Физика будущего - Мичио Каку

А затем мечта рухнула.

Как написал позже фантаст Айзек Азимов, мы вышли на поле, забили гол, взяли мяч под мышку и ушли домой. Сегодня старые ракеты-носители «Сатурн» скучают в музеях или попросту гниют на свалках. Целое поколение лучших ученых-ракетчиков распустили по домам. Энергия космической гонки постепенно иссякла. Сегодня знаменитая прогулка по поверхности Луны упоминается только в пыльных исторических книгах[36].

Что произошло? Много чего, в том числе война во Вьетнаме, Уотергейтский скандал и т. п. Но если посмотреть в корень и избавиться от всего временного и несущественного, выяснится, что причина на самом деле одна: деньги.

Иногда мы забываем, что космические путешествия — дело очень дорогостоящее. Выведение всего одного фунта чего угодно на околоземную орбиту стоит 10 000 долларов. Представьте себе статую Джона Гленна из чистого золота в натуральную величину — и вы получите некоторое представление о стоимости подобных проектов. Полет на Луну потребовал бы около 100 000 долларов за фунт полезного груза. А полет к Марсу обошелся бы в 1 млн долларов за фунт (приблизительно на вес бриллиантов).

Тогда, в 1960-х, вопрос цены практически не рассматривался: все покрывало общее воодушевление и нарастание космической гонки с русскими. Зрелищные достижения храбрых астронавтов скрадывали цену космических полетов, тем более что обе стороны готовы были на многое, чтобы поддержать национальную честь. Но даже сверхдержавам не под силу нести такой груз в течение многих десятилетий.

Грустно это все! Прошло уже больше 300 лет с тех пор, как сэр Исаак Ньютон впервые записал законы движения, а мы по-прежнему находимся в плену простых вычислений. Чтобы закинуть объект на околоземную орбиту, его необходимо разогнать до скорости 7, 9 км/сек. Чтобы отправить объект в межпланетное путешествие и вывести за пределы действия поля тяготения Земли, надо придать ему скорость 11, 2 км/с (А чтобы достичь этой волшебной цифры — 11, 2 км/с, мы должны воспользоваться третьим законом динамики Ньютона: каждое действие порождает равное противодействие. Это означает, что ракета может ускоряться, выбрасывая в противоположном направлении раскаленные газы, примерно так же, как летает по комнате шарик, если надуть его и отпустить клапан.) Так что рассчитать стоимость космических путешествий по законам Ньютона совсем несложно. Не существует ни одного закона природы (ни физического, ни инженерного), который бы запрещал нам исследовать Солнечную систему; все дело в стоимости.

Но этого мало. Ракета должна нести на себе топливо, что существенно увеличивает ее нагрузку. Самолеты могут отчасти обойти эту проблему, захватывая кислород из атмосферы и направляя в двигатели. Но в космосе нет воздуха, и ракета должна нести с собой весь свой кислород и водород.

Помимо того, что данный факт делает космические путешествия весьма дорогим удовольствием, он является главной причиной того, что у нас нет ракетных ранцев и летающих автомобилей. Писатели-фантасты (но неученые) любят расписывать день, когда все мы наденем ракетные ранцы и полетим на работу — или отправимся на воскресный пикник на семейной летающей машине. Люди часто испытывают разочарование в футуристах, потому что их предсказания никогда не сбываются. (Именно поэтому вокруг так много статей и книг с циничными названиями вроде «Где мой ракетный ранец?».) Но чтобы понять причину, достаточно провести простое вычисление. Ракетные ранцы существуют; более того, нацисты даже пытались использовать их во время Второй мировой войны. Но перекись водорода, обычное в таких случаях топливо, быстро заканчивается, так что средний полет на ракетном ранце длится всего несколько минут. Точно так же летающие автомобили с вертолетными винтами сжигают жуткое количество топлива, что делает их слишком дорогими для обычного человека.

Конец лунной программы

Именно заоблачные цены на космические путешествия виной тому, что в настоящее время будущее пилотируемой космонавтики представляется настолько неопределенным. Джордж Буш, будучи президентом, в 2004 г. представил ясный, но довольно амбициозный проект космической программы. Во-первых, космический челнок Space Shuttle предполагалось отправить в отставку в 2010 г., а к 2015 г. заменить новой ракетной системой под названием Constellation («Созвездие»)[37]. Во-вторых, к 2020 г. предполагалось вернуться на Луну и со временем основать на спутнике нашей планеты постоянную обитаемую базу. В-третьих, все это должно было проложить дорогу к пилотируемому полету на Марс.

Однако даже за время после выдвижения плана Буша экономика космонавтики существенно изменилась, в основном из-за того, что Великая рецессия опустошила кошелек будущих космических путешествий. В докладе Комиссии Огастина, представленном в 2009 г. президенту Бараку Обаме, говорится, что при доступном уровне финансирования первоначальная программа невыполнима. В 2010 г. президент Обама осуществил соответствующие практические шаги, закрыв одновременно и программу Space Shuttle, и разработку замены для космических челноков, которая должна была подготовить почву для возвращения на Луну. В ближайшее время NASA, не имея собственных ракет для отправки наших астронавтов в космос, вынужденно будет полагаться на русских. С другой стороны, такая ситуация стимулирует усилия частных компаний по созданию ракет, необходимых для продолжения пилотируемой космической программы. NASA, отказавшись от своего славного прошлого, уже никогда не будет строить ракеты для пилотируемой программы[38]. Сторонники плана Обамы говорят, что он означает начало новой эры освоения космоса, где верх возьмет частная инициатива. Критики говорят, что реализация этого плана превратит NASA в «агентство без цели».

Посадка на астероид

В докладе Комиссии Огастина предлагался так называемый гибкий путь, включающий несколько достаточно скромных целей, не требующих безумного расхода ракетного топлива: к примеру, это путешествие к недалекому астероиду, которому случится пролететь мимо Земли, или путешествие к лунам Марса. В докладе указывалось, что астероид-цель может пока просто отсутствовать на наших картах: быть может, это неизвестное блуждающее тело, которое предстоит открыть в ближайшем будущем.

Проблема, указывалось в докладе Комиссии, состоит в том, что ракетное топливо для посадки на Луну, и особенно на Марс, а также на взлет и возвращение окажется чрезмерно дорогим. Но поскольку гравитационное поле на астероиде и спутниках Марса очень слабое, топлива потребуется во много раз меньше. В докладе Огастина упоминалась также возможность посещения точек Лагранжа, т. е. таких мест в открытом космосе, где гравитационное притяжение Земли и Луны взаимно компенсируются. (Вполне возможно, что эти точки служат космической свалкой, где скапливается с древнейших времен весь мусор, собранный Солнечной системой и попавший в окрестности Земли; астронавты могли бы найти там интересные камни, датируемые временем формирования системы Земля-Луна.)

Действительно, посадка на астероид — задача недорогая, поскольку астероиды обладают чрезвычайно слабым гравитационным полем. (В этом также заключается причина того, что астероиды, как правило, не округлы, а отличаются неправильной формой. Все крупные объекты во Вселенной — звезды, планеты и спутники — круглы, потому что сила тяготения равномерно стягивает их к центру. Любая неправильность формы планеты постепенно сглаживается. Но сила тяжести на астероиде настолько слаба, что не может сжать астероид в шар.)

Одна из возможных целей такого полета — астероид Апофис, который в 2029 г. должен пройти угрожающе близко к Земле. Эта каменная глыба около 300 м в поперечнике, размером с большое футбольное поле, пройдет так близко к планете, что оставит снаружи некоторые из наших искусственных спутников. От взаимодействия с нашей планетой орбита астероида изменится, и если не повезет, в 2036 г. он может вновь вернуться к Земле; существует даже крошечный шанс (1 из 100 000), что он по возвращении попадет в Землю. Если бы такое действительно произошло, мощность удара равнялась бы 100 000 хиросимских бомб; при этом огненные смерчи, ударные волны и раскаленные обломки могли бы полностью опустошить территорию размером с Францию. (Для сравнения: гораздо менее крупный объект, размером, вероятно, с многоквартирный дом, упал в районе сибирской реки Подкаменная Тунгуска в 1908 г. и, взорвавшись с силой одной тысячи хиросимских бомб, повалил 2500 км2 леса. Ударная волна от этого взрыва чувствовалась на расстоянии нескольких тысяч километров. Кроме того, падение породило необычное свечение неба над Азией и Европой, так что в Лондоне ночью на улице можно было читать газету.)

Визит к Апофису не окажется слишком тяжким грузом для бюджета NASA, поскольку астероид так и так должен пролететь совсем рядом[39], но посадка на него может оказаться проблемой. Из-за слабого гравитационного поля астероида корабль должен будет не сесть на него в традиционном смысле, а скорее пристыковаться. Кроме того, он вращается неравномерно, так что перед посадкой необходимо будет произвести точные измерения всех параметров. Вообще, интересно было бы посмотреть, насколько твердым является астероид. Некоторые ученые полагают, что он может оказаться просто кучей камней, которые удерживает вместе слабое поле тяготения; другие считают его твердым. В один прекрасный день знания о плотности астероидов могут оказаться жизненно важными для человечества; не исключено, что когда-нибудь нам придется дробить астероид на куски при помощи ядерного оружия. Если летящая в космическом пространстве каменная глыба, вместо того чтобы рассыпаться в порошок, расколется на несколько крупных кусков, их падение на Землю может оказаться даже опаснее, чем падение астероида целиком. Может быть, лучше будет подтолкнуть астероид слегка изменить его орбиту раньше, чем он сможет подлететь близко к Земле.