Forbes (США): можем ли мы добиться межзвездных полетов, используя только известную нам физику?
Этан Сигел (Ethan Siegel)
С тех пор, как человек впервые взглянул в ночное небо, мы мечтаем посетить другие миры и увидеть Вселенную. И хотя наши ракеты на химическом топливе уже достигли множества планет, лун и прочих тел Солнечной системы, космический аппарат, удалившийся на самое большое расстояние от Земли, Вояджер 1, преодолел только 22,3 миллиарда километров. Это всего лишь 0,056% расстояния до ближайшей известной нам звездной системы. При использовании современных технологий путь до другой звездной системы займет порядка 100 тысяч лет.
Однако нет никакой необходимости действовать так, как мы делали всегда. Эффективность отправки аппаратов с большой массой полезной нагрузки, даже с людьми на борту, на беспрецедентные расстояния во Вселенной, можно значительно повысить, если использовать правильные технологии. Если говорить точнее, существуют четыре перспективные технологии, способные доставить нас к звездам за гораздо меньший срок. Вот они.
1). Ядерные технологии. К настоящему моменту в человеческой истории все аппараты, запущенные в космос, имеют одну общую черту: двигатель на химическом топливе. Да, ракетное топливо — это особая смесь химических веществ, призванная обеспечить максимальную тягу. Тут важно словосочетание «химические вещества». Реакции, дающие энергию двигателю, опираются на перераспределение связей между атомами.
Это в корне ограничивает наши действия! Подавляющее большинство массы атома приходится на его ядро — 99,95%. Когда начинается химическая реакция, вращающиеся вокруг атомов электроны перераспределяются и обычно выделяют в виде энергии около 0,0001% от общей массы атомов, участвующих в реакции, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна: E=mc2. Это значит, что на каждый килограмм массы топлива, которое загружается в ракету, во время реакции вы получаете энергию, эквивалентную примерно 1 миллиграмму.
Однако, если использовать ракеты на ядерном топливе, ситуация будет резко отличаться. Вместо того, чтобы опираться на изменения в конфигурации электронов и связях атомов друг с другом, вы можете высвободить сравнительно огромное количество энергии, влияя на то, как связаны ядра атомов между собой. Когда вы расщепляете атом урана, бомбардируя его нейтронами, он излучает намного больше энергии, чем какая-либо химическая реакция. 1 килограмм урана-235 может выделить количество энергии, эквивалентное 911 миллиграммам массы, что почти в тысячу раз эффективней, чем химическое топливо.
Мы могли бы сделать двигатели еще эффективней, если бы овладели ядерным синтезом. Например, системой инерциального управляемого термоядерного синтеза, с помощью которого можно было бы синтезировать водород в гелий, такая цепная реакция происходит на Солнце. Синтез 1 килограмма водородного топлива в гелий превратит 7,5 килограммов массы в чистую энергию, что почти в 10 тысяч раз эффективней, чем химическое топливо.
Идея в том, чтобы получить одинаковое ускорение для ракеты на значительно больший период времени: в сотни или даже тысячи раз дольше, чем сейчас, что позволило бы развить в сотни или тысячи раз большую скорость, чем обычные ракеты сейчас. Такой метод сократил бы время межзвездного полета до сотен или даже десятков лет. Это перспективная технология, которой мы сможем воспользоваться уже к 2100 году, в зависимости от темпов и направления развития науки.
2). Пучок космических лазеров. Эта идея лежит в основе проекта «Breakthrough Starshot», получившему известность несколько лет назад. За пришедшие годы концепция не потеряла привлекательности. Тогда как обычная ракета несет топливо с собой и расходует его на ускорение, ключевая идея этой технологии — пучок мощных лазеров, которые придадут космическому кораблю необходимый импульс. Другими словами, источник ускорения будет отделен от самого корабля.
Эта концепция одновременно и захватывающая, и во многих смыслах революционная. Лазерные технологии успешно развиваются и становятся не только более мощными, но и высоко коллимированными. Получается, если мы создадим схожий с парусом материал, который будет отражать достаточно высокий процент лазерного света, можно будет использовать лазерный выстрел, чтобы космический корабль развил колоссальные скорости. «Звездолет» массой ~1 грамм предположительно достигнет скорости ~20% скорости света, что позволит ему долететь до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра всего за 22 года.
Конечно, для этого мы должны будем создать огромный пучок лазеров (около 100 км2), и сделать это нужно в космосе, хотя тут больше проблема в стоимости, а не в технологиях или науке. Однако существует ряд проблем, которые нужно преодолеть, чтобы быть способными осуществить такой проект. Среди них:
ничем не поддерживаемый парус будет вращаться, требуется какой-то (неразработанный еще) стабилизирующий механизм;
отсутствие возможности затормозить, когда будет достигнута точка назначения, так как нет никакого топлива на борту;
даже если получится масштабировать аппарат для перевозки людей, человек не сможет выжить при огромном ускорении- значительном перепаде скоростей за короткий промежуток времени.
Возможно, когда-нибудь технологии смогут доставить нас к звездам, но успешного метода, как человеку достичь скорости равной ~20% скорости света, пока не существует.
3). Топливо на основе антиматерии. Если мы все же хотим везти топливо с собой, можно сделать его самым эффективным из возможных: в его основе будет лежать аннигиляция частиц и античастиц. В отличие от химического или ядерного топлива, где только часть имеющейся на борту массы конвертируется в энергию, аннигиляция частиц и античастиц использует 100% массы и частиц, и античастиц. Возможность конвертировать все топливо в энергию, идущую на импульс — высший уровень эффективности топлива.
В применении этого метода на практике по трем основным направлениям возникают трудности. Конкретно:
создание стабильной нейтральной антиматерии;
возможность изолировать ее от обычной материи и точно ее контролировать;
производить антиматерию в достаточно больших количествах, необходимых для межзвездного полета.
К счастью, над первыми двумя проблемами уже работают.
В Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), где расположен Большой адронный коллайдер, есть огромный комплекс, известный как «фабрика антиматерии». Там шесть независимых команд ученых исследуют свойства антиматерии. Они берут антипротоны и замедляют их, заставляя позитрон связываться с ними. Так создаются антиатомы или нейтральная антиматерия.
Они изолируют эти антиатомы в емкости с меняющимися электрическим и магнитным полями, которые удерживают их на одном месте на расстоянии от стенок контейнера, сделанного из материи. К настоящему моменту, середина 2020 года, им успешно удалось изолировать и поддержать в стабильности несколько антиатомов на протяжении часа за раз. В течение нескольких следующих лет ученым удастся контролировать перемещения антиматерии в пределах гравитационного поля.
Эта технология не будет доступна нам в ближайшем будущем, но может оказаться, что наш самый быстрый способ межзвездных путешествий — ракета на антиматерии.
4). Звездолет на темной материи. Этот вариант, безусловно, опирается на предположении о том, что какая-либо частица, ответственная за темную материю, ведет себя как бозон и является его собственной античастицей. В теории темная материя, являющаяся собственной античастицей, имеет маленький, но не нулевой, шанс аннигилировать с любой другой столкнувшейся с ней частицей темной материи. Высвободившуюся в результате столкновения энергию мы потенциально можем использовать.
Существует возможное свидетельство этому. В результате наблюдений установлено, что Млечный путь и другие галактики имеют необъяснимый избыток гамма-излучения, идущего из их центров, где концентрация темной энергии должна быть самой высокой. Всегда существует вероятность, что этому имеется простое астрофизическое объяснение, например, пульсары. Однако возможно, что это все же темная материя аннигилирует сама с собой в центре галактики и тем самым дает нам невероятную идею — звездолет на темной материи.
Преимущество этого метода заключается в том, что темная материя существует буквально везде в галактике. Это значит, нам не придется везти топливо с собой в путешествие. Вместо этого «реактор» темной энергии может просто делать следующее:
брать любую темную материю, которая находится рядом;
ускорять ее аннигиляцию или позволять ей аннигилировать естественным путем;
перенаправлять полученную энергию, чтобы получить импульс в любом желаемом направлении.
Человек мог бы контролировать размер и мощность реактора, чтобы достигнуть нужных результатов.
При отсутствии необходимости иметь топливо на борту отпадут многие из проблем космических путешествий, управляемых двигательными установками. Вместо этого мы будем способны достигнуть заветную мечту любого путешествия — неограниченное постоянное ускорение. Это даст нам самую немыслимую способность — возможность достигнуть любого места во Вселенной за время одной человеческой жизни.
Если мы будем ограничивать себя существующими ракетными технологиями, то нам понадобится как минимум десятки тысяч лет на путешествие от Земли к ближайшей звездной системе. Однако значительные продвижения в технологии двигателей уже близки, они сократят время в пути до одной человеческой жизни. Если мы сможем справиться с использованием ядерного топлива, пучка космических лазерных лучей, антиматерии или даже темной материи, мы исполним собственную мечту и станем космической цивилизацией без использования нарушающих физику технологий, таких как варп-двигатель.
Существует множество потенциальных способов превратить научно обоснованные идеи в осуществимые, реальные технологии двигателей следующего поколения. Вполне возможно, что к концу века космический корабль, который пока еще не изобретен, займет место Новых горизонтов, Пионера и Вояджера как самых далеких от Земли рукотворных объектов. Наука уже готова. Нам осталось заглянуть за рамки наших сегодняшних технологий и осуществить эту мечту.
