолеть подобные расстояния человек и как он выдержит такое продолжительное путешествие?

Через тернии к звездам.

Представим себе Солнечную систему через одно или два столетия. Каллисто, столица Юпитерианской федерации спутников и крупных астероидов, является центром новой цивилизации. На его орбите близится к завершению сборка странного сооружения из топливных баков, решетчатых конструкций, ядерных источников энергии и двух крупнейших и мощнейших из всех когда-либо созданных человеком ракетных двигателей. Космический корабль должен быть заправлен ядерным топливом, добытым из атмосферы Юпитера, - дейтерием, редким изотопом водорода, и гелием-3, еще более редким изотопом, который обнаружен только во внешних частях Солнечной системы.

Возможности обычной ракетной техники, которая была столь полезна человеку при освоении Солнечной системы, использованы до предела. Для совершения рывка к ближайшим звездам нужны корабли особого типа, так называемого типа «Дедал», которые являются беспилотными аппаратами. Разумеется, их надо рассматривать «только как роботы», хотя они имеют массу органов «чувств», неутомимы, так как получают энергию от ядерной энергоустановки, по «умственным» способностям превосходят все лучшие вычислительные машины XX столетия и с помощью микроволновых линий связи управляют десятком тонн совершеннейшего самопрограммирующегося и способного принимать независимые решения оборудования, так что (умей они говорить) они, вероятно, ни в чем не уступали бы человеку.

Экспедиция на кораблях этого типа проходит следующим образом. В первые несколько лет полета, пока корабль не наберет скорости, составляющей 10- 20% скорости света, работают двигатели корабля, а затем в течение нескольких десятилетий он будет двигаться к месту назначения по инерции. Во время полета находящиеся на борту роботы и другая научная аппаратура будут постоянно функционировать, собирая фундаментальные данные о Галактике и Вселенной, такие, как количество и состав межзвездного вещества, величина галактического магнитного поля, расстояние до отдаленных звезд галактик.

Целью полета будут относительно близкие звезды, находящиеся на расстоянии в пределах десяти световых лет. По достижении цели первые звездные корабли не смогут погасить свою колоссальную скорость. Их двигатели не справятся с этой задачей. Вместо этого с кораблей будут запущены исследовательские приборы во все концы обширного пространства, подобного целой Солнечной системе, чтобы каждый из них, достигнув цели, произвел измерения и получил полную картину по всем возможным параметрам. Вся эта информация будет передана по радио на огромный приемный комплекс в Солнечной системе. Космический корабль и посланные им роботы - «камикадзе» продолжат свой полет и в конце концов, лишившись электроэнергии и управления, канут в глубинах Галактики, но человечество впервые сможет увидеть вблизи мир другой звезды.

Все это очень напоминает научную фантастику, однако изложенные здесь общие представления основаны на заключениях уже выполненного весьма детального исследования возможности межзвездного полета. Исследование - проект «Дедал» было названо так в честь знаменитого греческого мастера, который изготовил крылья себе и своему сыну Икару, чтобы совершить побег с острова Крит, спасаясь от гнева царя Миноса.
Первая в мире инженерная проработка беспилотного космического корабля для исследования одной из ближайших звезд была выполнена рабочей группой Британского межпланетного общества в период 1973-1977 гг. Цель полета - достижение звезды Барнарда, отстоящей от Земли на расстоянии 6 световых лет. Участники рабочей группы убедились, что разработка, основанная на экстраполяции развития техники на начало XXI столетия, может служить лишь первым приближением к решению проблемы межзвездного перелета. Результаты выполненной проработки говорят о том, что это будет грандиозная задача, для решения которой потребуется настолько большой космический корабль, что по сравнению с ним ракета «Сатурн-5», доставившая человека на Луну, покажется карликом. Звездолет «Дедал», по современным представлениям, должен иметь массу ~54 000 т, т. е. примерно в 20 раз больше, чем ракета «Сатурн-5», и нести 450 т полностью автоматизированного полезного груза. Из-за слишком большого времени прохождения радиокоманд между Землей и звездолетом управлять им и осуществлять все необходимые действия в исследовательской фазе полета должен «электронный мозг» - электронная вычислительная машина.

За несколько лет до встречи со звездой Барнарда к ее планете, или луне, или к самой звезде будет послано 18 космических зондов, которые будут передавать результаты исследований центральной ЭВМ звездолета.

Наиболее детально проработана концепция ядерного пульсирующего ракетного двигателя, основанная на исследованиях управляемого термоядерного синтеза. Электронный пучок инициирует в двигателе реакцию синтеза дейтерия и гелия-3. Поскольку гелий-3 является редко встречающимся изотопом гелия, то на начальном этапе работы возникнут определенные трудности.

Двигатель звездолета «Дедал»:
1 Пушка для инжекции сферических объемов ядер топлива.
2 Сверхпроводящие катушки магнитного поля (4 шт.).
3 Генераторы пучков электронов.
4 Плазменная струя на выходе двигателя.
5 Магнитное поле.
6 Катушки отбора энергии.
7 Объем замороженного топлива сферической формы.
8 Ядерный взрыв.
9 Камера, внутри которой происходит реакция.

Характеристики корабля «Дедал» были выбраны в соответствии с принятым в начале исследования решением, что полет к звезде Барнарда (расстояние до которой менее 6 световых лет) должен быть осуществлен за время жизни людей, принимавших участие в разработке этого проекта, т. е. примерно за 50 лет. Это означало, что двигатель корабля «Дедал» должен обеспечить скорость движения 38 600 км/с. После всестороннего анализа возможных методов создания тяги был сделан вывод, что наилучшим вариантом является пульсирующий ядерный двигатель. Принцип действия такого двигателя основан на идее установки для управляемого термоядерного синтеза, в которой сферические объемы дейтерия и гелия-3 инжектируются в центр магнитной ловушки. Когда сферический объем достигнет заданной точки, в него одновременно выстреливают несколько мощных электронных пучков. Частота повторения взрывов 250 Гц. На рисунке показана принципиальная схема двигателя, который может быть создан в XXI в.

Зонды для исследования планет:
1 Защитный экран от эрозии
2 Энергоустановка.
3 Радиационная защита.
4 Отсек аппаратуры связи.
5 Отсек с оптическими приборами.
6 Бортовая ЭВМ и приборы управления.
7 Отсек с вспомогательными зондами.
8 Ионные двигатели.

Такие зонды должны запускаться с корабля «Дедал» за 1,2 и 7,2 года до встречи со звездой Барнарда. Они предназначены для исследования обширных областей звездной системы, включая некоторые планеты и луны. Типичный большой зонд массой 10 т имеет форму узкого усеченного конуса длиной 20 м, обеспечивающую удобную укладку полезного груза. Малые межзвездные зонды запускаются с помощью роботов-«смотрителей». Их задача - исследовать потоки заряженных и нейтральных частиц, а также волны и поля в космическом пространстве.

Звездолет «Дедал»:
1 Защитный экран от эрозии.
2 Отсек полезного груза.
3 Бак с жидким водородом.
4 Двигатели малой тяги.
5 Топливные баки второй ступени.
6 Топливный бак двигателей маневрирования.
7 Реакторы вспомогательных энергоустановок.
8 Параболический отражатель второй ступени.
9 Несущая конструкция.
10 Топливные баки первой ступени.
11 Бак с жидким водородом.
12 Основная несущая конструкция.
13 Инжектор ядерноготоплива.
14 «Камера сгорания» первой ступени.
15 Контур индуктивности.
16 Электронные пушки.
17 Сверхпроводящая катушка (1 из 4).
18 Параболический отражатель первой ступени.
19 Сферические объемы замороженного ядерного топлива.
20 Электронные пушки.
21 «Камера сгорания» второй ступени.
22 Инжектор ядерного топлива второй ступени.
23 Роботы-«смотрители».
24 Отсек аппаратуры связи.
25 Телескопы.
26 Вспомогательные космические зонды.

Звездолет «Дедал» имеет двухступенчатую схему. Двигатели размещаются в хвостовой части, а большие топливные баки - по периферии конструкции в связи с необходимостью их отстыковки и сброса в полете. Между баками находится служебное оборудование космического аппарата, включая узлы вспомогательной энергоустановки и топливо. Отсек полезного груза, расположенный за головным защитным экраном, имеет палубы, где размещаются зонды, запускаемые с корабля, телескопы, роботы-«смотрители» и электронно-вычислительные машины. Главный вычислительный комплекс, навигационный, осуществляет управление всем кораблем, контролирует проведение научных наблюдений и даже производит текущий ремонт с помощью телеуправляемых роботов-«смотрителей». Он также дает команды на запуск вспомогательных зондов, которые передают научные данные для анализа на борту. Вся собранная кораблем информация кодируется главным вычислительным комплексом, и обработанные результаты, видеозаписи, данные об исследуемой звезде, планетах и лунах, магнитных полях, радиационных поясах и т. п. передаются на Землю. Сборка звездолета должна производиться в космосе, вероятно в районе Юпитера, из-за особых требований к производству ядерного топлива, включающего гелий-3. При высокой скорости, с которой движется корабль (в конце активного участка 12-13% скорости света), серьезнейшей проблемой будет эрозия конструкции вследствие столкновений в полете с частицами космической пыли. Поэтому на корабле устанавливается защитный противоэрозионный экран из бериллия, прикрывающий двигатель второй ступени. Выполненное Британским межпланетным обществом исследование показало, что человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем звездолеты перестанут быть фантастикой. Крайне необходима разработка новых принципов создания реактивной тяги в космосе, таких, как теоретически обоснованная возможность движения вследствие аннигиляции вещества и антивещества.

Роботы-«смотрители»:
1 Антенна радиолокатора.
2 Автоматические манипуляторы.
3 Двигательная установка и топливо.
4 «Опорная рука».
5 Система управления положением в пространстве.
6 Отсек с ЭВМ.

Автоматические роботы-«смотрители», система управления которыми способна принимать самостоятельные решения, предназначены для обслуживания и запуска зондов, а также облета вокруг основного аппарата для установления и устранения утечек и других неисправностей узлов и систем.

Главной целью этого исследования было определение инженерных возможностей осуществления межзвездного полета на основе экстраполяции уровня техники не более чем на ближайшие 50 лет. Двигательная установка корабля должна быть реактивной, но нового типа, имеющей сходство с перспективным ракетным двигателем для космического аппарата, который лет пятнадцать назад разрабатывался специалистами фирмы «Дженерал атомик» в США под кодовым названием «Орион». Принцип действия этой ракеты состоял в использовании импульсных ядерных взрывов, которые производились в нижней части аппарата, так что он буквально отбрасывался взрывом вперед в направлении полета. Проектом «Орион» предусматривалось, что мощные взрывы (эквивалентные по мощности взрывам тысяч тонн тринитротолуола) будут повторяться с частотой от одного взрыва в 10 с (1/10 Гц) до одного взрыва в 1 с (1 Гц). Импульс тяги будет восприниматься массивной плитой, прикрепленной к аппарату с помощью амортизаторов. Таким способом удастся создать относительно приемлемые условия для экипажа корабля. Корабль «Орион» предназначался для осуществления межпланетных полетов, поэтому производимые его двигательной установкой взрывы должны были быть ограниченной мощности. К моменту завершения разработки проекта «Дедал» в принятые основные технические решения могли быть внесены два изменения - одно, связанное со способом инициирования взрывов, другое - с использованием топлива. С учетом этих изменений двигатель звездолета «Дедал» стал бы достаточно мощным для доставки корабля к звезде.

В настоящее время известны два способа выделения энергии, запасенной в материи. Один из них - расщепление атомов тяжелых элементов, таких, как уран, плутоний или торий. Полная масса образовавшихся осколков оказывается меньше массы атома исходного элемента, и вследствие дефекта массы выделяется энергия. В другом способе, наоборот, пара атомов очень легких элементов - водорода, гелия, бора и других объединяется в новый атом с массой, большей массы каждого из исходных элементов. Однако масса нового атома меньше суммарной массы исходных атомов, и опять вследствие дефекта массы выделяется энергия. Это процесс ядерного синтеза.

Процесс расщепления атомов технически реализовать проще. Чтобы он начался, необходимо лишь достаточное количество топлива (так называемая «критическая масса»). Такой процесс, на котором основан принцип действия атомной бомбы и реакторов атомных электростанций, предполагалось использовать в проекте «Орион». Однако из одинакового количества топлива в процессе ядерного синтеза выделяется больше энергии, чем при расщеплении атомного ядра, поэтому процесс ядерного синтеза больше подходит для космических полетов. К сожалению, несмотря на усилия тысяч ученых в течение десятков лет, единственным действующим устройством, в котором используется энергия, высвобождаемая при ядерном синтезе, является водородная бомба. Но в бомбе процесс ядерного синтеза протекает неуправляемо. Чтобы осуществить этот процесс, необходимо нагреть топливо до температуры в сотни миллионов градусов, так чтобы атомы сталкивались друг с другом, имея достаточную энергию для начала реакции синтеза. До недавнего времени был известен единственный способ нагрева с использованием атомной бомбы в качестве «подогревателя». Очевидно, такой способ слишком рискован, поскольку подобен взрыву водородной бомбы. При каждом взрыве минимальное количество освобождаемой энергии эквивалентно энергии взрыва десятков тысяч тонн тринитротолуола,- а это огромная энергия! В настоящее время представляется возможным осуществлять нагрев, воздействуя мощными лазерными или электронными пучками на небольшие объемы ядерного топлива (обычно сферической формы). С другой стороны, топливо в виде высокотемпературного газа (или плазмы) можно удерживать в магнитном поле, чтобы изолировать его от стенок сосуда, в котором оно находится. Нагрев осуществляется инжектируемыми снаружи внутрь объема атомами с высокими скоростями. Оба способа, вероятно, осуществимы, однако первый представляется более подходящим для использования в космическом полете, поскольку при меньшей массе двигателя может быть получена большая тяга. Именно этот способ используется в проекте «Дедал».

Двигатель с использованием энергии ядерного синтеза.

Сферический объем дейтерия и гелия-3, охлажденных до температуры -270°С, инжектируется в двигатель с помощью специальной пушки. В момент, когда этот объем попадает в заданную точку полости двигателя, в него одновременно выстреливается множество пучков высокоэнергетических электронов, создаваемых генераторами. При этом топливо сжимается и нагревается до температуры, достаточной для инициирования реакции ядерного синтеза. При взрыве топлива образуется облако ионизированного газа, напоминающее шаровую молнию, которое выталкивается наружу магнитным полем, ограниченным металлическими стенками камеры двигателя. Сила взрыва через магнитное поле передается стенкам камеры двигателя, а продукты взрыва выбрасываются из нее. Энергия взрыва идет на создание тяги, а часть ее отбирается из продуктов взрыва с помощью кольца, размещенного на выходе ускорительной части двигателя. Эта энергия затрачивается на «перезарядку» генераторов электронных пучков, готовых снова выстрелить в новый объем ядерного топлива, и процесс повторяется. Частота взрывов может достигать 250 Гц, а мощность такого двигателя будет в несколько раз превышать мощность, вырабатываемую в настоящее время на всем земном шаре.

Но даже при использовании таких мощных ракетных двигателей для разгона корабля до скорости, составляющей 10% скорости света, потребуется большое количество топлива. Проектом «Дедал» предусматривалось проведение самой скромной экспедиции к звезде Барнарда, удаленной от нас на расстояние в 6 световых лет, куда будет доставлен полезный груз массой 450 т. Попыток остановить или затормозить корабль предприниматься не будет, и тем не менее даже в этом случае потребуется около 50 000 т ядерного топлива. В этом и заключается главная проблема. В то время как дейтерий (или тяжелый водород) имеется на Земле в достаточном количестве (главным образом в морях), другое ядерное топливо, гелий-3 (или легкий гелий), на Земле фактически не существует. В настоящее время небольшие количества этого элемента получают в ядерных реакторах, и поэтому он очень дорог. Один килограмм гелия-3 стоит несколько миллионов долларов! Очевидно, чтобы выделить необходимые для звездолета 30 000 т гелия, следует изыскать какие-то другие источники.

К счастью, при образовании Вселенная состояла главным образом из водорода и гелия. На каждые десять атомов водорода приходился один атом гелия. Более того, на каждые 10 000 атомов гелия приходился один атом гелия-3. И другие планеты Солнечной системы состоят из элементов, появившихся в процессе образования Вселенной. Поэтому если будут разработаны соответствующие методы выделения гелия-3, возможность его получения в громадных количествах представляется вполне реальной. По оценкам, в атмосфере Юпитера должно содержаться около 1016т гелия-3, и этого количества вполне достаточно для проведения многих межзвездных экспедиций.

Уровень техники в будущем без сомнения позволит создать звездолет, но камнем преткновения, по-видимому, будет необходимость выжидания такого момента, когда выбранная траектория межпланетного путешествия внутри Солнечной системы позволит извлечь все запасы топлива в окрестности Юпитера. Для выбора такой траектории может потребоваться целое столетие, и эта цифра определяет темпы реализации всего проекта.

В результате детальной проработки звездолета «Дедал» была предложена двухступенчатая схема корабля. Каждая ступень имеет свой собственный пульсирующий ядерный двигатель. В шести сферических сбрасываемых баках первой, наиболее тяжелой ступени запасено 46 000 т топлива. В четырех таких же баках второй ступени содержится 4000 т топлива. Несмотря на то что вторая ступень по размерам меньше первой, она является «сердцем» корабля, поскольку на ее борту находится крайне важный 450-тонный полезный груз с приборами и роботами-«смотрителями». Полезный груз размещен в головной части второй ступени, защищенной от непрерывной бомбардировки микроскопической межзвездной пылью большим плоским эрозионным экраном из бериллия. В состав полезного груза входят 18 вспомогательных космических зондов, каждый из которых имеет свою собственную двигательную установку, предназначенную для их доставки в близлежащие к исследуемой звезде области, когда корабль «Дедал» будет пролетать мимо нее. Управление полетом в течение всей экспедиции будет осуществляться центральной быстродействующей ЭВМ с большой емкостью памяти, которая размещена на борту второй ступени. ЭВМ должна будет обладать способностью принимать ответственные решения без вмешательства человека, поскольку на столь огромных расстояниях от Земли задержка в передаче информации будет составлять несколько лет и такая связь не может быть использована для принятия оперативных решений.

Ремонт систем и аппаратов, входящих в состав полезной нагрузки и предназначенных для исследования дальнего космоса, которые должны быть размещены как можно дальше от основного блока звездолета, чтобы не находиться в создаваемой кораблем локальной зоне загрязнения окружающего пространства, будет производиться роботами-«смотрителями». На борту «Дедала» будут находиться два 10-тонных робота с ядерными источниками энергии, собственными двигательными установками, а также манипуляторами и наборами чувствительных элементов. Каждый робот-«смотритель» будет иметь автономный управляющий «электронный мозг» с высокими «интеллектуальными способностями», а для решения более сложных проблем или получения исходных данных будут использоваться каналы микроволновой связи с основными ЭВМ экспедиции, расположенными в первой ступени корабля «Дедал».

Во время быстрого пролета мимо намеченной в качестве цели звезды корабль рискует столкнуться с каким-либо крупным осколком, который может двигаться по орбите вокруг этой звезды. Предусмотренный для защиты в межзвездном пространстве экран здесь будет бесполезен, поскольку столкновение, например с телом массой в 1 г, будет эквивалентно воздействию взрыва 150 т тринитротолуола, достаточного для мгновенного прекращения экспедиции. Так называемая система предотвращения неожиданных столкновений будет следить за движением находящегося в 200 км впереди корабля плотного облака, состоящего из очень мелких частиц пыли. Облако искусственно будет создаваться и поддерживаться космическим аппаратом небольших размеров - «пылевым жуком». Контроль за тем, чтобы облако находилось действительно впереди основного корабля, будет осуществляться лазерным дальномером, обеспечивающим высокую точность измерений. Таким образом, любой крупный объем на трассе полета звездолета сначала столкнется с пылевым облаком, и при этом произойдет столь интенсивное выделение тепла, что тела с массой до полутонны будут разрушены и испарятся практически мгновенно. За время, пока в эту зону войдет основной блок корабля (около пяти тысячных долей секунды), встретившееся на пути тело будет фактически рассеяно, и межзвездному эрозионному экрану останется лишь обеспечить защиту от образовавшейся при взрыве плазмы.

После пролета мимо намеченной звезды будет передана информация обратно в Солнечную систему. В конструкции корабля «Дедал» предусмотрено четыре мощных ядерных реактора, вырабатывающих необходимую энергию для передачи информации на расстояние в шесть световых лет. Потребуются три года для неоднократной передачи всей информации и шесть лет для достижения сигналами Земли. Добавим сюда продолжительность экспедиции от момента старта до встречи с целью (около 50 лет) и найдем, что пройдет почти 60 лет, пока будут получены какие-либо научные данные со звездолета. Кроме того, на конструирование, изготовление, испытания и заправку топливом такого корабля потребуется 15-20 лет. Так что время между началом разработки проекта и получением первых научных данных может превысить продолжительность человеческой жизни. В настоящее время неизвестны другие практические способы полета к звездам. Стоимость межзвездного полета будет огромна, и потребуются совместные экстраординарные усилия для достижения успеха экспедиции. Возможно, что такое мероприятие может оказаться целесообразным только после того, как люди начнут постоянно жить в открытом космосе и будут считать его естественной окружающей средой.

Заяц и черепаха.

Как мы теперь видим, первые межзвездные экспедиции будут, вероятно, дальнейшим развитием современных исследований планет с применением более сложных космических зондов. И это все? Сможет ли когда-нибудь человек сам отправиться в полет к звездам? Появятся ли более совершенные двигательные установки?

Вполне вероятно, что межзвездные исследования будут развиваться не только по пути создания несложных космических аппаратов типа «Дедал». Как именно они будут развиваться, в настоящее время сказать трудно, но уже сейчас намечаются два радикально отличающихся подхода к решению этой проблемы. Первый из них предусматривает создание более мощных двигателей, разгоняющих корабль до скорости, приближающейся к скорости света. Когда удастся приблизиться к предельно достижимой скорости, начнут проявляться эффекты, предсказанные теорией относительности: время на борту звездолета будет течь значительно медленнее, чем на Земле. Если космический аппарат будет иметь достаточно высокую скорость, члены экипажа смогут осуществить путешествие в доступную нам область Вселенной в течение своей жизни. К моменту возвращения путешественников на Землю окажется, что люди, оставшиеся на Земле в начале этой экспедиции, давно умерли; возможно, даже Солнце перестанет существовать.

При другом подходе аппараты для межзвездных экспедиций развивают небольшие скорости, составляющие несколько процентов скорости света. Для создания двигателей с такими характеристиками вполне подходят технические решения, заложенные в проекте «Дедал». В этом случае время путешествия будет продолжительным.

Прежде чем исследовать далее оба указанных подхода, отметим, что только «быстрые» звездолеты, направляющиеся к самым близким от нас звездам, успеют передать какую-либо информацию людям, принимавшим участие в их запуске. Поскольку число таких полетов и выбранных для изучения объектов, по-видимому, будет ограничено, то фактически результатами межзвездных исследований смогут воспользоваться лишь следующие поколения, так как информация, посланная с борта звездолета на Землю, достигнет цели через сотни лет, а в худшем случае вообще не достигнет ее.

Прежде всего выясним, каковы перспективы достижения больших скоростей. Сначала прикинем, что можно «выжать» из обычных ракет. Предположим, что будут отработаны суперреакции ядерного синтеза, позволяющие отобрать при столкновении атомов легких элементов всю запасенную в них энергию. К.п.д. преобразования массы в энергию в таком процессе составляет около 1%. Тогда мы вправе ожидать, что ракета, которая сначала разгоняется до максимальной скорости, а затем, долетев до цели, затормаживается, достигнет скорости, составляющей около 30% скорости света. И если собственная масса двигателя невелика, то до звезды Альфа Центавра можно долететь за 15 лет. К сожалению, сейчас никто не в состоянии сказать, какова будет масса такого двигателя, поскольку реакции, которые предполагается в нем использовать, пока происходят лишь внутри звезд, где гравитационные силы удерживают вещество от разлета. Согласно расчетам, в таких малых объемах, как камеры двигателей звездолетов, вряд ли удастся добиться высокой степени сгорания топлива. Отсюда следует вывод, что ракеты, использующие энергию ядерного синтеза, будут иметь жесткие ограничения, а их характеристики будут ненамного лучше характеристик, заложенных в проекте «Дедал». Конечно, даже такие небольшие улучшения могли бы позволить автоматическим зондам замедляться у исследуемой звезды, что увеличило бы объем получаемой информации.

Известна ракетная система, которая может оказаться перспективнее. Это широкоизвестная фотонная ракета, в которой вещество полностью аннигилирует и вся энергия переходит в излучение, которое и создает тягу. Еще в XVIII в. было известно, что свет может оказывать давление на тела. Однако уровни тяги фотонных двигателей очень малы, и для создания тяги 0,9 кгс должна потребоваться мощность излучения 3 ГВт, равная мощности одной из крупнейших в настоящее время электростанций на Земле! При незначительном уменьшении к.п.д. такое устройство мгновенно испарится. Существует лишь один путь, приводящий к аннигиляции вещества,- соединение материи и антиматерии. Однако антиматерия, которая ведет себя точно так же, как и обычная материя, но электрические заряды всех заряженных частиц, входящих в ее атомы, имеют противоположные знаки, полностью отсутствует в обозримом пространстве Вселенной и должна производиться искусственно. В процессе производства антиматерии количество затрачиваемой энергии эквивалентно двойной массе вырабатываемой антиматерии, поэтому стоимость ее чрезвычайно высока. Необходимая для протекания этого процесса энергия будет, по-видимому, вырабатываться в обычных ядерных реакциях.

При работе с антиматерией главной проблемой может стать проблема ее хранения. Твердые стенки содержащих ее контейнеров в результате неконтролируемого процесса аннигиляции будут разрушаться. Запасти антиматерию можно либо в магнитном поле в виде высокотемпературной плазмы, либо в магнитном левитаторе в виде «антиметалла». В первом случае плотность вещества недопустимо мала, что приведет к созданию очень тяжелого космического аппарата, а во втором - ядерная техника производства, например антилития, слишком сложна для ее практического использования. Таким образом, хотя теоретически фотонная ракета могла бы иметь самые высокие двигательные характеристики, с современной инженерной точки зрения ее создание невозможно.

Существуют два других класса ускорительных систем, обладающих более высокими характеристиками по сравнению с лучшими современными двигателями. В обеих системах используется сильно разреженный газ, заполняющий межзвездное космическое пространство, так называемая межзвездная среда. В состав этого газа входят в основном водород и немного гелия; количество других элементов не превышает 1%. Простейший способ использования этого газа для создания тяги мог бы состоять в его «сгребании», засасывании и последующем выбрасывании из сопла, а требуемая для осуществления этого процесса энергия вырабатывалась бы за счет использования ядерного топлива, запасенного на борту корабля. Принцип работы такого устройства аналогичен принципу работы используемого в атмосфере Земли прямоточного воздушно-реактивного двигателя с химическими реакциями в газовой фазе. Однако в двигательной установке звездолета существенный вклад в тягу будут вносить выбрасываемые продукты ядерных реакций.

Эта система получила название «Межзвездная ракета с забором окружающей среды» - РАИР (англ. RAIR - Ram Augmented Interstellar Rocket). При полете такого аппарата требуется не столько засасывание окружающего разреженного газа, сколько определенным образом организованное взаимодействие с ним, например с помощью электрического или магнитного полей. В качестве реактора можно использовать пульсирующий ядерный двигатель с устройством (например, катушкой) для отбора части энергии на выходе двигателя и передачи ее окружающему пространству и наоборот. Вначале РАИР движется как обычная ракета до тех пор, пока не разовьет скорость, достаточную для взаимодействия с окружающей средой. На ранних стадиях полета отбираемая на выходе ракетного двигателя энергия будет передаваться внешнему потоку, замедляя скорость выброса струи, но вовлекая в движение большую массу внешнего потока. По достижении скорости, при которой эффективность работы рассмотренной системы начнет уменьшаться, режим работы такого своеобразного прямоточного реактивного двигателя с забором окружающей среды будет прекращен и возобновится движение аппарата как обычной ракеты. При еще больших скоростях вновь будет восстановлен режим прямоточного реактивного двигателя с забором окружающей среды, но теперь энергия будет отбираться из внешнего потока и передаваться реактивной струе. На этой стадии полета скорость корабля относительно окружающей межзвездной среды выше скорости истекающей из двигателя струи, причем увеличение скорости струи производится за счет использования внешней энергии. Перераспределяя таким образом между потоками энергию, вырабатываемую бортовым реактором, можно добиться весьма эффективного ее использования и достичь скорости, составляющей 50% скорости света. При реализации такого способа встретится масса трудностей, и одна из наиболее очевидных - взаимодействие двигателей установки с окружающей средой. Использование внешней среды должно быть достаточно эффективным, иначе не удастся достичь улучшения двигательных характеристик. Создание сильных магнитных полей также является сложной технической проблемой, которая далека еще от осуществления. Тем не менее такая двигательная установка, способная обеспечить высокие скорости движения, может быть создана в не столь отдаленном будущем.

Среди перспективных двигателей, способных обеспечить высокие скорости истечения, имеется еще один, наиболее мощный из всех изобретенных до сих пор,- межзвездный прямоточный реактивный двигатель (МПРД). Так же как и РАИР, МПРД будет захватывать разреженный газообразный водород, заполняющий межзвездное пространство, но теперь он будет поступать в следующую ступень. Вместо использования только в качестве ускоряемой массы (тяга создается за счет изменения момента количества движения) газообразный водород фактически будет служить также ядерным топливом в процессе превращения четырех атомов водорода в атом гелия. Поскольку в таком космическом корабле расходуемые двигательной установкой компоненты топлива черпаются из внешних источников, диапазон создаваемых при этом тяг и скоростей в принципе неограничен. Потенциальные возможности такой двигательной установки огромны, но бесконечными представляются и технические трудности, которые возникнут при ее создании.

Если такой звездолет удастся построить и он будет двигаться с ускорением, равным ускорению силы тяжести на Земле (1g), то он покроет расстояние в десять световых лет примерно за 12 лет по земным часам. Для членов экипажа пройдет всего лишь 5 лет. Экипаж сможет пересечь Галактику, поперечный размер которой составляет около 100 000 световых лет, за 31 год. По земным часам на это потребуется 100 000 лет, и потомки цивилизации, запустившей звездолет, могут затерять все следы этой экспедиции. Стартовая масса такого корабля будет около 100 000 т. Установленные на нем двигатели, аналогичные двигателям звездолета «Дедал», разгонят корабль до скорости, составляющей около 2% скорости света. На это потребуется около 45 000 т топлива. При такой скорости можно использовать МПРД.

В данном рассмотрении опущены некоторые технические вопросы. Например, диаметр «заборника» такого звездолета был бы равен половине диаметра Юпитера! Если топливо удерживать магнитным полем, то в настоящее время неизвестна конструкция катушки, способной выдержать возникающие нагрузки. Если в этой конструкции использовать даже какой-нибудь «удивительный» материал, то все равно «заборник» будет малоэффективным, поскольку из-за образования на входе в реактор воронки с газообразным водородом большая часть набегающего потока не попадет в двигатель. Это приведет к появлению заметной тормозящей силы, действующей на космический корабль. Если путем умелого использования электрического и магнитного полей удастся преодолеть это препятствие, то возникнет новая проблема, состоящая в том, что предложенная выше для получения энергии простая реакция ядерного синтеза протекает очень медленно и происходит лишь внутри некоторых звезд. Возможно использование так называемых каталитических реакций с промежуточными ядерными реакциями, в которых участвуют другие атомы, например углерод или азот. Окончательными продуктами таких реакций будут гелий, исходные атомы и, конечно, высвобождающаяся энергия. Известные в настоящее время реакции не удовлетворяют поставленным требованиям, но эта трудность со временем может быть преодолена.
Межзвездная ракета с забором окружающей среды

Этот корабль имеет на борту запас ядерного топлива; выброс продуктов реакции создает тягу. Тяговые характеристики двигателя улучшаются путем захвата межзвездного газа магнитным полем и использования кинетической энергии этого газа для ускорения движения ракеты. Благодаря перераспределению энергии между струей ядерного двигателя и внешним потоком достигается максимальный к.п.д. двигательной установки.

 

Межзвездный прямоточный реактивный двигатель.

Водород, захватываемый из межзвездной среды с помощью сильного магнитного поля, создаваемого звездолетом, поступает в термоядерный реактор импульсного типа, где четыре атома водорода превращаются в один атом гелия с выделением энергии. На схеме показаны две возможные циклические реакции, хотя ни одна из них невозможна на современном этапе развития техники. И в том и другом случае атомы-«катализаторы» остаются в реакторе для повторения процесса.
Мы рассмотрели только часть проблем. Сейчас они кажутся непреодолимыми, но, не имея возможности отступать, наверное, правильно будет продолжать исследования по созданию межзвездного ПРД, и если существует способ заставить его работать, то он несомненно будет найден. А как же быть с искривлением космического пространства и путешествиями по Галактике со скоростями, большими скорости света, бесчисленных героев научно-фантастических книг? Пока, к сожалению, это все лишь из области научной фантастики. Как нам сейчас представляется, таких путешественников не существует, но если физика добьется новых успехов, то не исключено, что хотя и в меньшем количестве, но подобные герои должны будут появиться.

Другие пути.

Как упоминалось выше, альтернативное направление исследований основано на допущении, что межзвездное путешествие - дело отдаленного будущего. Может ли человек согласиться с этим? При таком подходе нам придется довольствоваться запуском корабля с вполне достижимой скоростью, составляющей, скажем, 0,01-0,1% скорости света, а сотни и тысячи лет полета использовать одним из следующих способов. Первый способ состоит в постройке таких гигантских кораблей, которые по праву можно считать отдельными мирами. Семьи людей, растения, животные, фактически целая цивилизация будут путешествовать в них. Каких же размеров должны быть такие корабли? Оценки расходятся, но их масса будет не менее сотен или даже тысяч миллионов тонн! Идея строительства новых миров в космосе была высказана К. Э. Циолковским в 20-х годах нашего столетия, но недавно она вновь была возрождена в виде предложенных О'Нейлом конструкций так называемых космических поселений, которые в один прекрасный день могут появиться вокруг Солнечной системы. Возможно, что из таких поселений вырастут космические корабли, вмещающие целые миры. Один такой корабль способен вместить миллионы обитателей, а в полете к звездам могут участвовать десятки таких кораблей. Поскольку за время перелета сменится не одно поколение живущих в корабле людей, то к далеким звездам доберутся лишь потомки тех, кто отправился в путь. Между отдельными регионами этой межзвездной цивилизации будут осуществляться регулярные полеты космического челнока, и эта ситуация, за исключением отсутствия Солнца, мало чем будет отличаться от нашей современной жизни на «космическом корабле» Земля. Конечно, такое рискованное предприятие, по нынешним понятиям, было бы невероятно дорого, а обоснование целесообразности путешествия и осуществление политического взаимодействия, необходимых для проведения таких экспедиций, будет весьма трудным делом.

Согласно второму способу, в межзвездную экспедицию отправляется не сообщество активно функционирующих людей, а людей в состоянии гибернации (типа зимней спячки у животных). При приближении звездолета к цели путешествия люди пробуждаются. Основная проблема состоит здесь в том, что никому еще не удавалось погрузить человека в состояние, близкое к гибернации. Не исключено, что такое погружение вообще невозможно. Было опробовано воздействие лекарств и низких температур, и оказалось принципиально возможным замедление функций человеческого организма в течение периодов времени, достаточных для проведения, например, некоторых медицинских операций. Однако уровень остаточной активности организма будет все же достаточно высоким, чтобы последний смог вынести межзвездное путешествие длительностью в несколько веков. Если бы удалось достичь состояния гибернации у людей, то можно было бы использовать космические корабли меньших размеров с сотнями людей на борту. Управление такими кораблями до момента пробуждения людей будут осуществлять автоматические устройства. Запрограммированное пробуждение людей позволило бы уменьшить массу корабля и за счет использования в качестве дома для «груза» звезды-цели, которую пробудившиеся путешественники смогут сделать обитаемой.

Третий способ основан на идее перевозки необходимых компонентов для контролируемого рождения людей в будущем. Предполагается отправить в полет не живых людей, а половые клетки, яйцеклетки и сперму, в инкубаторе, который фактически стал бы гигантской маткой, снабженной всеми необходимыми биохимическими веществами, запасенными в специальных баках. За зарождением, ростом, формированием и воспитанием человеческих личностей будут следить опытные роботы-няни, запрограммированные таким образом, чтобы вырастить людей, приспособленных к встрече с другим миром и способных жить в этих новых условиях. Эту идею, конечно, очень трудно осуществить, но все же несколько проще, чем предыдущую. Преимущество данного способа - возможность использования небольших космических кораблей меньшей стоимости.

Заслуживает упоминания еще одно предложение, касающееся проникновения человечества в межзвездное пространство. Оно, правда, не подходит под категорию пилотируемого космического полета, поскольку не предполагается запуска в космос ни человека, ни производимого им. Это так называемая целенаправленная «панспермия». В соответствии с этой концепцией к звездам будет отправлен небольшой корабль, загруженный специально приготовленными микроорганизмами. Когда корабль достигнет подходящей планеты, микроорганизмы будут выгружены из корабля, и начнется их рост и развитие. Предполагается, что через миллиарды лет эти организмы разовьются в разумные существа, и таким образом земная жизнь будет распространяться по всей нашей Галактике. Этот способ можно рассматривать как вариант предыдущего предложения. С точки зрения затраты усилий, возможно, что это самый дешевый путь распространения жизни в Галактике, но ясно, что он мало связан с пилотируемыми полетами к звездам.

Быть или не быть?

При проведении дискуссий о межзвездном полете как само собой разумеющееся предполагалось, что есть куда лететь и зачем лететь. Что касается первого утверждения, то, согласно теоретическим оценкам, основанным на рассмотрении звезд, подобных Солнцу, и теориям зарождения планет, в Галактике имеется около десяти миллионов планет, которые могут быть похожи на Землю. Если также предположить, что возникновение жизни не связано с «магической» спецификой Земли, то можно ожидать, что в некоторых из этих миров начнутся биохимические процессы. Неизвестно, насколько далеко продвинулся этот процесс к настоящему времени. Диапазон теорий широк - от утверждающих, что некоторые планеты населены похожими на нас живыми существами, до относящих человечество к уникальному явлению в Галактике. Убедительный аргумент в поддержку последней точки зрения состоит в том, что если существуют другие разумные существа, то к настоящему времени - допуская разброс в степени эволюции - мы должны были бы увидеть их космические корабли. Не считая НЛО (неопознанные летающие объекты) заслуживающими доверия доказательствами межзвездного полета, даже с учетом трудности такого полета следует признать, что никаких контактов со «звездными» представителями не было.

Итак, почему человечество должно отправиться к звездам? Очень трудно представить себе, какую пользу получит Солнечная система от такого рискованного предприятия. Ни один корабль не сможет вернуться, пока не пройдут столетия с момента его запуска, и за это время мир неузнаваемо изменится. Вряд ли можно таким путем решить проблему избыточного населения на нашей планете, так как ни одно разумное число звездолетов не сможет высвободить то жизненное пространство, которое мы заполняем при современных темпах прироста населения. Эту проблему можно решить только путем контроля за приростом.

Итак, мы приходим к выводу, что если межзвездный полет вообще когда-нибудь состоится, то это будет продиктовано не экономическими соображениями. Полет будет предпринят только лишь ради стремления распространить человеческую культуру во Вселенной. Проведение такого грандиозного мероприятия с этой целью сегодня невозможно, хотя многие ученые и философы мечтают о его осуществлении. Возможно, когда человечество будет иметь необходимые ресурсы, оно и не утратит подобных устремлений. Очевидно, принятие решения отправиться к звездам потребует от человечества глубокого анализа мотивов такого путешествия, цели жизни и наших взаимоотношений со Вселенной. Как будут решены все эти вопросы, сейчас трудно себе представить, но, возможно, основную сложность представят не технические проблемы осуществления полета к звездам, а проблемы согласования, координации работ и финансирования такого грандиозного мероприятия.