Кинематика межзвёздных полётов

Пусть полёт туда и полёт обратно состоят из трёх фаз: равноускоренного разгона, полёта с постоянной скоростью и равноускоренного торможения.

Собственное время любых часов имеет вид:

где - скорость этих часов. Земные часы неподвижны (), и их собственное время равно координатному . Часы космонавтов имеют переменную скорость . Так как корень под интегралом остаётся всё время меньше единицы, время этих часов, независимо от явного вида функции , всегда оказываются меньше . В результате .

Если разгон и торможение проходят релятивистски равноускоренно (с параметром собственного ускорения ) в течение , а равномерное движение - , то по часам корабля пройдёт время :

, где - гиперболический арксинус

Рассмотрим гипотетический полёт к звёздной системе Альфа Центавра , удалённой от Земли на расстояние в 4,3 световых года . Если время измеряется в годах, а расстояния в световых годах, то скорость света равна единице, а единичное ускорение св.год/год² близко к ускорению свободного падения и примерно равно 9,5 м/c².

Пусть половину пути космический корабль двигается с единичным ускорением, а вторую половину - с таким же ускорением тормозит (). Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения. В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, тогда как по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Максимальная скорость корабля достигнет 0,95 от скорости света.

За 64 года собственного времени космический корабль с единичным ускорением потенциально может совершить путешествие (вернувшись на Землю) к галактике Андромеды , удалённой на 2,5 млн св. лет . На Земле за время такого полёта пройдёт около 5 млн лет. Развивая вдвое большее ускорение (к которому тренированный человек вполне может привыкнуть при соблюдении ряда условий и использования ряда приспособлений, например, анабиоза), можно подумать даже об экспедиции к видимому краю Вселенной (около 14 млрд. св. лет), которая займёт у космонавтов порядка 50 лет; правда, возвратившись из такой экспедиции (через 28 млрд. лет по земным часам), её участники рискуют не застать в живых не то что Землю и Солнце, но даже нашу Галактику. Исходя из этих расчётов, чтобы космонавты избежали футурошока по возвращении на Землю, разумный радиус доступности для межзвёздных экспедиций с возвратом не должен превышать нескольких десятков световых лет, если, конечно, не будут открыты какие-либо принципиально новые физические принципы перемещения в пространстве-времени. Впрочем, обнаружение многочисленных экзопланет даёт основания полагать, что планетные системы встречаются у достаточно большой доли звёзд, поэтому космонавтам будет что исследовать и в этом радиусе (например, планетные системы ε Эридана и Глизе 581).

Пригодность различных типов двигателей для межзвездных полётов

Пригодность различных типов двигателей для межзвездных полётов была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 г. Тони Мартином . Электроракетный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, поэтому потребуются столетия для достижения нужной скорости, что позволяет использовать его только в кораблях поколений . Термические ядерные двигатели типа NERVA имеют достаточную величину тяги, но низкую скорость истечения рабочей массы, порядка 5-10 км/сек, поэтому для разгона до нужной скорости потребуется огромное количество топлива. Таким образом корабль с таким двигателем будет еще на несколько порядков тихоходней корабля с электрореактивным двигателем. Для полета к соседней звезде на таком корабле уйдут десятки и сотни тысяч тысяч лет.(полет до альфы центавра на скорости 30 км/сек займет 40 тыс лет). Для прямоточного двигателя потребуется воронка огромного диаметра для сбора разреженного межзвездного водорода, имеющего плотность 1 атом на кубический сантиметр. Если для сбора межзвездного водорода использовать сверхмощное электромагнитное поле, то силовые нагрузки на генерирующую катушку окажутся настолько велики, что их преодоление кажется маловероятным даже для техники будущего.

Проекты межзвездных экспедиций

Проекты звездолётов-ракет

Проект «Орион»

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Он должен был весить 54 000 т (почти весь вес - ракетное топливо) и мог бы разогнаться до 7,1 % скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным двигателем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределённое время.

Технологические идеи Дедала использованы в проекте термоядерного звездолета «Икарус» .

Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн.

В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона . Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА . В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет» .

В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.

На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия . По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту. Его недостатком является невозможность использования паруса для путешествия назад к Земле, поэтому он хорош для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но малопригоден для пилотируемых полётов с возвратом (либо космонавтам нужно будет взять с собой второй лазер с запасом топлива для установки в пункте назначения, что фактически сводит на нет все преимущества парусника).

Аннигиляционные двигатели

Теоретические расчёты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70 % от скорости света. Предложенный ими двигатель быстрее других теоретических разработок благодаря особому устройству сопла. Однако основными проблемами при создании аннигиляционных ракет (англ. ) с подобными двигателями являются получение нужного количества антивещества, а также его хранение . По состоянию на май 2011 года рекордное время хранения атомов антиводорода составило 1000 секунд (~16,5 минут) . По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США . По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов .

Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде

Основная составляющая массы современных ракет - это масса топлива, необходимого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно сократить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.

Ещё одним недостатком термоядерного прямоточного двигателя является ограниченность скорости, которой может достичь оснащённый им корабль (не более 0,119c = 35,7 тыс. км/с). Это связано с тем, что при улавливании каждого атома водорода (который можно в первом приближении считать неподвижным относительно звёзд) корабль теряет определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторого предела. Для преодоления этого ограничения необходима как можно более полная утилизация кинетической энергии улавливаемых атомов, что представляется достаточно трудной задачей.

Допустим, экран уловил 4 атома водорода. При работе термоядерного реактора четыре протона превращаются в одну альфа-частицу, два позитрона и два нейтрино. Для простоты пренебрежём нейтрино (учёт нейтрино потребует точного расчёта всех стадий реакции, а потери на нейтрино составляют около процента), а позитроны проаннигилируем с 2 электронами, оставшимися от атомов водорода после изъятия из них протонов. Ещё 2 электрона пойдут на то, чтобы превратить альфа-частицу в нейтральный атом гелия, который благодаря полученной от реакции энергии будет ускорен в сопле двигателя.

Итоговое уравнение реакции без учёта нейтрино:

4править] Фотонный двигатель на магнитных монополях

Если справедливы некоторые варианты теорий Великого объединения , такие как модель "т Хоофта - Полякова , то можно построить фотонный двигатель, не использующий антивещество, так как магнитный монополь гипотетически может катализировать распад протона на позитрон и π 0 -мезон :

π 0 быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.

Фотонный двигатель на магнитных монополях мог бы работать и по прямоточной схеме.

В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.

Системы торможения Межзвездных Кораблей

Предложены несколько способов:

1. Торможение на внутренних источниках - ракетное

2. Торможение за счёт лазерного луча, присылаемого с Солнечной Системы.

3. Торможение магнитным полем с использованием Магнитного Паруса Зубрина на сверхпроводниках.

Корабли поколений

Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений » (например, по типу колоний О’Нейла). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера , способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.

Опасности внешней среды

Эту проблему подробно рассмотрел Иван Корзников в статье "Реальности межзвездных полётов" . Столкновение с межзвездной пылью будет происходить на околосветовых скоростях и по физическому воздействию напоминать микровзрывы. При скоростях больше 0,1 С защитный экран должен иметь толщину десятки метров и массу сотни тысяч тонн. Но этот экран будет надёжно защищать только от межзвездной пыли. Столкновение с метеоритом будет иметь фатальные последствия. Иван Корзников приводит расчеты, что при скорости более 0,1 С космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Иван Корзников считает, что при субсветовой скорости космический корабль разрушится до достижения цели. По его мнению межзвездное путешествие возможно только при существенно меньших скоростях (до 0,01 С).

Энергия и ресурсы

Для межзвездного полёта потребуются большие запасы энергии и ресурсов, которые придется везти с собой. Это одна из малоизученных проблем в межзвездной космонавтике.

Например, самый проработанный на сегодняшний день проект «Дедал» с импульсным термоядерным двигателем за полвека достиг бы звезды Барнарда (шесть световых лет), затратив 50 тысяч тонн термоядерного горючего (смесь дейтерия и гелия-3) и доставив к цели полезную массу в 4 тысячи тонн

«Техника-молодежи» 1991 г. №10, с.18-19

Трибуна смелых гипотез

Владимир АЦЮКОВСКИЙ,
кандидат технических наук,
г.Жуковский Московской обл.

Возможны ли межзвездные перелеты?

Печать захлестнула волна сообщений об НЛО. 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 Б, Процион А и Б, Тау-Кита, находятся внутри этого интервала. Неблизко! Если корабли будут летать туда и обратно со скоростью света, то в оба конца им потребуется от 8 до 26 лет, и это только для ближайших звезд. Не считая времени на ускорение и замедление. Вряд ли такое целесообразно, а значит, летать надо быстрее света.

Что ж, прикинем, сколько 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 многих сотен земных ускорений. М-да!.. И на все это еще где-то брать энергию! Поневоле задумаешься: осуществимы ли вообще межзвездные рейсы? Но откуда же тогда прибывают к нам НЛО? Да еще и ведут себя вызывающе: вдруг исчезают, маневрируют под прямыми углами, что-то этакое излучают... А если...

Ведь что нам, в конце концов, нужно-то? Всего лишь ответить на три вопроса:

1. Можно ли в принципе летать со скоростями, превышающими скорость света? (В школе учили, что нельзя.)

2. Можно ли сильно ускоряться, не разрушая организма? (По современным представлениям, уже 10-кратная перегрузка является предельно допустимой.)

3. Можно ли добыть энергию на разгон и торможение? (Расчет показывает - никакой термоядерной энергии на это не хватит.)

Как ни странно, на все вопросы, несмотря на скептические примечания в скобках, уже сегодня есть положительные ответы. Летать со скоростями, превышающими скорость света, нельзя только из-за запрета, наложенного А.Эйнштейном. Но с какой стати его теория относительности возведена в ранг абсолютной истины? Ведь она исходит из постулатов, то есть выдумок автора, которые сами основаны на ложных посылках. Например, в 1887 году в знаменитом опыте Майкельсона был-таки обнаружен эфирный ветер, хотя его величина и оказалась меньше ожидаемой (тогда не знали понятия пограничного слоя). Что же получается? С одной стороны, СТО - специальная теория относительности - не может существовать, если эфир есть. С другой же, ОТО - общая теория относительности, - как писал сам Эйнштейн в статьях «Об эфире» и «Эфир и теория относительности», всегда предполагает наличие эфира. Как понимать сие противоречие?

Проведенный мной критический обзор всех основных экспериментов по СТО и ОТО (см. «Логические и экспериментальные основы теории относительности. Аналитический обзор». М., МПИ, 1990, 56 с.) показал, что среди них вообще нет однозначно подтверждающих эту теорию! Вот почему она может быть сброшена со счетов, не приниматься здесь во внимание. Тем более, что еще П.Лаплас установил - скорость распространения гравитационных возмущений не менее чем в 50 млн. раз превышает скорость света, а весь опыт небесной механики, которая оперирует исключительно со статическими формулами, предполагающими бесконечно большую скорость распространения гравитации, подтверждает это. Словом, нет запрета на субсветовые скорости, ложная тревога была.

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 него. А тело, вся масса космонавта, пытаясь 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 (вспомните научно-фантастический роман А.Беляева «Ариэль»). Причем ускорение может иметь любую величину, лишь бы поток был однородным. Так что и здесь возможности есть.

И, наконец, где же взять энергию? По моим данным (см. «Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире». М., Энергоатомиздат, 1990, 280 с), эфир - реальный газ тонкой структуры, сжимаемый и вязкий. Правда, его вязкость довольно невелика, и на замедлении планет это практически не сказывается, но при больших скоростях она играет весьма заметную роль. Давление эфира огромно, более чем 2 х 10 в 29 атм (2 х 10 в 32 Н/кв. м), плотность - 8,85 х 10 в - 12 кг/куб. м (в околоземном пространстве). И как выяснилось, в нем существует природный процесс, который может поставлять нам неограниченное количество энергии в любой точке пространства порциями любой величины... Речь идет о вихрях.

Откуда обычные смерчи черпают кинетическую энергию? Она образуется самопроизвольно из потенциальной энергии атмосферы. И заметьте: если последней воспользоваться практически нельзя, то первой - можно, например, заставив смерч вращать турбину. Все знают, что смерч напоминает хобот - толще у основания. Разбор этого обстоятельства показал, что он сжимается давлением атмосферы. Внешнее по отношению к нему давление заставляет частицы газа в теле смерча двигаться по спирали в процессе сжатия. Разность сил давлений - внешнего и внутреннего (плюс центробежная сила) дает проекцию результирующей силы на траекторию движения частиц газа (рис.1) и заставляет ускоряться их в теле смерча. Оно утоньшается, а скорость движения его стенки возрастает. При этом действует закон сохранения момента количества движения mrv = const, и чем сильнее сжат смерч, тем больше скорость движения. Таким образом, над каждым смерчем трудится вся атмосфера планеты; в основе его энергии лежат плотность воздуха, равная 1 кг/куб. м, и давление, равное 1 атм (10 в 5 Н/кв. м). А в эфире плотность на 11 порядков меньше, зато давление на 29 (!) порядков выше. И в эфире тоже есть свой механизм, способный поставлять энергию. Это - ШМ, шаровая молния.

Эфиродинамическая модель ШМ единственная (!), способная объяснить в совокупности все ее особенности. И чего сегодня не хватает для получения из эфира экологически чистой энергии - так научиться создавать искусственные ШМ. Разумеется, после того, как научимся создавать условия вихреобразования в эфире. А вот этого мы не то что не умеем, но даже и не представляем, с какого боку подступиться. На редкость крепкий орешек! Обнадеживает одно: ведь природа каким-то образом ухитряется их создавать, эти ШМ! А раз так, то, возможно, когда-нибудь исхитримся и мы. И тогда отпадет необходимость во всяких там АЭС, ГЭС, ТЭС, ПЭС, ВЭС, СЭС и прочих ЭС. Имея в любом месте любое желаемое количество энергии, человечество совсем по-иному подойдет к решению экологических проблем. Конечно, при условии, что ему придется мирно уживаться на своей планете, а то, чего доброго, не только родную Землю разнесут, но и всю Солнечную систему! Видите, и с энергией вопрос может быть решен. При этом обратите внимание на немаловажную деталь - при таком способе не нужно будет ускорять и замедлять ту массу горючего, которая ныне во многом и определяет массу корабля.

Ну, а сам межзвездный корабль, как он должен быть устроен? Да хотя бы в виде уже привычной «летающей тарелки». (Рис. 2.) В ее передней части имеются два «эфирозаборника», поглощающие эфир из окружающего пространства. За ними находятся камеры вихреобразования, в которых потоки эфира закручиваются и самоуплотняются. Далее по вихрепроводам эфирные смерчи препровождаются в камеру аннигиляции, где они (с одинаковыми винтовыми движениями, но направленными противоположно; аннигилируют друг с плугом. Уплотненный эфир не сдерживается более пограничным слоем и взрывается, разлетаясь во все стороны. Назад отбрасывается реактивная струя, а вперед - поток, захватывающий весь корабль и тело космонавта, которое ускоряется без деформаций. И корабль летит 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.

Примечание . Упомянутые книги можно заказать по адресу: 140160, г. Жуковский Московской обл., а/я 285.

12 апреля 2016 года знаменитый британский физик Стивен Хокинг и российский бизнесмен и меценат Юрий Мильнер объявили о выделении $100 млн на финансирование проекта Breakthrough Starshot . Целью проекта стала разработка технологий для создания космических аппаратов, способных совершить межзвездный полет к альфе Центавра.

В тысячах фантастических романов описаны гигантские фотонные звездолеты размером с небольшой (или большой) город, уходящие в межзвездный полет с орбиты нашей планеты (реже - с поверхности Земли). Но, по замыслу авторов проекта Breakthrough Starshot , все будет происходить совсем не так: в один знаменательный день две тысячи какого-то года к одной из ближайших звезд, альфе Центавра, стартует не один и не два, а сразу сотни и тысячи маленьких звездолетиков размером с ноготь и массой в 1 г. И у каждого из них будет тончайший солнечный парус площадью в 16 м 2 , который и понесет звездолет со все возрастающей скоростью вперед - к звездам.

«Выстрел к звёздам»

Основой проекта Breakthrough Starshot стала статья профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина «План для межзвездных полетов» (A Roadmap to Interstellar Flight ). Основная заявленная цель проекта состоит в том, чтобы сделать межзвездные полеты возможными уже при жизни следующего поколения людей, то есть не через столетия, а через десятилетия.

Сразу после официального анонса программы Starshot на авторов проекта обрушилась волна критики со стороны ученых и технических специалистов в различных областях. Критически настроенные эксперты отмечали многочисленные некорректные оценки и просто «белые пятна» в плане программы. Некоторые замечания были приняты во внимание, и план полета был несколько скорректирован в первой итерации.

Итак, межзвездный зонд будет представлять собой космический парусник с электронным модулем StarChip массой 1 г, соединенным сверхпрочными стропами с солнечным парусом площадью 16 м 2 , толщиной 100 нм и массой 1 г. Конечно, света нашего Солнца недостаточно, чтобы разогнать даже столь легкую конструкцию до скоростей, при которых межзвездные путешествия не будут длиться тысячелетиями. Поэтому главная изюминка проекта StarShot - это разгон с помощью мощного лазерного излучения, которое фокусируется на парусе. По оценкам Любина, при мощности лазерного луча 50–100 ГВт ускорение составит около 30 000 g, и за несколько минут зонд достигнет скорости в 20% световой. Полет к альфе Центавра продлится около 20 лет.

Вопросы без ответов: волна критики

Филип Любин в своей статье приводит численные оценки пунктов плана, однако многие ученые и специалисты относятся к этим данным весьма критически.

Конечно, для проработки столь амбициозного проекта, как Breakthrough Starshot , требуются годы работы, да и $100 млн - не такая уж и большая сумма для работы подобного масштаба. В особенности это касается наземной инфраструктуры - фазированной решетки лазерных излучателей. Установка такой мощности (50–100 ГВт) потребует гигантского количества энергии, то есть рядом нужно будет построить как минимум десяток крупных электростанций. Помимо этого, потребуется отводить от излучателей огромное количество тепла на протяжении нескольких минут, и как это делать - пока что совсем неясно. Таких вопросов без ответов в проекте Breakthrough Starshot огромное количество, однако пока что работа только началась.

«В научный совет нашего проекта входят ведущие специалисты, ученые и инженеры в различных релевантных областях, включая двух нобелевских лауреатов, - говорит Юрий Мильнер. - И я слышал весьма сбалансированные оценки реализуемости этого проекта. При этом мы, безусловно, полагаемся на совокупную экспертизу всех членов нашего научного совета, но в то же время открыты для более широкой научной дискуссии».

Под звёздными парусами

Одна из ключевых деталей проекта - это солнечный парус. В исходном варианте площадь паруса изначально составляла всего 1 м 2 , и из-за этого он мог не выдержать нагрева при разгоне в поле лазерного излучения. Новый вариант использует парус площадью 16 м 2 , так что тепловой режим будет хотя и довольно жестким, но, по предварительным оценкам, не должен расплавить или разрушить парус. Как пишет сам Филип Любин, в качестве основы для паруса планируется использовать не металлизированные покрытия, а полностью диэлектрические многослойные зеркала: «Такие материалы характеризуются умеренным коэффициентом отражения и чрезвычайно низким поглощением. Скажем, оптические стекла для волоконной оптики рассчитаны на большие световые потоки и имеют поглощение порядка двадцати триллионных на 1 мкм толщины». Добиться хорошего коэффициента отражения от диэлектрика при толщине паруса в 100 нм, а это много меньше длины волны, непросто. Но авторы проекта возлагают некоторые надежды на использование новых подходов, таких как монослои метаматериала с отрицательным показателем преломления.

Солнечный парус

Один из главных элементов проекта - солнечный парус площадью в 16 м 2 и массой всего 1 г. В качестве материала паруса рассматриваются многослойные диэлектрические зеркала, отражающие 99,999% падающего света (по предварительным расчетам этого должно хватить, чтобы парус не расплавился в поле излучения 100-ГВт лазера). Более перспективный подход, позволяющий сделать толщину паруса меньшей длины волны отражаемого света, - это использование в качестве основы паруса монослоя метаматериала с отрицательным показателем преломления (такой материал к тому же имеет наноперфорацию, что еще уменьшает его массу). Второй вариант - это использование материала не с высоким коэффициентом отражения, а с низким коэффициентом поглощения (10 −9), такого, как оптические материалы для световодов.

«Кроме того, нужно учитывать, что отражение от диэлектрических зеркал настраивается на узкий диапазон длин волн, а по мере ускорения зонда эффект Доплера сдвигает длину волны более чем на 20%, - говорит Любин. - Мы это учитывали, поэтому отражатель будет настроен примерно на двадцатипроцентную ширину полосы излучения. Мы спроектировали такие отражатели. Если необходимо, доступны и отражатели с большей шириной полосы».

Лазерная установка

Основная силовая установка звездолета не полетит к звездам - она будет расположена на Земле. Это наземная фазируемая решетка лазерных излучателей размером 1×1 км. Суммарная мощность лазеров должна составлять от 50 до 100 ГВт (это эквивалентно мощности 10–20 Красноярских ГЭС). Предполагается с помощью фазирования (то есть изменения фаз на каждом отдельном излучателе) сфокусировать излучение с длиной волны 1,06 мкм со всей решетки в пятно диаметром несколько метров на расстояниях вплоть до многих миллионов километров (предельная точность фокусировки 10 −9 радиана). Но такой фокусировке сильно мешает турбулентная атмосфера, размывающая луч в пятно размером примерно в угловую секунду (10 −5 радиана). Улучшения на четыре порядка предполагается достичь с помощью адаптивной оптики (АО), которая будет компенсировать атмосферные искажения. Лучшие системы адаптивной оптики в современных телескопах уменьшают размытие до 30 угловых миллисекунд, то есть до намеченной цели остается еще примерно два с половиной порядка. «Чтобы победить мелкомасштабную атмосферную турбулентность, фазируемая решетка должна быть разбита на очень мелкие элементы, размер излучающего элемента для нашей длины волны должен составлять не более 20–25 см, - объясняет Филип Любин. - Это минимум 20 млн излучателей, но такое количество меня не пугает. Для обратной связи в системе АО мы планируем использовать много опорных источников - бакенов - и на зонде, и на материнском корабле, и в атмосфере. Кроме того, мы будем отслеживать зонд на пути к цели. Мы также хотим использовать звезды как бакен для настройки фазирования решетки при приеме сигнала от зонда по прибытии, но для надежности будем отслеживать зонд».

Прибытие

Но вот зонд прибыл в систему альфы Центавра, сфотографировал окрестности системы и планеты (если они есть). Эту информацию нужно каким-то образом передать на Землю, причем мощность лазерного передатчика зонда ограничена единицами ватт. А через пять лет этот слабый сигнал нужно принять на Земле, выделив из фонового излучения звезды. По замыслу авторов проекта, у цели зонд маневрирует таким образом, что парус превращается в линзу Френеля, фокусирующую сигнал зонда в направлении Земли. Согласно оценкам, идеальная линза при идеальной фокусировке и идеальной ориентации усиливает сигнал мощностью 1 Вт до 10 13 Вт в изотропном эквиваленте. Но как рассмотреть этот сигнал на фоне гораздо более мощного (на 13–14 порядков!) излучения звезды? «Свет от звезды на самом деле довольно слаб, поскольку ширина линии нашего лазера очень мала. Узкая линия - ключевой фактор в сокращении фона, - говорит Любин. - Идея сделать из паруса линзу Френеля на основе тонкопленочного дифракционного элемента достаточно сложна и требует большой предварительной работы, чтобы понять, как именно лучше сделать это. Этот пункт на самом деле - один из главных в нашем плане проекта».

Межзвездный полет - вопрос не веков, а десятилетий

Юрий Мильнер ,
российский бизнесмен и меценат,
основатель фонда Breakthrough Initiatives:

За последние 15 лет произошли существенные, можно сказать, революционные продвижения по трем технологическим направлениям: миниатюризация электронных компонентов, создание нового поколения материалов, также удешевление и увеличение мощности лазеров. Сочетание этих трех тенденций приводит к теоретической возможности разогнать наноспутник до почти релятивистских скоростей. На первом этапе (5–10 лет) мы планируем провести более углубленное научно-инженерное исследование, чтобы понять, насколько этот проект реализуем. На сайте проекта есть список из примерно 20 серьезных технических проблем, без решения которых мы не сможем идти дальше. Это не окончательный список, но, опираясь на мнение научного совета, мы считаем, что первый этап проекта имеет достаточную мотивацию. Я знаю, что проект звездного паруса подвергается серьезной критике со стороны специалистов, но думаю, что позиция некоторых критически настроенных экспертов связана с не совсем точным пониманием того, что же мы реально предлагаем. Мы финансируем не полет к другой звезде, а вполне реалистичные многоцелевые разработки, связанные с идеей межзвездного зонда лишь общим направлением. Эти технологии найдут применение и для полетов в Солнечной системе, и для защиты от опасных астероидов. Но постановка столь амбициозной стратегической цели, как межзвездный полет, представляется оправданной в том смысле, что развитие технологий за последние 10–20 лет, вероятно, делает реализацию подобного проекта вопросом не веков, как многие предполагали, а скорее - десятилетий.

С другой стороны, фазированная решетка оптических излучателей / приемников излучения общей апертурой в километр - это инструмент, способный видеть экзопланеты с расстояния десятков парсек. Используя приемники с перестраиваемой длиной волны, можно определить состав атмосферы экзопланет. Нужны ли вообще в таком случае зонды? «Конечно, использование фазируемой решетки как очень большого телескопа открывает новые возможности в астрономии. Но, - добавляет Любин, - мы планируем добавить к зонду инфракрасный спектрометр в качестве более долговременной программы в дополнение к камере и другим датчикам. У нас отличная группа фотоники в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, которая является частью коллаборации».

Но в любом случае, по словам Любина, первые полеты будут совершаться в пределах Солнечной системы: «Поскольку мы можем посылать огромное количество зондов, это дает нам много разных возможностей. Мы также можем посылать подобные маленькие (wafer-scale , то есть на чипе) зонды на обычных ракетах и использовать те же технологии для изучения Земли или планет и их спутников в Солнечной системе».

Редакция благодарит газету «Троицкий вариант - наука» и ее главного редактора Бориса Штерна за помощь в подготовке статьи.

Межзвёздный полёт -- путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Чаще всего под межзвёздным полётом понимают пилотируемое путешествие, иногда с возможной колонизацией внесолнечных планет.

Строительство эскадры межзвездных кораблей начнется в точках Лагранжа системы Земля-Луна (точки гравитационного равновесия). Материалы по большей части могут доставляться с лунных баз - например контейнеры с ними выстреливаются электромагнитными пушками и улавливаются специальными станциями-ловушками в районе строительства. Двигатель для межзвездного корабля должен иметь тот же порядок мощности, что и вся мощность, потребляемая человечеством на сегодняшний день. Основываясь на предвидимых технологиях и ресурсных возможностях, можно дать абрис будущих межзвездных перелетов.

При рассмотрении космического корабля любого назначения удобно разделить его на две части - двигательную установку и полезную нагрузку. Под двигательной установкой принято понимать не только собственно двигатели, но и баки с топливом, необходимые силовые конструкции. Для проблематики межзвездных перелетов именно двигательная установка является ключевым фактором, определяющим осуществимость проекта. Однако проблемы создания двигательной установки выходят за рамки настоящего рассмотрения. Сейчас для нас важно то, что существуют технологии, которые в ходе своего развития могут стать приемлемыми для осуществления межзвездных перелетов. Здесь на первом месте технологии использования инерциального термоядерного синтеза для ракетного движения. На американской установке NIF (National Ignition Facility) для исследования лазерного термоядерного синтеза стоимостью 3,5 миллиардов долларов уже получены результаты, говорящие о том, что ракетный двигатель на данном принципе может быть создан. Еще более мощная установка такого типа строится у нас под Саровом. Эти установки мало похожи на ракетные двигатели, но если их условно "разрезать" пополам, избавиться от фундаментов, стенок и многого ненужного в космосе оборудования, мы получим ракетный двигатель, который может быть доведен и до межзвездного варианта. Не вдаваясь в детали, отметим, что такие двигатели по необходимости будут большими, тяжелыми и очень мощными. Двигатель для межзвездного корабля должен иметь тот же порядок мощности, что и вся мощность, потребляемая человечеством на сегодняшний день. Располагая таким двигателем (а если такого двигателя нет, то и говорить не о чем), можно более свободно себя чувствовать, рассматривая параметры полезной нагрузки. По аналогии, если для велосипедиста лишние 50 кг уже ощутимы, то тепловоз и лишние 50 тонн не заметит.

Вооружившись таким пониманием, мы можем попробовать представить первую межзвездную экспедицию. При этом придется использовать результаты расчетов и оценок, которые сделаны, но здесь, по понятным причинам, воспроизведены быть не могут.

Строительство эскадры межзвездных кораблей начнется в точках Лагранжа системы Земля-Луна (точки гравитационного равновесия). Материалы по большей части могут доставляться с лунных баз - например контейнеры с ними выстреливаются электромагнитными пушками и улавливаются специальными станциями-ловушками в районе строительства.

Один корабль - это сотни тысяч тонн полезной нагрузки, миллионы тонн - двигатели, десятки миллионов тонн - топливо. Цифры могут напугать, но, чтобы не сильно пугаться, их можно сравнить с другими крупными строительствами. Давным-давно за 20 лет была построена пирамида Хеопса весом более 6 миллионов тонн. Или уже в наши времена -- в Канаде в 1965 году был построен остров "Норт-Дам". Только грунта потребовалось 15 миллионов тонн, а постройка заняла всего 10 месяцев. Самый большой морской корабль -- Knock Nevis -- имел водоизмещение 825 614 тонн. Строительство в космосе имеет свои специфические трудности, но имеет и некоторые преимущества, например, облегчение силовых элементов из-за невесомости, практическое отсутствие ограничений по массе и размерам (на Земле достаточно большая конструкция просто раздавит сама себя).

Примерно 95% массы межзвездного корабля составит термоядерное топливо. Вероятно, в его качестве будут использоваться бороводороды, топливо -- твердое, баки не нужны, что очень улучшает характеристики корабля и облегчает его постройку. Набирать бороводороды лучше не системе Земля-Луна, а где-нибудь подальше от Солнца, в системе Сатурна, например, чтобы избежать потерь на сублимацию. Время строительства можно оценить в несколько десятков лет. Срок не так уж и велик, а кроме того, теми же строителями параллельно будут вестись и другие работы в рамках освоения Солнечной системы. Строительство лучше начинать с сооружения жилых блоков корабля, в которых и поселятся строители и другие специалисты. Заодно, за время строительства и накопления топлива будет в течение десятилетий проверена стабильность работы замкнутой системы жизнеобеспечения.

Замкнутая система жизнеобеспечения - наверное, второй по сложности вопрос после проблемы двигателей. Один человек потребляет примерно 5 кг воды, еды и воздуха в сутки, если все брать с собой, потребуется больше 200 тысяч тон припасов. Решение - повторное использование ресурсов, так как это происходит на планете Земля.

В полной мере масштаб межзвездных расстояний перелетов можно ощутить, только если заняться рассмотрением средств осуществления таких полетов. Конечно, такое рассмотрение не имеет целью "ощутить расстояние". Не может оно рассматривается и как проектирование конкретной конструкции межзвездных кораблей. Исследование вопросов межзвездных перелетов сегодня носит инженерно-теоретический характер. Нельзя доказать невозможность осуществления межзвездных перелетов, но и никому не удалость доказать их осуществимость. Выход из ситуации не прост - надо предложить такую конструкцию межзвездных кораблей, которая была бы воспринята инженерно-научным сообществом, как реализуемая.

Полеты одиночных межзвездных кораблей, являющиеся правилом в фантастической литературе, исключаются, возможен перелет только эскадры кораблей, примерно с десяток аппаратов. Это требование безопасности, а кроме того - и обеспечение разнообразия жизни за счет общения между экипажами разных кораблей.

Поле завершения строительства эскадры она перемещается к запасенным запасам топлива, стыкуется с ними и направляется в полет. По всей видимости, разгон будет очень медленным и в течение года-двух более мобильные аппараты смогут забросить на корабли то, что позабыли, и снять с борта передумавших.

Перелет продлится 100-150 лет. Медленный разгон с ускорением примерно в сотую долю земного в течение десятка лет, десятки лет полета по инерции, и несколько более быстрое, чем разгон, торможение. Быстрый разгон существенно сократил бы время перелета, но он не возможен из-за неизбежно большой массы двигательной установки.

Перелет не будет столь насыщен космическими приключениями, как описано в фантастической литературе. Внешних угроз практически нет. Облака космической пыли, завихрения пространства, провалы во времени - вся эта атрибутика угрозы не представляет ввиду ее отсутствия. Даже тривиальные метеориты крайне редки в межзвездном пространстве. Основная внешняя проблема - галактическое космическое излучение, космические лучи. Это изотропный поток ядер элементов, имеющих большую энергию и, следовательно, высокую проникающую способность. На Земле от них нас защищает атмосфера и магнитное поле, в космосе, если полет длительный, надо принимать специальные меры, экранировать жилую зону корабля так, чтобы доза космического излучения не сильно превышала земной уровень. Здесь поможет простой конструктивный прием - запасы топлива (а они очень большие) располагаются вокруг жилых отсеков и экранируют их от радиации большую часть времени перелета.

В одной только нашей Галактике расстояния между звездными системами невообразимо огромны. Если пришельцы из космоса действительно посещают Землю, уровень их технического развития должен во сто крат превосходить теперешний уровень нашего, земного.

На расстоянии в несколько световых лет

Для обозначения расстояний между звездами астрономы ввели понятие «световой год». Скорость света - самая быстрая во Вселенной: 300 ООО км/с!

Ширина нашей Галактики - 100 ООО световых лет. Чтобы покрыть такое громадное расстояние, пришельцам с других планет надо построить космический корабль, скорость которого равна или даже превышает скорость света.

Ученые полагают, что материальный объект не может двигаться быстрее скорости света. Впрочем, раньше они считали, что невозможно развить и сверхзвуковую скорость, однако в 1947 г. самолет модели «Белл Х-1» успешно преодолел звуковой барьер.

Возможно в будущем, когда у человечества накопится больше знаний о физических законах Вселенной, земляне сумеют построить космический корабль, который будет передвигаться со скоростью света и даже быстрее.

Великие путешествия

Даже если инопланетяне способны передвигаться в космическом пространстве со скоростью света, подобное путешествие должно занять многие годы. Для землян, продолжительность жизни которых составляет в среднем 80 лет, это было бы невозможно. Однако у каждого вида живых существ свой собственный жизненный цикл. Например, в Калифорнии, США, есть остистые сосны, которым уже 5000 лет.

Кто знает, сколько лет живут пришельцы? Может быть, несколько тысяч? Тогда межзвездные перелеты, длящиеся сотни лет, для них обычны.

Кратчайшие пути

Вполне вероятно, что инопланетяне нашли короткие пути через космическое пространство - гравитационные «дыры», или искажения пространства, образованные силой тяжести. Такие места во Вселенной могли бы стать своего рода мостами - кратчайшими путями между небесными телами, находящимися в разных концах Вселенной.