Физика будущего - Мичио Каку

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.)

Однако и здесь существуют серьезные проблемы. Во-первых, в межзвездной среде встречаются в основном отдельные протоны, так что термоядерный двигатель должен будет жечь чистый водород, хотя эта реакция дает не так уж много энергии. (Водородный синтез может идти разными путями. В настоящее время на Земле ученые предпочитают вариант влияния дейтерия и трития, при котором выделяется значительно больше энергии. Однако в межзвездной среде водород находится в виде отдельных протонов, поэтому в прямоточных ядерных двигателях можно использовать только протон-протонную реакцию синтеза, при которой энергии выделяется гораздо меньше, чем при дейтерий-тритиевой реакции.) Однако Буссард показал, что если модифицировать топливную смесь добавлением некоторого количества углерода, то углерод, работая как катализатор, позволит получить громадное количество энергии, вполне достаточное для звездного корабля.

Во-вторых, воронка впереди звездолета, чтобы собирать достаточно водорода, должна быть огромной — диаметром порядка 160 км, так что собирать ее придется в космосе.

Существует и еще одна нерешенная проблема. В 1985 г. инженеры Роберт Зубрин (Robert Zubrin) и Дейна Эндрюс (Dana Andrews) показали, что сопротивление среды не даст звездолету с прямоточным термоядерным двигателем разогнаться до околосветовых скоростей. Сопротивление это обусловлено движением корабля и воронки в поле атомов водорода. Однако их расчеты основаны на некоторых предположениях, которые в будущем могут оказаться неприменимыми к кораблям с прямоточными двигателями.

В настоящее время, пока у нас нет четких представлений о процессе протон-протонного синтеза (а также о сопротивлении ионов водорода в межзвездной среде), перспективы прямоточного ядерного двигателя остаются неопределенными. Но если эти инженерные проблемы решаемы, такая конструкция наверняка окажется одной из лучших.

Ракеты на антивеществе

Еще один вариант — использовать для звездолета антивещество, величайший источник энергии во Вселенной. Антивещество противоположно веществу в том смысле, что все составляющие части атома там имеют противоположные заряды. К примеру, электрон обладает отрицательным зарядом, но антиэлектрон (позитрон) имеет положительный заряд. При контакте с веществом антивещество аннигилирует. Энергии при этом выделяется так много, что чайной ложки антивещества хватило бы, чтобы уничтожить весь Нью-Йорк.

Антивещество — настолько мощная штука, что злодеи в романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны» сооружают из него бомбу и собираются взорвать Ватикан; антивещество по сюжету они крадут в крупнейшем европейском центре ядерных исследований CERN, расположенном в Швейцарии недалеко от Женевы. В отличие от водородной бомбы, эффективность которой составляет всего 1 %, эффективность бомбы из антивещества составила бы 100 %. При аннигиляции вещества и антивещества энергия выделяется в полном соответствии с уравнением Эйнштейна: E=mc2.

В принципе, антивещество представляет собой идеальное ракетное топливо. Согласно оценке Джеральда Смита (Gerald Smith) из Университета штата Пенсильвания, 4 мг антивещества было бы достаточно, чтобы долететь до Марса, а сотня граммов донесла бы корабль до ближайших звезд. При аннигиляции антивещества выделяется в миллиард раз больше энергии, чем можно получить из такого же количества современного ракетного топлива. Двигатель на антивеществе выглядел бы довольно просто. Можно просто впрыскивать частицы антивещества, одну за другой, в специальную камеру ракеты. Там они аннигилируют с обычным веществом, вызвав титанический взрыв. Нагретые газы затем выбрасываются с одного конца камеры, создавая реактивную тягу.

Мы пока очень далеки от воплощения этой мечты. Ученые сумели получить антиэлектроны и антипротоны, а также атомы антиводорода, в которых антиэлектрон циркулирует вокруг антипротона. Это было сделано и в CERN, и в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (которую чаще называют Фермилаб) недалеко от Чикаго на теватроне, втором по величине ускорителе частиц в мире (крупнее него только Большой адронный коллайдер в CERN). В обеих лабораториях физики направили на мишень поток высокоэнергетических частиц и получили поток осколков, среди которых были и антипротоны. При помощи мощных магнитов антивещество отделили от обычного вещества. Затем полученные антипротоны замедлили и позволили им смешаться с антиэлектронами, в результате чего получились атомы антиводорода.

Дэйв МакГиннис, один из физиков Фермилаба, очень долго и много думал о практическом использовании антивещества. Мы с ним стояли рядом с теватроном, и Дэйв объяснял мне обескураживающую экономику антивещества. Единственный известный способ получить сколько-нибудь существенное количество антивещества, говорил он, — это воспользоваться мощным коллайдером вроде теватрона; но эти машины чрезвычайно дороги и позволяют получать антивещество лишь в очень малых количествах. К примеру, в 2004 г. коллайдер в CERN выдал ученым несколько триллионных долей грамма антивещества, и обошлось это удовольствие ученым в 20 млн долларов. При такой цене мировая экономика обанкротится прежде, чем удастся получить достаточно антивещества на одну звездную экспедицию. Сами по себе двигатели на антивеществе, подчеркнул МакГиннис, не представляют из себя ничего особенно сложного и уж наверняка не противоречат законам природы. Но стоимость такого двигателя не позволит реально построить его в ближайшем будущем.

Одна из причин такой бешеной дороговизны антивещества — громадные суммы, которые приходится выкладывать на строительство ускорителей и коллайдеров. Однако сами по себе ускорители — машины универсальные и используются в основном не для производства антивещества, а для получения всяких экзотических элементарных частиц. Это инструмент для физических исследований, а не промышленный аппарат.

Можно предположить, что разработка нового типа коллайдера, предназначенного специально для производства антивещества, могла бы намного снизить его стоимость. Затем массовое производство таких машин позволило бы получить значительное количество антивещества. Харольд Джерриш(Harold Gerrish) из NASA уверен, что цена антивещества может со временем опуститься до 5000 долларов за микрограмм.

Еще одна возможность воспользоваться антивеществом в качестве ракетного топлива заключается в том, чтобы найти в открытом космосе метеорит из антивещества. Если бы такой объект нашелся, его энергии, скорее всего, хватило бы не на один звездолет. Надо сказать, что в 2006 г. в составе российского спутника «Ресурс-ДК» запущен европейский прибор PAMELA, назначение которого — поиск естественного антивещества в открытом космосе.

Если в космосе удастся обнаружить антивещество, то для его сбора человечеству придется придумать что-нибудь вроде электромагнитной сети.

Так что, хотя межзвездные космические аппараты на антивеществе — идея вполне реальная и не противоречит законам природы, в XXI веке они скорее всего не появятся, разве что в самом конце века ученые смогут снизить стоимость антивещества до сколько-нибудь разумной величины. Но если это удастся сделать, проект звездолета на антивеществе наверняка будет рассматриваться одним из первых.

Нанокорабли

Мы давно привыкли к спецэффектам в фильмах вроде «Звездных войн» и «Звездного пути»; при мысли о звездолетах возникают образы громадных футуристических машин, ощетинившихся со всех сторон последними изобретениями в сфере высокотехнологичных приспособлений. А между тем есть и другая возможность: создавать при помощи нанотехнологий крохотные звездолеты, не крупнее наперстка или иглы, а то и еще меньших размеров. Мы заранее уверены, что звездолеты должны быть огромными, как «Энтерпрайз», и нести целый экипаж астронавтов. Но при помощи нанотехнологий основные функции звездолета можно будет заложить в минимальный объем, и тогда к звездам отправится не один громадный корабль, в котором экипаж должен будет жить многие годы, а миллионы крохотных нанокораблей. До места назначения долетит, возможно, лишь небольшая их часть, но главное будет сделано: добравшись до одного из спутников системы назначения, эти корабли построят завод и обеспечат производство неограниченного числа собственных копий.