Физика будущего - Мичио Каку

Чтобы идея межзвездных путешествий стала реальностью, необходимо решить несколько фундаментальных задач. Первая из них — поиск нового принципа движения. Традиционной химической ракете на путь к ближайшей звезде потребовалось бы около 70 000 лет. К примеру, два «Вояджера», запущенные в 1977 г., поставили рекорд по удалению на максимальное расстояние от Земли. В настоящее время (май 2011 г.) первый из них удалился от Солнца на 17, 5 млрд км, но пройденное им расстояние — лишь крошечная доля пути до звезд.

Предложено несколько конструкций и принципов движения для межзвездных аппаратов. Это:

•солнечный парус;

•ядерная ракета;

•ракета с прямоточным термоядерным двигателем;

•нанокорабли.

Бывая на станции NASA Плам-Брук в Кливленде, штат Огайо, я встречался с одним из мечтателей и горячих сторонников идеи солнечного паруса. На этом полигоне построена самая большая в мире вакуумная камера для испытания спутников. Размеры этой камеры поражают воображение; это настоящая пещера около 30 м в поперечнике и 38 м в высоту, в которой запросто разместилось бы несколько многоэтажных жилых домов. Она также достаточно велика, чтобы испытывать в условиях космического вакуума спутники и части ракет. Масштаб проекта поражает. Я почувствовал, что мне оказана особая честь: я находился в том самом месте, где испытывались многие важнейшие американские спутники, межпланетные зонды и ракеты.

Итак, я встретился с одним из ведущих сторонников солнечного паруса, ученым из NASA Лесом Джонсоном (Les Johnson). Он рассказал мне, что с детства, читая фантастику, мечтал строить ракеты, способные долететь до звезд. Джонсон даже написал базовый курс по устройству солнечных парусов. Он считает, что этот принцип может быть реализован уже в ближайшие несколько десятилетий, но готов к тому, что реальный звездолет будет построен, скорее всего, через много лет после его смерти. Подобно каменщикам, строившим великие средневековые соборы, Джонсон понимает, что на создание аппарата для полета к звездам может потребоваться несколько человеческих жизней.

Принцип действия солнечного паруса основан на том факте, что свет хотя и не имеет массы покоя, но обладает импульсом, а значит, может оказывать давление. Давление, которое солнечный свет оказывает на все встреченные объекты, чрезвычайно мало, мы попросту не ощущаем его, но если солнечный парус будет достаточно велик и мы готовы будем ждать достаточно долго, то это давление сможет разогнать межзвездный корабль (в космосе интенсивность солнечного света в среднем в восемь раз выше, чем на Земле).

Джонсон сказал мне, что его цель — создать гигантский солнечный парус из очень тонкого, но эластичного и упругого пластика. Этот парус должен быть несколько километров в поперечнике, и строить его предполагается в открытом космосе. Будучи собранным, он будет медленно обращаться вокруг Солнца, набирая постепенно все большую скорость. За несколько лет разгона парус выйдет по спирали за пределы Солнечной системы и устремится к звездам. Вообще, солнечный парус, как рассказал мне Джонсон, способен разогнать межзвездный зонд до 0, 1 % скорости света; соответственно, до ближайшей звезды он при таких условиях доберется лет за 400.

Джонсон пытается придумать что-нибудь, что позволило бы придать солнечному парусу дополнительное ускорение и сократить время полета. Один из возможных путей — разместить на Луне батарею мощных лазеров. Лазерные лучи, попадая на парус, будут передавать ему дополнительную энергию и, соответственно, дополнительную скорость при полете к звездам.

Одна из проблем звездолета под солнечным парусом состоит в том, что им чрезвычайно трудно управлять, а остановить и направить в противоположную сторону практически невозможно, потому что солнечный свет распространяется только в одну сторону — от Солнца. Одно из решений этой проблемы — развернуть парус и использовать для замедления свет от звезды-цели. Еще одна возможность — совершить гравитационный маневр около этой далекой звезды и, использовав эффект пращи, разогнаться для обратного путешествия. Третий вариант — сесть на какую-нибудь луну той звездной системы, построить на ней батарею лазеров и пуститься в обратный путь, пользуясь светом звезды и лазерными лучами.

Джонсон мечтает о звездах, но понимает, что реальность на данный момент выглядит куда скромнее его мечтаний. В 1993 г. русские развернули на корабле, отстыкованном от станции «Мир», 25-рефлектор из лавсана, но целью эксперимента была всего лишь демонстрация системы развертывания. Вторая попытка закончилась неудачей. В 2004 г. японцы успешно запустили два прототипа солнечного паруса, но опять же, целью было испытание системы развертывания, а не движения. В 2005 г. была предпринята амбициозная попытка развернуть настоящий солнечный парус под названием Cosmos 1, организованная Планетарным обществом, общественной организацией Cosmos Studios и Российской академией наук. Парус был запущен с российской подводной лодки, но запуск ракеты «Волна» оказался неудачным, и до орбиты солнечный парус не добрался.

А в 2008 г., когда команда из NASA попыталась запустить солнечный парус NanoSail-D[46], та же история произошла с ракетой Falcon 1.

Наконец в мае 2010 г. Японское агентство аэрокосмических исследований успешно запустило IKAROS — первый космический аппарат, который должен использовать технологию солнечного паруса в межпланетном пространстве. Аппарат был выведен на траекторию полета к Венере, успешно развернул квадратный парус с диагональю 20 м и продемонстрировал возможность управлять его ориентацией и менять скорость полета. В дальнейшем японцы планируют запустить еще один межпланетный зонд с солнечным парусом к Юпитеру.

Ядерная ракета

Ученые рассматривают также возможность использования ядерной энергии для межзвездных перелетов. Еще в 1953 г. Комиссия по атомной энергии США начала серьезные разработки ракет с атомными реакторами, начало которым было положено проектом Rover. В 1950-е и 1960-е гг. эксперименты с ядерными ракетами заканчивались в основном неудачно. Ядерные двигатели вели себя нестабильно и вообще оказывались слишком сложными для тогдашних систем управления. Кроме того, несложно показать, что энергетический выход обычного атомного реактора деления совершенно недостаточен для межзвездного космического аппарата. Средний промышленный атомный реактор производит примерно 1000 МВт энергии, а этого недостаточно, чтобы добраться до звезд.

Однако еще в 1950-е гг. ученые предложили использовать для межзвездных аппаратов атомные и водородные бомбы, а не реакторы. В проекте «Орион», к примеру, предполагалось разгонять ракету взрывными волнами от атомных бомб. Звездолет должен был сбрасывать позади себя серию атомных бомб, взрывы которых порождали бы мощные вспышки рентгеновского излучения. Ударная волна от этих взрывов должна была разгонять звездолет.

В 1959 г. физики из General Atomics оценили, что продвинутая версия «Ориона» диаметром 400 м должна весить 8 млн т, а энергию ей должна обеспечивать 1000 водородных бомб.

Горячим сторонником проекта «Орион» был физик Фримен Дайсон. «Для меня „Орион“ означал доступность всей Солнечной системы для распространения жизни. Он мог изменить ход истории, — говорит Дайсон. Кроме того, это был бы удобный способ избавиться от атомных бомб. — За один полет мы избавились бы от 2000 бомб».

Концом проекта «Орион», однако, стал заключенный в 1963 г. Договор об ограничении ядерных испытаний, запретивший наземные взрывы. Без испытаний невозможно было довести конструкцию «Ориона» до ума и проект закрыли.

Прямоточный термоядерный двигатель

Еще один проект ядерной ракеты выдвинул в 1960 г. Роберт Буссард (Robert W. Bussard); он предложил снабдить ракету термоядерным двигателем, похожим на обычный авиационный реактивный двигатель. Вообще, прямоточный двигатель захватывает воздух по ходу полета и уже внутри смешивает его с топливом. Затем топливно-воздушная смесь поджигается, и происходит химический взрыв, который создает движущую силу. Буссард предложил применить тот же принцип к термоядерному двигателю. Вместо того чтобы забирать воздух из атмосферы, как делает авиационный двигатель, прямоточный термоядерный двигатель будет собирать в межзвездном пространстве имеющийся там водород. Собранный газ предполагается сжать и нагреть при помощи электрических и магнитных полей до начала термоядерной реакции синтеза гелия, при которой выделится громадное количество энергии. Возникнет взрыв, и ракета получит толчок. А поскольку запасы водорода в межзвездном пространстве неисчерпаемы, прямоточный ядерный двигатель сможет, предположительно, работать вечно.

Конструкция корабля с прямоточным термоядерным двигателем напоминает рожок для мороженого. Воронка захватывает газообразный водород, который затем поступает в двигатель, нагревается и вступает в реакцию синтеза с другими атомами водорода. Буссард рассчитал, что прямоточный ядерный двигатель весом около 1000 т способен поддерживать постоянное ускорение около 10 м/с2 (т. е. примерно равное ускорению свободного падения на Земле); в этом случае уже через год звездолет разгонится примерно до 77 % скорости света. Поскольку прямоточный ядерный двигатель не ограничен запасами топлива, звездолет с таким двигателем теоретически мог бы выйти за пределы нашей Галактики и всего за 23 года по корабельным часам добраться до Туманности Андромеды, расположенной на расстоянии в 2 млн световых лет от нас. (Согласно теории относительности Эйнштейна время в ускоряющемся корабле замедляется, так что астронавты в звездолете постареют всего на 23 года, даже если на Земле за это время пройдут миллионы лет.)