Космічна ракета, що доставила в ніч з 13 на 14 вересня 1959 р вимпел Радянського Союзу на Місяць, пройшла свій шлях за 1,5 доби. Приблизно стільки ж часу знадобилося американської космічної ракети, яка здійснила в липні 1964 р перед падінням на поверхню Місяця фотографування місячних ландшафтів з близьких відстаней. При майбутніх польотах людини на Місяць фактор часу не буде відігравати велику роль. Тривалість цього космічної подорожі буде менше тривалості багатьох подорожей по земним маршрутами.

Але вже при плануванні польотів на планети питання тривалості подорожі стає важливим. Щоб досягти Венери з найменшою витратою пального, необхідно близько 150 діб, а для досягнення Марса близько 260 діб. Зрозуміло, коли будуть використані більш ефективні засоби тяги, ніж ті, які застосовуються в космічних ракетах наших дотримуватися маршруту з найменшою витратою енергії відпаде, час подорожі на планети можна буде значно скоротити. В принципі, жителю Землі буде можливо значну частину свого місячного відпустки проводити на одній із сусідніх планет.

Зовсім інакше виглядає проблема польотів до інших зірок і інших галактик. Тут відстані настільки величезні, що фактор часу набуває вирішального значення.

Швидкість космічної ракети на різних ділянках шляху обмежується граничним прискоренням, яке здатні тривалий час переносити пасажири. Кромеe того, швидкість ракети не може досягти швидкості світла.

Якщо ракета рухатиметься з постійним прискоренням 10 м / с 2, то пасажири будуть відчувати себе чудово. Стану невагомості не буде, люди будуть стояти на дні кабіни ракети точно так же, як вони це робили в різних приміщеннях при звичайному житті на Землі, і будуть відчувати зовсім ті ж фізичні відчуття, в тому числі і відчуття того ж ваги окремих частин свого тіла і ваги інших предметів. Це пояснюється тим, що прискорення сили тяжіння на Землі також дорівнює 10 м / с 2 (точніше, 9,81 м / с 2).

Але для зменшення тривалості польоту потрібна можливо велика швидкість і, отже, можливо більше прискорення. Мабуть, здорові люди можуть тривалий, час задовільно переносити постійне прискорення в 20 м / с 2. При такому прискоренні ракети вага пасажира, який вимірюється в кабіні за допомогою пружинних ваг, був би вдвічі більше того, який він мав на Землі. Інакше кажучи, пасажир почував би себе так само, як і на поверхні такої планети, на якій прискорення сили тяжіння і, отже сила тяжіння, вдвічі більше, ніж на Землі. Додаткове навантаження до звичайного вазі буде при цьому рівномірно розподілятися по всьому організму людини, її буде значно легше переносити, ніж вантаж, рівний вазі людини, звалені на його плечі. Отже, будемо виходити з можливого постійного прискорення 20 м / с 2.

При такому прискоренні на величезних відстанях швидкість може досягти дуже великих величин. А при великих швидкостях класичні закони механіки, закони Ньютона, стають невірними. Необхідно використовувати закони, що даються теорією відносності Ейнштейна, які вірні для будь-яких швидкостей, і малих і великих.

Для виконання розрахунків нам зручніше прийняти, що в усі час руху постійним залишається ставлення сили тяги ракети до її масі і це відношення дорівнює

Якби при космічних польотах до зірок і галактик діяла класична механіка, то всі дні руху прискорення а було б постійним і було б справедливо рівність

Однак класична механіка невірна, теорія відносності дає наступну форму для миттєвого прискорення:

де υ-швидкість космічної ракети в даний момент, а з-швидкість світла. При дуже малих значеннях швидкості υ в порівнянні зі швидкістю світла формули (60) і (61) практично дають одне і те ж, але коли υ / з не дуже мало, формула (60) вже невірна.

Якби рух відбувалося за законами класичної механіки, прискорення було б постійним і рівним b. Тоді швидкість υ і пройдений шлях S через час t після початку руху визначалися б відомими зі шкільного курсу фізики формулами

Але, як ми бачимо, згідно з формулою (58) у міру зростання швидкості прискорення буде зменшуватися. Внаслідок цього формули для швидкості і пройденого шляху в момент t, що даються релятивістської механікою, т. Е. Механікою, заснованої на теорії відносності, інші і мають такий вигляд:

У класичній механіці передбачалося, що швидкість тіла може ставати як завгодно великий. Це випливає і з формули (62), в якій у міру збільшення часу tможет необмежено зростати і швидкість υ. Однією з найважливіших основ релятивістської механіки є закон неможливості в природі скороcті, більшою за швидкість світла. Якщо у формулі (64) необмежено збільшувати час t, то швидкість υ стане рости необмежено: вона буде наближатися до швидкості світла, але ніколи не перевершить її.

Найбільш вражаючим висновком теорії відносності є твердження, що хід часу в двох рухаються одна відносно іншої системах різний. Саме, якщо в початковий момент, коли космічна ракета лежала на поверхні Землі, хід часу для її пасажирів і хід часу для жителів Землі був однаковий, то після того як ракета стане рухатися, хід часу в ній сповільниться. Малому проміжку часу t 2 - t 1 на Землі буде відповідати малий проміжок часу в ракеті τ 2 - τ 1 рівний

Формула (63) веде до дивних висновків. Якщо космонавти, покинувши Землю, будуть здійснювати польоти на великих швидкостях, а потім повернуться на Землю, то виявиться, що від розлуки і до зустрічі часу у них пройшло істотно менше, ніж у жителів Землі. Один з близнюків, котрий подорожував в космосі, після повернення виявиться молодше близнюка, який залишався на Землі. Більш того, батько, який залишив на Землі малолітнього сина і зробив космічну подорож на великих швидкостях, може після повернення на Землю, залишаючись сам ще порівняно молодою людиною, застати сина немічним дідом.

У 1895 р Г. Уеллс написав роман «Машина часу». З усіх фантастичних романів письменника цей роман здавався самим фантастичним. Однак, як ми бачимо, подорож у часі все-таки виявляється можливим. Машиною часу повинна служити космічна ракета, розвиваюча великі швидкості в просторі. Але подорожувати в часі можна тільки в напрямку майбутнього. Мандрівник у часі Уеллса міг досягти країни майбутнього, де жили «елои» і «морлоки», але він не зміг би після цього повернутися назад, як і не зміг би відвідати країну минулого.

Якщо рух відбувається з постійним, як ми прийняли ставленням b сили тяги ракети до її масі, то зі співвідношення (66) можна отримати зв'язок між часом t, що пройшов на Землі, і часом τ, які пройшли у космонавтів,

де Агsh є особлива функція, зворотна так званому гіперболічному синусу. Таблиці цієї функції наводяться в багатьох математичних довідниках. Яким би не було t за формулою (67) τ виходить завжди менше t причому чим більше t тим істотніше відмінність між τ і t. Цей ефект іноді називають релятивістським розширенням часу.

Різниця ходу часу в рухаються одна відносно іншої системах не тільки передбачено теорією відносності, але і підтверджено в наші дні експериментами. Наприклад, доведено, що у мюонів (так називаються швидко розпадаються елементарні частинки з масою, що дорівнює 207 масам електрона, і одиничним позитивним або негативним зарядом), що рухаються повільно, середній час, що протікає до розпаду, так само 2,22 10-6 с, а у мюонів космічних променів, що рухаються з дуже великою швидкістю, час розпаду більше, в
точній відповідності з формулою (67).

У таблиці для різних відстаней обчислено час, необхідний для проходження їх ракетою, у якій відношення сили тяги до маси весь час постійно і дорівнює 20 м / с 2. У другому стовпці наведено час, який давала б класична механіка за формулою (63). Насправді рух ракети не відбуватиметься за законами класичної механіки, так як досягаються швидкості дуже великі. За формулою (62) вони до того ж виходять у багато разів більша за швидкість світла, і ми наводимо цей стовпець тільки для того, щоб показати, наскільки помилкові результати, класичної механіки в подібних випадках. У третьому стовпці обчислено час, яке пройде на Землі до моменту досягнення ракетою вказаної відстані. При b \u003d 20 м / с 2 ракета вже на відстані 1/2 пс розвине швидкість, дуже близьку до швидкості світла, і тому на відстанях у багато парсек час, необхідний для польоту ракети, практично дорівнює часу потрібного для проходження світла, отже, починаючи з п'ятого рядка дані в третьому стовпці чисельно дорівнюють кількості світлових років в вказаній відстані.

Але інший проміжок часу буде проходити у пасажирів ракети. Особливо разюче відмінність для великих відстаней. Так як на великих відстанях ракета встигне розвинути швидкість дуже близьку до швидкості світла, релятивістське розширення часу буде особливо велике.

Користуючись даними таблиці, уявімо собі подорож до найближчої до нашого Сонця зірку - а Центавра. Насправді це потрійна зірка. Головний компонент - зірка спектрального класу G4 з абсолютною величиною + 4 m, 7 - двійник нашого Сонця: майже ті ж спектр, колір, світність, маса. Другий компонент має спектральний клас К1 (помаранчева зірка), а абсолютну зоряну величину 6 m, 1, світність її вдвічі менше, ніж у Сонця. Третій компонент носить назву Проксима, т. Е. «Найближча» Центавра. Він трохи ближче до нас, ніж два інших компоненти цієї потрійної системи, і з спостережуваних поки зірок є найближчим сусідом Сонця. Світність його дуже мала: в 10000 разів менше, ніж у Сонця (М \u003d 15 m, 7). Спектральний клас - М, значить, це червона зірочка, червоний карлик.

Ця потрійна система, що складається з жовтої, помаранчевої і червоної зірок, знаходиться на відстані 1,32 пс. Під час подорожі до неї потрібно спочатку півдорозі, т. Е. 0,66 пс, рухатися з прискоренням. На яку ракета витратить, як можна підрахувати за допомогою формули (65), 2,58 земних року, А за допомогою формули (67) ми дізнаємося, що в ракеті протече 1,13 року. Потім потрібно буде, використовуючи ту ж силу тяги ракети, рухатися з уповільненням. Тоді до моменту досягнення потрійний зірки а Центавра ракета зупиниться.

Характер руху на другій половині шляху до а Центавра буде як би симетричним відображенням руху на його першій половині. У будь-яких двох точках, однаково віддалених від середини шляху, швидкість виявиться однаковою. Тому і час, витрачений на другу половину шляху, буде як на Землі, так і в ракеті, то ж саме, що і для першої половини шляху.

Після цього ракета рушить назад до Землі, знову спочатку прискорюючи рух, а потім, після проходження половини шляху, сповільнюючи його. До моменту повернення на Землю у пасажирів в ракеті пройде 1,13 · 4 ≈ 4,5 року. Але вони переконаються в тому, що, на Землі до моменту їх прибуття пройшло вже 2,58 · 4 ≈ 10 років.

Для відвідування зірки, що знаходиться на відстані 20 пс, наприклад а Трикутника, і повернення назад, ракеті потрібна пройти з поперемінним прискоренням і уповільненням руху чотири відрізка, завдовжки 10 пс кожен. Згідно таблиці вище до моменту повернення у пасажирів ракети пройде 2,33 · 4 ≈ 9 років. Але приземляючись, пасажири ракети не впізнають країни, яку залишили: такі великі будуть зміни. Вони не застануть нікого з людей, кого знали - на Землі до моменту прибуття пройде 32,9 · 4≈ 130 років і встигнуть змінитися кілька поколінь.

Політ до туманності Андромеди, NGC 224, що знаходиться на відстані 460 КПС, і повернення будуть протікати зовсім не так, як це описано в цікавою книзі І. А. Єфремова «Туманність Андромеди». Подорож займе у космонавтів близько 30 років, а повернуться вони фактично в інший світ, - на Землю, на якій від початку польоту пройшло близько 30 млн. Років.

Величезна економія часу, що протікає в ракеті, в порівнянні з часом, що протікає на Землі, досягається завдяки тому, що переважну частину

відстані ракета рухається зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла. У такому випадку, як показує формула (66), проміжок часу τ 2 - τ 1 може бути дуже малий в порівнянні з проміжком часу t 2 - t 1.

Взагалі таблиця показує, що якщо забезпечити протягом всього часу постійне відношення сили тяги ракети до її масі, що дорівнює 20 м / с 2, то людині є відвідування будь-яких областей оглядається нами Всесвіту. Навіть для досягнення найвіддаленіших скупчень галактик, розташованих на відстані 1000 Мпс, буде потрібно тільки 11 років «ракетного» часу. Зрозуміло, питання про повернення на Землю для таких космічних мандрівників виявиться позбавленим сенсу. Хіба лише буде цікаво дізнатися, що сталося з Землею і Сонячною системою. Розумніше буде шукати придатний для проживання світ на нових місцях.

Всі попередні розрахунки виконувалися в припущенні, що можна забезпечити протягом всього, що розглядається часу постійне відношення сили тяги ракети до її масі, що дорівнює 20 м / с 2. Подивимося тепер, чи можна цього практично досягти? Що покаже енергетичний розрахунок? Легко переконатися, що застосовуються в наш час двигуни космічних ракет, що спалюють хімічне паливо, абсолютно непридатні для подорожей до зірок і галактик.

Найважливішу роль відіграє швидкість ω, з якої утворюються при згорянні гази вилітають з сопла ракети. Чим більше ця швидкість, тим більше прискорення в протилежному напрямку матиме ракета. Швидкість вилітання газів тим більше, чим вище, температура згоряння. Температура ж обмежується здатністю матеріалу, з якого зроблено сопло ракети, протистояти високій температурі, що не плавитися. Мабуть, межею в цьому відношенні є 4000 К. При такій температурі згоряння від деяких видів палив можна отримати швидкість вильоту ω близько 4 км / с.

У астронавтики відома формула

зв'язує m 0 - масу ракети з паливом, m- масу ракети після згоряння палива, ω - швидкість вильоту газів із сопла і υ-швидкість, яку придбає ракета після того як згорить паливо. Формула ця вірна тільки в рамках класичної механіки, коли і швидкість вилітають газів і швидкість, що досягається ракетою, дуже малі в порівнянні зі швидкістю світла. Обидва ці умови в даному розрахунку дотримуються.

Ми бачимо, що величина досягається ракетою швидкості тим більше, чим більше відношення маси ракети з паливом до її масі без палива. Але як велике може бути це ставлення? Припустимо малоймовірне, що вдалося побудувати таку ракету, в якій 0,999999 маси становить пальне, так що вага після витрачання пального складе тільки одну мільйонну ваги ракети на старті. Тоді права частина рівності (68) буде дорівнює 13,8 і, отже, якщо швидкість вильоту газів дорівнює 4 км / с, ракета зможе досягти швидкості 55,2 км / с. Поки не досягнуто дуже великі швидкості і можна користуватися класичної, механікою, постійне відношення сили тяги до маси ракети 20 м / с 2 дорівнює прискоренню ракети. Швидкість 55,2 км / с буде досягнута через 2760 с, коли пройдений шлях виявиться рівним 76 000 км. Після цього відстані паливо буде вичерпано, пристрій ракети перестане діяти.

Таким чином, вживається в даний час в космонавтиці спосіб повідомлення ракеті тяги за допомогою згоряння хімічного палива не може бути застосований для польоту до зірок і галактик. Він придатний тільки в межах Сонячної системи.

Формула (68) показує, що основне завдання полягає в знаходженні такого методу створення реактивної тяги, при якому вилітають частинки мали б набагато більшу швидкість, ніж у сучасних ракет. Потрібно, щоб ця швидкість була порівнянна зі швидкістю світла або навіть дорівнює їй. Ідея такої ракети запропонована давно. Роль вилітають з ракети в певному напрямку частинок повинні грати частинки світла - фотони, а ракета буде рухатися в протилежному напрямку. Джерелом випромінювання можуть бути ядерні реакції і інші процеси, при яких відбувається виділення електромагнітної енергії. Труднощі пов'язані з необхідністю отримати потужний потік фотонів при порівняно невеликій вазі пристрою, щоб вживається в наших розрахунках величина b була достатньою. Крім того, потрібно захистити пристрій від руйнівної дії високих температур. Поки таке джерело енергії не створений. Але він, мабуть, буде створений.

Щоб здійснити політ до найближчого сусіда, потрійний зірки а Центавра, і повернутися назад, можна запропонувати наступний план. Фотонна ракета рухається з прискоренням b \u003d 20 м / с 2, поки її маса не стане рівною половині первинної. При цьому відповідно до формул (69) і (70) буде пройдено відстань 0,073 пс і розвинена швидкість 180000 км / с. Після цього двигун вимикається і ракета рухається за інерцією. Коли у вільному русі буде пройдено близько 1,17 пс і до мети залишиться 0,073 пс, двигун знову почне працювати, але вже на гальмування. Ракета зупиниться близько а Центавра, витративши ще половину тієї маси, яка у неї була при початку гальмування. У тій же послідовності повинен бути проведений зворотний шлях. Двигун буде включатися лише чотири рази, кожен раз витрачаючи половину наявної маси, так що відношення m 0 / m до моменту прибуття на Землю має скласти 16. Розрахунок показує, що від моменту вильоту до моменту повернення в ракеті протече близько 9,5 років, а на Землі 16,5 років.

Можна, звичайно, робити подібні польоти і до більш далеких зірок, збільшуючи ділянку шляху з вимкненим двигуном. Але тоді зі збільшенням відстані буде істотно збільшуватися час, що протікає в ракеті.

При польотах на відстані понад 5 пс надзвичайно важливо розвивати, наскільки можливо, високі швидкості, близькі до швидкості світла; тоді не тільки зменшується необхідне для здійснення польоту час, що протікає на Землі, але, що особливо важливо, в дуже сильному ступені зменшується час, що протікає в ракеті. А щоб розвинути, наскільки можливо, високі швидкості, двигун повинен бути постійно включеним.

З формули (69) випливає, що, довівши відношення m 0 / m до 200, можна з постійно включеним, поставленим тільки на прискорення двигуном досягти зірки Капели, віддаленої приблизно на 14 пс.

Але якби ми хотіли, не включаючи двигуна, розганяючись півдорозі і півдорозі сповільнюючи політ, долетіти до Капели, повернути назад і повернутися на Землю, то довелося б витратити стільки енергії, що ставлення m 0 / m треба було б довести до 10 8, що, звичайно, немислимо навіть для техніки майбутнього.

Точно так же вельми малоймовірна можливість простого досягнення (без повернення) людиною інших галактик. При подорожі з постійно включеним двигуном, щоб покрити відстань до Магелланових Хмар, потрібно, щоб m 0 / m було дорівнює 6 10 5.

Міркування і підрахунки, проведені в цій публікації, привели нас до наступних висновків: 1) співвідношення двох факторів - тривалості життя і здатності переносити прискорення, у людини таке, що він в принципі міг би здійснити подорож до будь-яких, навіть найвіддаленіших із спостережуваних тел Всесвіту ; 2) технічні, енергетичні обмеження різко звужують можливості людини. Навіть використання в майбутньому фотонної ракети з дуже великим відношенням початкової і кінцевої мас дозволить здійснювати польоти з поверненням лише до кількох найближчих зірок. Відстані в кілька десятків парсек можуть бути доступні при відносинах m 0 / m порядку декількох сотень. Однак це можуть бути лише польоти без повернення; 3) досягнення інших галактик ніколи не буде доступно людині.

Космічна ера почалася 4 жовтня 1957 року. Навряд чи варто ще і ще раз описувати подробиці цього дня. Вони стали канонічними. Важливіше сам факт: в космос, на орбіту Землі, Радянським Союзом був запущений перший в світі штучний супутник.

Пройдемося по перших щаблів поки що нечисленних етапів освоєння виходу в космічний простір. Нам це неважко зробити, бо багато з них відзначені квітами нашої країни.

2 січня 1959 року перша космічна ракета «Мрія» пішла з радянського космодрому в сторону Місяця і стала першою штучною планетою Сонячної системи.

12 вересня 1959 року друга космічна ракета «Луна-2» доставила на поверхню супутника Землі перший вимпел із зображенням герба Радянського Союзу. Перший заявочний стовп в космосі.

12 лютого 1961 року багатоступенева ракета вивела на орбіту другий радянський важкий супутник Землі, з якого в той же день стартувала керована з Землі космічна ракета. Вона вивела на траєкторію до Венери автоматичну міжпланетну станцію «Венера-1».

1 листопада 1962 року радянська автоматична станція «Марс-1» вирушила до нашого зовнішньому сусідові - планеті Марс.

10 листопада 1968 року радянська автоматична станція «Зонд-6» полетіла до Місяця, обігнула її і повернулася на Землю не просто каменем з простору, а використовуючи аеродинамічні властивості самого корабля. Перший планетоліт.

23 липня 1969 року. Спеціальна кабіна американського космічного корабля «Аполлон-11» примісячилася на поверхні природного супутника Землі, і на Місяць вперше ступила нога людини.

Першим вийшов з кабіни астронавт Нейл Армстронг. За ним пішов і його товариш по польоту Едвін Олдрін.

Це ступені етапів. За кожною з них - довгий ряд відпрацювань, вдосконалень, ціла сходи закріплення результатів. Застосовуючи оптимістичну екстраполяцію цих починань, легко піддатися спокусі вирахувати рік і день відправки першого міжзоряного корабля. Давайте і ми спробуємо скласти «гороскоп астронавтики».

2. Відстань, час, швидкість, відносність

Земля - \u200b\u200bпіщинка космосу: звичне порівняння для приниження роду людського. А що, якщо дійсно уявити собі нашу планету зменшеною до розмірів піщинки? Можна, правда, піти іншим шляхом. Уявити себе виросли до розмірів такого собі «супермікромегаса», для якого Земля - \u200b\u200bпіщинка. В принципі різниці ніякої - все в світі відносно, а декому з читачів, може бути, другий варіант доведеться більше до смаку.

Так чи інакше Земля - \u200b\u200bпіщинка. Масштаб 1: 180 мільярдам. Тоді Сонце своїми розмірами не перевищить горошину. А відстань між піщинкою і горошиною не повинно бути більше метра. Тут же, в межах декількох кроків, лежать орбіти планет, на які вже пріпланетілісь перші земні планетольоти. Але нас цікавлять зірки. Яким буде в наших масштабах відстань ... ну, хоч до найближчої - Проксіми Центавра?

Чи не озирайтеся навколо, чи не залазьте на дерево, не сідайте на велосипед. Наступна «горошина» загубилася приблизно в 220 кілометрах від нашої «піщинки», піди знайди! Сотні кілометрів - і піщинки з горошинами. А адже це Проксима! Найближча! До неї, астрономи вважають, рукою подати, всього 40 420 000 000 000 000 км - дрібниця. У тому ж масштабі відстань до найпопулярнішої сусідньої галактики - Туманності Андромеди, так само ... радіусу земної орбіти! І все це знову для піщинок з горошинами.

Такі відстані змушують замислюватися. Адже для того щоб сучасної ракеті подолати шлях до Проксіми Центавра, їй доведеться летіти 76 тисяч років. Право, таке довгу подорож по одноманітною космічної пустелі може і набриднути. Єдиний спосіб скоротити відстань, а отже, і терміни польотів - збільшувати швидкість. Але до яких пір? Очевидно, до максимально можливої. А це - швидкість світла!

Луч мчить від Проксіми Центавра до Землі 4,29 року. Швидкість світла - фізичний межа - 300 тисяч кілометрів на секунду. Більше не буває.

Ну, а якщо мета поїздки відстоїть від Сонця, наприклад, на 160 світлових років, як Спіка із сузір'я Діви, або Бетельгейзе - на 650 світлових років, як бути тоді? Адже одного людського життя на таку поїздку все одно не вистачить. А значить, віддаленим зірок навряд чи дочекатися скоро земних туристів!

І тут ми вступаємо в царство відносності. Земні закони в цьому царстві тріщать по всіх швах, а звичні фізичні формули набувають релятивістську поправку. (Втім, якщо вже ми заговорили про зоряне туризмі, то чи не варто говорити не «релятивістський», а «релятивистическое»? Адже пустив ж якийсь грамотій термін «туристичний» замість «туристський».)

А тепер настав час поглянути на ці формули. До них доведеться звикнути пасажиру зорельота, нічого не поробиш. А приводяться вони тут ще з двох причин: по-перше, самі по собі вони повчальні і наочні, сприяючи тим самим підняття ерудиції; по-друге, без формул зараз не обходиться жодна книжка взагалі, навіть якщо в ній йдеться про виховання цуценя лягавою собаки. Нарешті, важливу роль зіграло і те, що приводяться рівняння зустрічаються сьогодні не менше часто, ніж фольклорні фрески в громадських місцях. І тому привести їх у книжці автору нічого не варто.

Починати, звичайно, треба з того, що найдраматичнішим і захоплюючим твердженням теорії відносності є так званий «парадокс близнюків». Сенс його в тому, що, коли швидкість ракети наближається до світлової, годинник учасників польоту починають безнадійно відставати від земних. При цьому, правда, все автори сором'язливо обходять питання про справедливість цього твердження для прискорень і уповільнень руху, для польотів по прямій або по замкнутій кривій. Не будемо і ми вважати себе розумнішими за інших. Зрештою на зірки поки ніхто всерйоз не збирається, а Ейнштейн, на жаль, помер.

Отже, в ракеті, яка, стартувавши з Землі, летить з субсветовой швидкістю, час тягнеться за законом:

А на покинутій і невтішної Землі час, то саме Т 0, біжить куди швидше. І чим ближче підбираємося ми до швидкості світла, тим повільніше плине ракетне час, погрожуючи в межі зупинитися зовсім. Але зате при швидкості зорельота, що дорівнює 0,996 від швидкості світла С, тобто 298 500 кілометрів в секунду, 10 земних років перетворюються для астронавтів в один рік!

Це ж чудово!

Це відкриває перед нами не тільки зірки нашої системи, але і весь світ. Тільки поганяй зореліт - і нехай собі календар на Землі відщіпає століття в секунду. Треба тільки швидше побудувати такий швидкохідний корабель.

3. Коли побудують зореліт?

Швидкість руху ракети визначається вилітають з сопла частинками згорілого палива. Якщо ж з ракетних сопел змусити вирватися світлові кванти або фотони, то швидкість ракет буде наближатися до фізичної межі! Значить, будувати треба тільки фотонний зоряний корабель!

Щоб не займати місця на опис принципу дії і конструкції зорельота, автор пропонує читачеві зробити це самостійно. Тим більше що, якщо шановний читач і прісочініть що-небудь від себе, великого лиха не буде. Втім, ми забігаємо вперед.

Для оцінки термінів, коли можливим стане здійснення такого будівництва, треба перш за все прикинути обсяг лайнера, тобто обчислити мінімальну корисну масу зорельота. Сюди увійде все, чим комплектується космічний корабель, включаючи і жива вага екіпажу. Все, за винятком пального.

Останнім «криком техніки» на Землі є, мабуть, танкери-гіганти водотоннажністю 100 тисяч тонн. Зоряному кораблю належить дальній і довгий шлях, тому візьмемо його розміри, не скупившись, теж 100 тисяч тонн! Тим більше що пального знадобиться, напевно, досить багато. До речі, про пальне. Турботи про нього - не наша справа. Вважаємо, що фізики отримали супер-екстра-пальне, яке без залишку переходить у випромінювання, навчилися його зберігати в магнітних або будь-яких інших пляшках і побудували для цього пального двигун, здатний перетравлювати енергію, приблизно рівну енергії мільйона атомних бомб, щомиті і при цьому залишатися цілим. Наше завдання - визначити, «скільки пального треба», і залити його в баки. Ах, чорт візьми, знову втручається Ейнштейн! У міру наближення швидкості до світлової, починає рости маса. Ось її рівняння:

Розганяючись, ракета буде тяжелеть і тяжелеть. Значить, збільшиться і витрата пального. Його доведеться підкидати в топку спочатку в десять, потім в сто, потім в тисячі разів більше. Але ж має бути ще гальмування при прибутті на місце. Потім знову розгін і знову гальмування на зворотному шляху. Коротше кажучи, за найскромнішими розрахунками, для розгону космічного корабля масою в 100 тисяч тонн до швидкості 0,995 С, вага палива повинен приблизно в мільйон (!) Разів перевершити корисну масу конструкції і скласти 100 000 000 000 тон. Ще трохи - і реактивний двигун найпростіше буде приробити прямо до земної кулі.

Е, та я бачу, наш загін будівельників сильно порідшав. Злякалися перших труднощів? Ганьба! Чи то ще буде далі.

Ми продовжимо мріяти. Мріяти - це так прекрасно, так піднесено !!! Зрештою чи не все одно, як будуть обійдені конструктивні труднощі? Важливо вірити, що це зроблено буде! Тим більше що ідея прекрасна! Тоді - верхи на ідею, і вперед!

4. Рифи космосу

Немає жодного справжнього пригодницького космічно-фантастичного роману, герої якого не зустрілися б ніс до носа з метеоритом. В іншому випадку пустельний космос не дасть ніяких гострих ситуацій, і жанр загине. (Автор говорить про це зі знанням справи, так як, написавши кілька фантастичних опусів, він неодноразово справно скидав своїх героїв з метеоритами самих різних розмірів.) І це не жарт. Багато хто навіть не підозрюють, яку небезпеку представляють собою метеорити, безладно носяться за межами атмосфери.

У 1932 році метеорит пробив атмосферу і, щасливо уникнувши повного згоряння, долетів до Землі. Вибрав місце падіння - Токіо і ... заплутався в кімоно молодої японки. Добре, що цей досвід не поширився на країни Європи в наші дні. Спідниці сучасних дівчат навряд чи забезпечили б космічному гостю благополучну посадку.

Відомі випадки, коли метеорити падали на дахи чомусь в основному соборів. Метеорити завдавали шкоди скотарства, вбиваючи іноді домашніх тварин. А одного разу небесний камінь впав прямо в корито прачки. Це було ще до широкого впровадження пральних машин і механічних пралень.

Саме за рахунок космічного сміття, що сиплються на поверхню нашої планети, Земля щодня додає у вазі від десяти до ста тисяч тонн.

Швидкість метеоритів, з якими зустрічається Земля, різна. Вона коливається від 11 до 80 кілометрів на секунду. Якщо такий камінчик діаметром півсантиметра попаде в супутник, то він розвороту дірку навіть в обшивці зі сталі товщиною в 12 міліметрів. Правда, розрахунки ймовірності такої зустрічі не можуть не надати відваги навіть песимістам. У ближньому космосі зустріч корабля з таким метеоритом (масою приблизно в 3,5 грама) може відбутися не частіше ніж один раз на 30-40 тисяч років! Можна припустити, що в міжзоряних просторах ймовірність зустрічі ще менше. Правда, зі зменшенням розмірів метеорита ця ймовірність зростає приблизно в квадратичної залежності.

Так, при діаметрі частинки речовини в 1 міліметр дві зустрічі поспіль вже поділяються інтервалом всього в 350-400 років. При діаметрі 0,5 міліметра неприємність можлива вже через кожні 15 років. А зустрічі з піску розміром в 0,25 міліметра можуть відбуватися кожні чотири роки.

Всі вищенаведені міркування стосувалися звичайних супутників або, в кращому випадку, міжпланетних кораблів, які подорожують по сонячній системі. Але ж ми летимо до зірок! Знову Ейнштейн, і знову неприємності. Формула кінетичної енергії тіла, що летить зі субсветовой швидкістю, виглядає так:

де m o - маса спокою. Дуже цікаві розрахунки зробив радянський фізик Сергій Михайлович Ритов. Він розглядає зустріч зорельота, що мчиться зі швидкістю 260 тисяч кілометрів на секунду, з мікроскопічної порошиною масою в один міліграм. Енергії, що виділилася при зіткненні, досить, щоб в буквальному сенсі цього слова «випарувати» 10 тонн заліза. Але це ще не найстрашніше. Гірше те, що при таких швидкостях енергія атомних часток в рухомих назустріч кораблю мікрометеоритів значно більше енергії зв'язку атомів в кристалічній решітці. Значить, метеорит вріжеться в корпус корабля не як єдиний шматок речовини, здатний прострелити зореліт наскрізь, а як шквал важких космічних частинок. Проникнувши в метал обшивки всього на кілька сантиметрів, вони там, в глибині, віддадуть всю свою величезну енергію, викликавши тепловий вибух.

Так одна-єдина крупинка речовини масою в один міліграм підірве весь величезний корабель.

Але будемо оптимістами. Адже зустріч з такою часткою можлива раз в півтораста років. Авось проскочимо. Адже в основному-то пустота порожня! За сучасними даними, середня щільність міжзоряного пилової речовини в Галактиці близько 10 -10 грама в кубічному кілометрі - незначна. Але при швидкості в 260 тисяч кілометрів на секунду кожен квадратний метр лобовій поверхні зорельота за годину пройде близько 1800 кубічних кілометрів і зустріне при цьому напевно 0,00018 міліграма розпорошеного речовини. Якщо мікрометеоров масою в 1 міліграм випаровує 10 тонн заліза, то крихітка в дві тисячні частки міліграма вже два-то кілограми корпусу напевно зжере. І так щогодини. Невидима, майже невідчутна космічний пил буде, як наждаком, точити корпус зорельота такими темпами, що від усієї корисної маси в 100 тисяч тонн через п'ять з невеликим років не залишиться ні грама.

Але ж ми забули ще міжзоряний газ. Водню в просторі більше, ніж пилу. В середньому - один атом на один кубічний сантиметр.

Для зорельота з субсветовой швидкістю цей розріджений газ перетвориться в густий потік швидких частинок високої енергії. Б'ючись об корпус корабля, вони породять злива жорстких рентгенівського проміння, від яких сховатися можна буде тільки за товстезними бетонними стінами. Інакше наші астронавти загинуть, не встигнувши насолодитися незвичайними видами, які відкриються перед ними в ілюмінаторі корабля. А подивитися буде на що, ви в цьому переконаєтеся, прочитавши наступний розділ глави.

Однак щоб закінчити цей «життєрадісний» перелік несподіванок і перепон, які сміливим людям потрібно буде подолати, автор закликає бадьоро вигукнути в дусі Маргарити Алигер: «І все-таки я вірю! ..» Шкода тільки, що віра в науці те саме, що дрова в двигуні космічної ракети.

Хоча не виключено, що прийде час, і людство, якщо йому вдасться до цього часу дожити, вирветься до зірок. Але станеться це таким способом, до розуміння якого нам так само далеко сьогодні, як сучасникам Гиппарха було далеко до наших з вами міркувань.

5. Проблеми релятивістської астронавігації

Одним з найбільш гидких випробувань, яким піддається льотчик, а зараз космонавт, як це показують в кіно, є карусель. Ми, льотчики недавнього минулого, свого часу називали її «вертушкою» або «сепаратором». Тих, хто не проходив випробування на центрифузі, усували від польотів. Мудрий читач, звичайно, знає, що так тренується вестибулярний апарат. І хоча у представників повітряної спеціальності оно апарат, безумовно, відтренований, літати догори ногами або перекидатися у всіх мислимих ступенях свободи нікому задоволення не доставляє. Ми не говоримо вже про те, що направити перекидатися ракету точно в ціль - справа надзвичайно безнадійна.

Для запобігання неприємностей повітряні (і безповітряні) транспортні засоби забезпечуються обмежувачами свободи.

На кораблі «Восток», який виніс за межі повітряної оболонки Землі першої людини, стояв цілий комплекс оптико-гіроскопічних систем орієнтування. Гіроскоп задавав напрям однієї з осей; автомати, що займаються пошуком Сонця, повертали корабель щодо центра ваги і утримували його в заданому напрямку. Перший політ Ю. Гагаріна пройшов успішно.

Інакше було з автоматичної міжпланетної станцією «Венера-1». Станція тримала зв'язок із Землею за допомогою остронаправленной антени. Такі антени представляють собою параболоїди обертання різних діаметрів і посилають радіохвилі вузьким пучком. Підтримувати точний напрям допомагала складна система астроорієнтації. І ось приблизно в середині польоту радіозв'язок із станцією перервалася. В чому справа?

З'ясувати причину допомогла старовинна дружба, що зв'язує радянських астрономів і їх англійських колег. Англійці вже давно допомагають нам вести спостереження за нашими космічними літальними апаратами, користуючись унікальною апаратурою на обсерваторії Джодрелл Бенк. Так вийшло і цього разу. Після того як у всіх нас увірвався терпець разом з надіями знову почути голос «Венери-1», англійці все ще вперто чекали. І національна риса не підвела. Правда, плюс до англійського терпінню у них був і кращий в світі на той час радіотелескоп. Факт той, що англійські астрономи спіймали знову нашу станцію. Але зловили так короткочасно і побіжно, що стало ясно: вийшла з ладу система орієнтації і станцію мотає в різні боки.

Засоби астронавігації при міжпланетних перельотах - це чи не головне (поряд з трьомастами тисячами інших не менш головних деталей, складових начинку сучасної ракети). Відхилення від курсу на частки відсотка відведе навіть міжпланетний корабель далеко від цілі. А як буде почувати себе штурман зорельота, який набрав субсвітлові швидкість? Що, знову Ейнштейн? Ні, на цей раз ми хоч і скористаємося висновками спеціальної теорії відносності, але це буде стосуватися тієї її частини, яка була підготовлена \u200b\u200bраніше Лоренцем. Тут мова йде про перетворення Лоренца, що зв'язують координати і час нерухомої системи (х, у, z і t) з відповідними величинами для літаючого зорельота (х ', у', z 'і t'). Якщо направити вісь х по курсу корабля, то формули для перетворення візьмуть вигляд:

Через цих перетворень для спостерігача, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, звичні координати нерухомих зірок невпізнанно зміняться. Перед носом ракети зірки немов збіжаться, стовпів в купу по курсу зорельота, а за кормою, навпаки, далеко розійдуться один від одного.

За розрахунками професора С. М. Ритова, при швидкості в 260 тисяч кілометрів на секунду вся передня півсфера зоряного неба зміститься вперед і заповнить конус з кутом розчину всього в 30 градусів. І чим ближче буде швидкість до світлової, то тісніше будуть товпитися зірки перед носом корабля. Так, при досягненні швидкості, що дорівнює 0,95 С, передня півсфера стиснеться вже в конус з кутом розчину всього 18 градусів.

Але цього ще мало. Чи зміниться спектральний склад випромінювання зірок. Пам'ятайте ефект Доплера і наш експеримент з човном, що йде проти хвиль? Так ось, зірки, що розташувалися попереду по курсу зорельота, «поголубеют», а вони виявилися за кормою з тієї ж причини почнуть «червоніти». При цьому яскравість лежать попереду світил зросте, а що залишилися позаду - зменшиться.

Уявіть себе на хвилинку в положенні штурмана. Посивієш, їй-богу! А до штурмана - конструктору в пору повіситися.

Якщо і тепер впертий читач не зробив для себе певні висновки, до яких його дбайливо вів автор, то останньому залишається тільки широко розвести руками. Йому, автору, самому до смерті б хотілося полетіти. Бажання-то у нього є. Але от щодо можливостей ... Ні, ми почали нашу останню главу широким заголовком: «Політ до зірок ...» і поставили три крапки. Прийшла пора зняти точки, написати слово НЕМОЖЛИВИЙ і закрити лапки.

А як же фантастика? ..

По-перше, автор повинен заявити з усією відповідальністю, що особисто він фантастику любить! Чи не менше любить він і пригодницьку літературу і навіть, соромно зізнатися, детектив. Свідчення цього не тільки його власні розповіді, але навіть ця книга, яку він з усіх сил намагався будувати по детективним канонам: «Ось-ось відкриється остаточна істина ... Але ж ні! .. І знову чергові гіпотези, гонитва за доказами, помилки і рух вперед ».

Автор вже багато раз виправдовувався в тому, що він далекий від думки піддавати сумнівам основні принципи і принципові можливості. Йому тільки хотілося б застерегти читача від занадто поспішного «інженерного» підходу до вирішення деяких «фотонних» проблем, а з іншого боку - від надмірної гарячності в вигуках: «Вірую!» Правда, а як же бути все-таки з літературою?

Але ж і тисячу років тому існували казки про вогнедишних драконах і літаючих колісницях. Думаєте, в них так вже й вірили? Навряд чи. Але від цього казки не ставали менш цікавими. Пам'ятайте: «Казка - брехня, та в ній натяк, добрим молодцям урок»?

12 квітня 2016 року знаменитий британський фізик Стівен Хокінг і російський бізнесмен і меценат Юрій Мільнер оголосили про виділення $ 100 млн на фінансування проекту Breakthrough Starshot. Метою проекту стала розробка технологій для створення космічних апаратів, здатних зробити міжзоряний політ до Альфи Центавра.

У тисячах фантастичних романів описані гігантські фотонні зорельоти розміром з невеликий (або великий) місто, що йдуть в міжзоряний політ з орбіти нашої планети (рідше - з поверхні Землі). Але, за задумом авторів проекту Breakthrough Starshot, Все буде відбуватися зовсім не так: в один знаменний день дві тисячі якогось року до однієї з найближчих зірок, альфі Центавра, стартує не один і не два, а відразу сотні і тисячі маленьких звездолетіков розміром з ніготь і масою в 1 м і у кожного з них буде найтонший сонячне вітрило площею в 16 м 2, який і понесе зореліт з дедалі більшою швидкістю вперед - до зірок.

«Постріл до зірок»

основою проекту Breakthrough Starshot стала стаття професора фізики Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі Філіпа Любина «План для міжзоряних польотів» ( A Roadmap to Interstellar Flight). Основна заявлена \u200b\u200bмета проекту полягає в тому, щоб зробити міжзоряні польоти можливими вже за життя наступного покоління людей, тобто не через століття, а через десятиліття.

Відразу після офіційного анонса програми Starshot на авторів проекту обрушилася хвиля критики з боку вчених і технічних фахівців у різних областях. Критично налаштовані експерти відзначали численні некоректні оцінки і просто «білі плями» в плані програми. Деякі зауваження були взяті до уваги, і план польоту був кілька скоректований в першій ітерації.

Отже, міжзоряний зонд буде являти собою космічний вітрильник з електронним модулем StarChip масою 1 г, сполученим надміцним стропами з сонячним вітрилом площею 16 м 2, товщиною 100 нм і масою 1 м Звичайно, світла нашого Сонця недостатньо, щоб розігнати навіть настільки легку конструкцію до швидкостей, при яких міжзоряні подорожі не будуть тривати тисячоліттями. Тому головна родзинка проекту StarShot - це розгін за допомогою потужного лазерного випромінювання, яке фокусується на вітрилі. За оцінками Любина, при потужності лазерного променя 50-100 ГВт прискорення складе близько 30 000 g, і за кілька хвилин зонд досягне швидкості в 20% швидкості світла. Політ до Альфи Центавра триватиме близько 20 років.

Питання без відповідей: хвиля критики

Філіп Любін в своїй статті наводить чисельні оцінки пунктів плану, однак багато вчених і фахівці відносяться до цих даних досить критично.

Звичайно, для опрацювання такого амбіційного проекту, як Breakthrough Starshot, Потрібні роки роботи, та й $ 100 млн - не така вже й велика сума для роботи подібного масштабу. Особливо це стосується наземної інфраструктури - фазированной решітки лазерних випромінювачів. Установка такої потужності (50-100 ГВт) зажадає гігантської кількості енергії, тобто поряд потрібно буде побудувати як мінімум десяток великих електростанцій. Крім цього, потрібно відводити від випромінювачів величезна кількість тепла протягом декількох хвилин, і як це робити - поки що зовсім неясно. Таких питань без відповідей в проекті Breakthrough Starshot величезна кількість, однак поки що робота тільки розпочалася.

«До наукової ради нашого проекту входять провідні фахівці, вчені та інженери в різних релевантних областях, включаючи двох нобелівських лауреатів, - каже Юрій Мільнер. - І я чув дуже збалансовані оцінки реалізованості цього проекту. При цьому ми, безумовно, розраховуємо на сукупну експертизу всіх членів нашого наукового ради, але в той же час відкриті для більш широкої наукової дискусії ».

Під зоряними вітрилами

Одна з ключових деталей проекту - це сонячне вітрило. У вихідному варіанті площа вітрила спочатку становила всього 1 м 2, і через це він міг не витримати нагрівання при розгоні в поле лазерного випромінювання. Новий варіант використовує парус площею 16 м 2, так що тепловий режим буде хоча і досить жорстким, але, за попередніми оцінками, не повинен розплавити або зруйнувати вітрило. Як пише сам Філіп Любін, в якості основи для вітрила планується використовувати не металізовані покриття, а повністю діелектричні багатошарові дзеркала: «Такі матеріали характеризуються помірним коефіцієнтом відображення і надзвичайно низьким поглинанням. Скажімо, оптичне скло для волоконної оптики розраховані на великі світлові потоки і мають поглинання близько двадцяти трильйонних на 1 мкм товщини ». Домогтися гарного коефіцієнта відбиття від діелектрика при товщині вітрила в 100 нм, а це багато менше довжини хвилі, непросто. Але автори проекту покладають деякі надії на використання нових підходів, таких як моношарів метаматериала з негативним показником заломлення.

сонячне вітрило

Один з головних елементів проекту - сонячне вітрило площею в 16 м 2 і масою всього 1 м Як матеріал вітрила розглядаються багатошарові діелектричні дзеркала, що відображають 99,999% падаючого світла (за попередніми розрахунками цього повинно вистачити, щоб вітрило не розплавиться в поле випромінювання 100- ГВт лазера). Більш перспективний підхід, що дозволяє зробити товщину вітрила меншої довжини хвилі відбитого світла, - це використання в якості основи вітрила моношару метаматериала з негативним показником заломлення (такий матеріал до того ж має наноперфорація, що ще зменшує його масу). Другий варіант - це використання матеріалу не з високим коефіцієнтом відображення, а з низьким коефіцієнтом поглинання (10 -9), такого, як оптичні матеріали для світловодів.

«Крім того, потрібно враховувати, що відображення від діелектричних дзеркал налаштовується на вузький діапазон довжин хвиль, а в міру прискорення зонда ефект Доплера зрушує довжину хвилі більш ніж на 20%, - говорить Любін. - Ми це враховували, тому відбивач буде налаштований приблизно на двадцятивідсоткову ширину смуги випромінювання. Ми спроектували такі відбивачі. Якщо необхідно, доступні і відбивачі з більшою шириною смуги ».

Лазерна установка

Основна силова установка зорельота не полетить до зірок - вона буде розташована на Землі. Це наземна фазіруемая решітка лазерних випромінювачів розміром 1 × 1 км. Сумарна потужність лазерів повинна становити від 50 до 100 ГВт (це еквівалентно потужності 10-20 Красноярські ГЕС). Передбачається за допомогою фазирования (тобто зміни фаз на кожному окремому випромінювачі) сфокусувати випромінювання з довжиною хвилі 1,06 мкм з усією решітки в пляма діаметром кілька метрів на відстанях аж до багатьох мільйонів кілометрів (гранична точність фокусування 10 -9 радіана). Але такий фокусуванні сильно заважає турбулентна атмосфера, розмиває промінь в пляма розміром приблизно в кутову секунду (10 -5 радіана). Покращення на чотири порядки передбачається досягти за допомогою адаптивної оптики (АТ), яка буде компенсувати атмосферні спотворення. Кращі системи адаптивної оптики в сучасних телескопах зменшують розмиття до 30 кутових мілісекунд, тобто до наміченої мети залишається ще приблизно два з половиною порядку. «Щоб перемогти дрібномасштабними атмосферну турбулентність, фазіруемая решітка повинна бути розбита на дуже дрібні елементи, розмір випромінюючого елемента для нашої довжини хвилі має становити не більше 20-25 см, - пояснює Філіп Любін. - Це мінімум 20 млн випромінювачів, але таку кількість мене не лякає. Для зворотного зв'язку в системі АТ ми плануємо використовувати багато опорних джерел - бакенами - і на зонді, і на материнському кораблі, і в атмосфері. Крім того, ми будемо відстежувати зонд на шляху до мети. Ми також хочемо використовувати зірки як бакен для настройки фазирования решітки при прийомі сигналу від зонда після прибуття, але для надійності будемо відстежувати зонд ».

прибуття

Але ось зонд прибув в систему альфи Центавра, сфотографував околиці системи і планети (якщо вони є). Цю інформацію потрібно якимось чином передати на Землю, причому потужність лазерного передавача зонда обмежена одиницями ват. А через п'ять років цей слабкий сигнал потрібно прийняти на Землі, виділивши з фонового випромінювання зірки. За задумом авторів проекту, у мети зонд маневрує таким чином, що вітрило перетворюється в лінзу Френеля, фокусуючу сигнал зонда в напрямку Землі. Згідно з оцінками, ідеальна лінза при ідеальної фокусуванні і ідеальної орієнтації підсилює сигнал потужністю 1 Вт до 10 13 Вт в ізотропному еквіваленті. Але як розглянути цей сигнал на тлі набагато більш потужного (на 13-14 порядків!) Випромінювання зірки? «Світло від зірки насправді досить слабкий, оскільки ширина лінії нашого лазера дуже мала. Вузька лінія - ключовий фактор у скороченні фону, - каже Любін. - Ідея зробити з вітрила лінзу Френеля на основі тонкоплівкового дифракційного елемента досить складна і вимагає великої попередньої роботи, щоб зрозуміти, як саме краще зробити це. Цей пункт насправді - один з головних в нашому плані проекту ».

Міжзоряний політ - питання не століть, а десятиліть

Юрій Мільнер ,
російський бізнесмен і меценат,
засновник фонду Breakthrough Initiatives:

За останні 15 років відбулися істотні, можна сказати, революційні просування по трьом технологічним напрямками: мініатюризація електронних компонентів, створення нового покоління матеріалів, також здешевлення і збільшення потужності лазерів. Поєднання цих трьох тенденцій призводить до теоретичної можливості розігнати наносупутник до майже релятивістських швидкостей. На першому етапі (5-10 років) ми плануємо провести більш поглиблене науково-інженерне дослідження, щоб зрозуміти, наскільки цей проект реалізуємо. На сайті проекту є список з приблизно 20 серйозних технічних проблем, без вирішення яких ми не зможемо йти далі. Це не остаточний список, але, спираючись на думку наукової ради, ми вважаємо, що перший етап проекту має достатню мотивацію. Я знаю, що проект зоряного вітрила піддається серйозній критиці з боку фахівців, але думаю, що позиція деяких критично налаштованих експертів пов'язана з не зовсім точним розумінням того, що ж ми реально пропонуємо. Ми фінансуємо не поле до іншої зірки, а цілком реалістичні багатоцільові розробки, пов'язані з ідеєю міжзоряного зонда лише загальним напрямком. Ці технології знайдуть застосування і для польотів в Сонячній системі, і для захисту від небезпечних астероїдів. Але постановка такої амбітної стратегічної мети, як міжзоряний політ, видається виправданою в тому сенсі, що розвиток технологій за останні 10-20 років, ймовірно, робить реалізацію подібного проекту питанням не століть, як багато хто припускав, а скоріше - десятиліть.

З іншого боку, фазированная решітка оптичних випромінювачів / приймачів випромінювання загальною апертурою в кілометр - це інструмент, здатний бачити екзопланети з відстані десятків парсек. Використовуючи приймачі з перебудовується довжиною хвилі, можна визначити склад атмосфери екзопланет. Чи потрібні взагалі в такому випадку зонди? «Звичайно, використання фазіруемой решітки як дуже великого телескопа відкриває нові можливості в астрономії. Але, - додає Любін, - ми плануємо додати до зонду інфрачервоний спектрометр як тривалішої програми на додаток до камери і іншим датчикам. У нас відмінна група фотоніки в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі, яка є частиною колаборації ».

Але в будь-якому випадку, за словами Любина, перші польоти будуть відбуватися в межах Сонячної системи: «Оскільки ми можемо посилати величезну кількість зондів, це дає нам багато різних можливостей. Ми також можемо посилати подібні маленькі ( wafer-scale, Тобто на чіпі) зонди на звичайних ракетах і використовувати ті ж технології для вивчення Землі або планет і їх супутників в Сонячній системі ».

Редакція дякує газету «Троїцький варіант - наука» і її головного редактора Бориса Штерна за допомогу в підготовці статті.

Зараз міжзоряні подорожі і колонізація здаються вельми малоймовірними. Основні закони фізики просто не дозволяють цьому здійснитися, і багато людей навіть не замислюються про це як про неможливе. Інші ж шукають способи зламати закони фізики (або хоча б знайти обхідний шлях), який дозволить нам подорожувати до далеких зірок і досліджувати чудові нові світи.

Все, що називають «варп-двигуном», відсилає нас швидше до «Зоряному шляху», ніж до NASA. Ідея варп-двигуна Алькубьерре в тому, що він може бути можливим рішенням (або хоча б початком його пошуку) завдання подолання обмежень всесвіту, які вона накладає на подорожі швидше за швидкість світла.

Основи цієї ідеї досить прості, і NASA використовує приклад бігової доріжки для її пояснення. Хоча людина може рухатися з кінцевою швидкістю на біговій доріжці, спільна швидкість людини і доріжки означає, що кінець буде ближче, ніж міг бути в разі руху по звичайній доріжці. Бігова доріжка - це як раз, що рухається по простору-часу в свого роду міхурі розширення. Перед варп-двигуном простір-час стискається. Позаду нього розширюється. У теорії це дозволяє двигуну переміщати пасажирів швидше за швидкість світла. Один з ключових принципів, пов'язаний з розширенням простору-часу, як вважають, дозволив Всесвіту швидко розширитися миті після Великого Вибуху. У теорії ідея повинна бути цілком здійсненною.

Жахливо, коли на Землі немає Інтернету і ви не можете довантажити Google Maps на своєму смартфоні. Під час міжзоряних перельотів без нього буде ще гірше. Вийти в космос - це тільки перший крок, вчені вже зараз починають замислюватися, що робити, коли нашим пілотованим і безпілотним зондам потрібно передавати повідомлення назад на Землю.

У 2008 році NASA провело перші успішні випробування міжзоряного версії Інтернету. Проект був запущений ще в 1998 році в рамках партнерства між Лабораторією реактивного руху NASA (JPL) і Google. Через десять років у партнерів з'явилася система Disruption-Tolerant Networking (DTN), яка дозволяє відправляти зображення на космічний апарат за 30 мільйонів кілометрів.

Технологія повинна бути в змозі справлятися з великими затримками і перебоями в передачах, тому може продовжувати передачу, навіть якщо сигнал переривається на 20 хвилин. Він може проходити крізь, між або через все, від сонячних спалахів і сонячних бур до набридливих планет, які можуть виявитися на шляху передачі даних, без втрати інформації.

Як говорить Гвинт Серф, один із засновників нашого земного Інтернету і піонер міжзоряного, система DTN долає всі проблеми, якими хворіє традиційний протокол TCIP / IP, коли йому потрібно працювати з великими відстанями, в космічних масштабах. З TCIP / IP пошук в Google на Марсі займе так багато часу, що результати зміняться, поки запит буде оброблятися, а на виході інформація буде частково втрачена. З DTN інженери додали щось зовсім новеньке - можливість призначати різні доменні імена різних планет і вибирати, на якій планеті ви хочете здійснити пошук в Інтернеті.

Що щодо подорожі до планет, з якими ми поки не знайомі? Scientific American передбачає, що може бути спосіб, хоча і дуже дорогий і трудомісткий, провести інтернет до Альфі Центавра. Запустивши серію самовідтворюються зондів фон Неймана, можна створити довгу серію ретрансляційних станцій, які можуть відправляти інформацію по міжзоряного ланцюга. Сигнал, народжений в нашій системі, пройде по зондам і досягне Альфи Центавра, і навпаки. Правда, потрібно багато зондів, на будівництво і запуск яких підуть мільярди. Та й взагалі, з огляду на те, що найдальшого зонду доведеться долати свій шлях тисячі років, можна припустити, що за цей час зміняться не тільки технології, але і загальна вартість заходу. Не будемо поспішати.

Ембріональна колонізація космосу

Одна з найбільших проблем міжзоряних подорожей - і колонізації в цілому - полягає в кількості часу, який необхідний, щоб кудись дістатися, навіть маючи в рукаві якісь варп-двигуни. Сама завдання доставити групу поселенців в пункт призначення породжує масу проблем, тому народжуються пропозиції відправити не групу колоністів з повністю укомплектованим екіпажем, а скоріше корабель, набитий ембріонами - насінням майбутнього людства. Як тільки корабель досягає потрібного відстані до пункту призначення, заморожені ембріони починають рости. Потім з них виходять діти, які ростуть на кораблі, і коли вони нарешті досягають пункту призначення, у них є всі можливості зачати нову цивілізацію.

Очевидно, все це, в свою чергу, піднімає величезний оберемок питань, на кшталт того, хто і як буде здійснювати вирощування ембріонів. Роботи могли б виховати людей, але якими будуть люди, яких виростили роботи? Чи зможуть роботи зрозуміти, що потрібно дитині, щоб рости і процвітати? Чи зможуть зрозуміти покарання і заохочення, людські емоції? Та й взагалі, ще належить з'ясувати, як зберігати заморожені ембріони в цілості сотні років і як вирощувати їх в штучному середовищі.

Одним із запропонованих рішень, яке може вирішити проблеми робота-няньки, може стати створення комбінації з корабля з ембріонами і корабля з анабіозом, в якому сплять дорослі, готові прокинутися, коли їм доведеться ростити дітей. Череда років виховання дітей разом з поверненням до стану сплячки може, в теорії, привести до стабільної популяції. Ретельно створена партія ембріонів може забезпечити генетичну різноманітність, яке дозволить підтримувати популяцію в більш-менш стійкому стані після встановлення колонії. В корабель з ембріонами можна включити також додаткову партію, яка дозволить в подальшому ще більше урізноманітнити генетичний фонд.

Зонди фон Неймана

Все, що ми будуємо і відправляємо в космос, неминуче стикається з власними проблемами, і зробити щось, що проїде мільйони кілометрів і не згорить, не розвалиться і не згасне, здається абсолютно неможливим завданням. Втім, рішення цього завдання, можливо, було знайдено десятки років назад. У 1940-х роках фізик Джон фон Нейман запропонував механічну технологію, яка буде відтворюватися, і хоча до міжзоряних подорожей його ідея не мала ніякого відношення, все неминуче до цього прийшло. В результаті зонди фон Неймана можна було б використовувати, в теорії, для дослідження величезних міжзоряних територій. На думку деяких дослідників, ідея про те, що все це прийшло нам в голову першим, не тільки помпезна, але і малоймовірна.

Вчені з Університету Единбурга опублікували роботу в International Journal of Astrobiology, в якій досліджували не тільки можливість створення такої технології для власних потреб, а й імовірність того, що хтось уже це зробив. Грунтуючись на попередніх розрахунках, які показували, наскільки далеко може забратися апарат, використовуючи різні способи пересування, вчені вивчили, як це рівняння зміниться, якщо його застосувати до самовідтворюються апаратів і зондам.

Розрахунки вчених будувалися навколо самовідтворюються зондів, які могли б використовувати сміття та інші матеріали космосу для будівництва молодших зондів. Батьківські і дочірні зонди множилися б так швидко, що покрили б всю галактику всього за 10 мільйонів років - і це за умови, якщо б вони рухалися на 10% швидкості світла. Втім, це означало б, що в певний момент нас повинні були відвідувати якісь подібні зонди. Оскільки ми їх не бачили, можна підібрати зручне пояснення: або ми недостатньо технологічно розвинені, щоб знати, де шукати, або.

Рогатка з чорною дірою

Ідея використання гравітації планети або місяця для пострілу, як з рогатки, бралася на озброєння в нашій Сонячній системі не раз і не два, перш за все «Вояджером-2», який отримав додатковий поштовх спочатку від Сатурна, а потім від Урана на шляху з системи . Ідея передбачає маневрування корабля, яке дозволить йому збільшити (або зменшити) швидкість у міру руху через гравітаційне поле планети. Особливо цю ідею люблять письменники-фантасти.

Письменник Кіп Торн висунув ідею: такий маневр може допомогти апарату вирішити одну з найбільших проблем міжзоряних подорожей - споживання палива. І запропонував більш ризикований маневр: розгін за допомогою бінарних чорних дір. Хвилинне спалювання палива знадобиться, щоб пройти критичну орбіту від однієї чорної діри до іншої. Проробивши кілька обертів навколо чорних дір, апарат набере швидкість, близьку до швидкості світла. Залишиться тільки добре прицілитися і активувати ракетну тягу, щоб прокласти собі курс до зірок.

Малоймовірно? Так. Дивно? Безперечно. Торн підкреслює, що є безліч проблем у такої ідеї, наприклад, точні розрахунки траєкторій і часу, які не дозволять відправити апарат прямо в найближчу планету, зірку або інше тіло. Також виникають питання про повернення додому, але якщо вже ви зважитеся на такий маневр, повертатися ви точно не плануєте.

Прецедент для такої ідеї вже утворився. У 2000 році астрономи виявили 13 наднових, що летять по галактиці з неймовірною швидкістю в 9 мільйонів кілометрів на годину. Вчені Університету Іллінойсу в Урбана-Шампань з'ясували, що ці норовливі зірки були викинуті з галактики парою чорних дір, які опинилися замкнуті в пару в процесі руйнування і злиття двох окремих галактик.

Starseed Launcher

Коли справа доходить до запуску навіть самовідтворюються зондів, виникає проблема споживання палива. Це не зупиняє людей від пошуку нових ідей того, як запускати зонди на міжзоряні відстані. Цей процес зажадав би мегатонни енергії, використовуй ми технології, які у нас є сьогодні.

Форрест Бішоп з Інституту атомної інженерії заявив, що створив метод запуску міжзоряних зондів, який зажадає кількості енергії, приблизно еквівалентній енергії автомобільної батареї. Теоретичний Starseed Launcher буде приблизно 1000 кілометрів в довжину і складатися в основному з дроту і проводів. Незважаючи на свою довжину, вся ця штуковина могла б вміститися в одному вантажному судні і зарядитися від 10-вольтової батарейки.

Частина плану включає запуск зондів, які трохи більше мікрограма по масі і містять лише основну інформацію, необхідну для подальшого будівництва зондів в космосі. За ряд запусків можна запустити мільярди таких зондів. Основна суть плану в тому, що самовідтворюються зонди зможуть об'єднатися один з одним після запуску. Сам пусковий механізм буде обладнаний сверхпроводящими котушками магнітної левітації, що створюють зворотну силу, що забезпечує тягу. Бішоп каже, що деякі деталі плану вимагають опрацювання, начебто протидії зондами міжзоряного радіації і сміття, але в цілому можна починати будувати.

Особливі рослини для космічного життя

Як тільки ми кудись зберемося, нам знадобляться способи вирощування їжі і регенерації кисню. Фізик Фрімен Дайсон запропонував кілька цікавих ідей на тему того, як це можна було б здійснити.

У 1972 році Дайсон читав свою знамениту лекцію в лондонському коледжі Біркбек. Тоді ж він припустив, що за допомогою деяких генетичних маніпуляцій можна було б створити дерева, які зможуть не тільки рости, але і процвітати на непривітною поверхні, комети, наприклад. Перепрограмуйте дерево відображати ультрафіолетове світло і ефективніше зберігати воду, і дерево не тільки пустить коріння і буде рости, але і досягне немислимих за земними мірками розмірів. В одному з інтерв'ю Дайсон припустив, що в майбутньому, можливо, з'являться чорні дерева, як в космосі, так і на Землі. Дерева на основі кремнію були б більш ефективні, а ефективність - це ключ до тривалого існування. Дійсно підкреслює, що цей процес буде не хвилинним - можливо, років через двісті ми нарешті з'ясуємо, як змусити дерева рости в космосі.

Ідея Дайсона не так вже й безглузда. Інститут передових концепцій NASA - це цілий відділ, завдання якого вирішувати проблеми майбутнього, і серед них завдання вирощувати стабільні рослини на поверхні Марса. Навіть тепличні рослини на Марсі будуть рости в надзвичайних умовах, і вчені перебирають різні варіанти, Намагаючись поєднати рослини з Екстремофіли, крихітними мікроскопічними організмами, які виживають в найжорстокіших умовах на Землі. Від високогірних томатів, які володіють вбудованим опором до ультрафіолетового світла, до бактерій, які виживають в найхолодніших, гарячих і глибоких куточках земної кулі, ми, можливо, одного разу зберемо по частинах марсіанський сад. Залишилося тільки з'ясувати, як зібрати всі ці цеглинки разом.

Локальна утилізація ресурсів

Життя у відриві від землі може бути новомодної тенденцією на Землі, але коли справа доходить до місячних місій в космосі, це стає необхідним. В даний час NASA займається, окрім іншого, вивченням питання локальної утилізації ресурсів (ISRU). На космічному кораблі не так багато місця, і створення систем для використання матеріалів, виявлених в космосі і на інших планетах, буде необхідно для будь-якої довгострокової колонізації або поїздок, особливо коли пунктом призначення стане місце, куди буде вельми непросто доставити вантаж постачання, паливо, їжу та інше. Перші спроби демонстрації можливостей використання локальних ресурсів були зроблені на схилах гавайських вулканів і в ході полярних місій. У список завдань входять такі пункти, як видобуток паливних компонентів з попелу і іншої доступної в природі місцевості.

У серпні 2014 року NASA зробило потужний заяву, показавши нові іграшки, які відправляться на Марс з наступним марсоходом, запуск якого відбудеться в 2020 році. Серед інструментів в арсеналі нового марсохода є MOXIE, експеримент по локальній утилізації ресурсів у вигляді марсіанського кисню. MOXIE буде забирати непридатну для дихання атмосферу Марса (на 96% складається з діоксиду вуглецю) і розділяти її на кисень і монооксид вуглецю. Апарат зможе виробляти 22 грама кисню за кожну годину роботи. NASA також сподівається, що MOXIE буде в силах продемонструвати дещо ще - постійну роботу без зниження продуктивності або ефективності. MOXIE може не тільки стати важливим кроком в напрямку довгострокових позаземних місій, але і прокласти шлях безлічі потенційних перетворювачів шкідливих газів в корисні.

2suit

Відтворення в космосі може стати проблемним на самих різних рівнях, особливо в умовах мікрогравітації. У 2009 році японські експерименти на ембріонах мишей показали, що навіть якщо запліднення відбувається в умовах ненульовий гравітації, ембріони, які розвиваються за межами звичного тяжіння Землі (або його еквівалента), не розвиваються нормально. Коли клітини повинні ділитися і виконувати спеціальні дії, виникають проблеми. Це не означає, що запліднення не відбувається: ембріони мишей, зачаті в космосі і впроваджені в земних самок мишей, успішно виросли і були народжені без проблем.

Це також піднімає інше питання: як саме виробництво дітей працює в умовах мікрогравітації? Закони фізики, особливо той факт, що у кожної дії є рівна протидія, роблять його механіку трохи безглуздою. Ванна Бонт, письменник, актриса і винахідник, вирішила серйозно зайнятися цим питанням.

І створила 2suit: костюм, в якому дві людини можуть сховатися і зайнятися виробництвом діточок. Його навіть перевірили. У 2008 році 2suit був випробував на так званій Vomit Comet (літаку, який здійснює круті віражі і створює хвилинні умови невагомості). Хоча Бонт передбачає, що медові місяці в космосі можуть стати реальними завдяки її винаходу, у костюма є і більш практичні застосування, на зразок збереження тепла тіла в надзвичайній ситуації.

проект Longshot

Проект Longshot був складений групою Військово-морської академії США і NASA в рамках спільної роботи в кінці 1980-х. Кінцева мета плану полягала в запуску дечого на рубежі 21 століття, а саме безпілотного зонда, який відправиться до Альфі Центавра. Йому треба було б 100 років, щоб досягти своєї мети. Але перш ніж він буде запущений, йому будуть потрібні деякі ключові компоненти, які теж належить розробити.

Крім комунікаційних лазерів, довговічних реакторів ядерного ділення і ракетного двигуна на інерційному лазерному синтезі, були і інші елементи. Зонд повинен був отримати незалежне мислення і функції, оскільки було б практично неможливо підтримувати зв'язок на міжзоряних відстанях досить швидко, щоб інформація залишалася релевантною після досягнення пункту прийому. Також все повинно було бути неймовірно міцним, оскільки зонд досягне пункту призначення через 100 років.

Longshot збиралися відправити до Альфі Центавра з різними завданнями. В основному він повинен був зібрати астрономічні дані, які дозволили б точно розрахувати відстані до мільярдів, якщо не трильйонів, інших зірок. Але якщо ядерний реактор, що живить апарат, вичерпається, місія теж зупиниться. Longshot був вельми амбітним планом, який так і не зрушився з мертвої точки.

Але це не означає, що ідея померла в зародку. У 2013 році проект Longshot II буквально відірвався від землі у вигляді студентського проекту Icarus Interstellar. З моменту появи оригінальної програми Longshot пройшли десятиліття технологічних досягнень, їх можна застосувати до нової версії, і програма в цілому отримала капітальний ремонт. Були переглянуті витрати на паливо, термін місії був урізаний вдвічі і весь дизайн Longshot був переглянутий від голови до п'ят.

Остаточний проект стане цікавим показником того, як нерозв'язна проблема змінюється з додаванням нових технологій та інформації. Закони фізики залишаються колишніми, але 25 років по тому у Longshot з'явилася можливість знайти друге дихання і показати нам, яким має бути міжзоряний подорож майбутнього.

За матеріалами listverse.com

У процесі верстки виправлені регістри чисел і помилки в формулах. Наведено в читається вигляд таблиці.
Іван Олександрович Корзніков
Реальності міжзоряних польотів

Люди вже давно мріють про польоти через космічний простір до інших зірок, про подорожі по інших світів і зустрічах з неземним розумом. Фантасти обписали гори паперу, намагаючись уявити, як це буде відбуватися, вони вигадали різноманітну техніку, здатну здійснити ці мрії. Але поки це тільки фантазії. Спробуємо уявити, як такий політ може виглядати в реальності.
Відстані між зірками такі великі, що світло від однієї зірки до іншої поширюється роками, а він рухається з дуже великою швидкістю з =299 793 458 м / с. Для вимірювання цих відстаней астрономи використовують спеціальну одиницю - світловий рік, вона дорівнює відстані яке проходить світло за 1 рік: 1 св. рік \u003d 9.46 × 10 15 метрів (це приблизно в 600 раз більше розмірів сонячної системи). Астрономи підрахували, що в сфері радіусом 21.2 світлових років кругом Сонця є 100 зірок, що входять в 72 зоряні системи (подвійні, потрійні і т.д. системи близьких зірок). Звідси легко знайти, що на одну зоряну систему в середньому припадає обсяг простору 539 кубічних світлових років, а середня відстань між зоряними системами становить приблизно 8.13 світлових років. Реальне відстань може бути і менше - так, до найближчої до Сонця зірки Проксима Центавра 4.35 св. л, але в будь-якому випадку міжзоряний переліт є подолання відстані принаймні в кілька світлових років. А це означає, що швидкість зорельота повинна бути не менше, ніж 0.1 с - тоді переліт займе кілька десятків років і може бути здійснений одним поколінням астронавтів.
Таким чином, швидкість зорельота повинна бути більше 30 000 км / с. Для земної техніки це поки недосяжна величина - ми ледве опанували швидкості в тисячу разів менше. Але припустимо, що всі технічні проблеми вирішені, і наш зореліт має двигун (фотонний або будь-якою іншою), здатний розігнати космічний корабель до таких швидкостей. Нас не цікавлять деталі його будови і функціонування, для нас тут важливо тільки одна обставина: сучасна наука знає тільки один спосіб розгону в космічному просторі - реактивний рух, Яке засноване на виконанні закону збереження імпульсу системи тіл. І важливо тут те, що при такому русі зореліт (і будь-яке інше тіло) саме переміщається в просторі, фізично взаємодіючи з усім, що в ньому знаходиться.
Фантасти в своїх фантазіях придумали різноманітні "гіперпросторові скачки" і "субпространственних переходи" від однієї точки простору до іншої, минаючи проміжні області простору, але все це, за нинішніми уявленнями сучасної науки, не має жодних шансів на здійснення в реальності. Сучасна наука твердо встановила, що в природі виконуються певні закони збереження: закон збереження імпульсу, енергії, заряду і т. Д. А при "гіперпросторового стрибку" виходить, що в деякій області простору енергія, імпульс і заряди фізичного тіла просто зникають, тобто ці закони не виконуються. З точки зору сучасної науки це означає, що такий процес не може бути здійснений. Та й головне - незрозуміло, що це взагалі таке, це "гіперпростір" або "субпростір", потрапивши в яке, фізичне тіло перестає взаємодіяти з тілами в реальному просторі. У реальному світі існує лише те, що себе проявляє у взаємодії з іншими тілами (власне, простір і є ставлення існуючих тел), і це значить, що таке тіло фактично перестане існувати - з усіма наслідками, що випливають. Так що все це - безплідні фантазії, які не можуть бути предметом серйозного обговорення.
Отже, припустимо, що наявний реактивний двигун розігнав зореліт до необхідної нам субсветовой швидкості, і він з цією швидкістю переміщається в космічному просторі від однієї зірки до іншої. Деякі аспекти такого польоту вже давно обговорюються вченими (,), але вони розглядають в основному різні релятивістські ефекти такого руху, не звертаючи уваги на інші суттєві аспекти міжзоряного польоту. А реальність така, що космічний простір - не абсолютна порожнеча, воно являє собою фізичне середовище, яку прийнято називати міжзоряним середовищем. У ній є атоми, молекули, пилинки та інші фізичні тіла. І з усіма цими тілами зорельота доведеться фізично взаємодіяти, що при русі з такими швидкостями перетворюється в проблему. Розглянемо цю проблему докладніше.
Астрономи, спостерігаючи радіовипромінювання з космічного середовища та проходження через неї світла знайшли, що в космічному просторі є атоми і молекули газів: в основному це атоми водню Н , Молекули водню Н 2 (Їх за кількістю приблизно стільки ж, як і атомів Н ), Атоми гелію Чи не (Їх в 6 разів менше, ніж атомів Н ), І атоми інших елементів (найбільше вуглецю С, кисню Про і азоту N ), Які в сумі складають близько 1 % Всіх атомів. Виявлено навіть такі складні молекули, як СО 2, СН 4, НСN, Н 2 О, NH 3, НСООН та інші, але в мізерних кількостях (їх в мільярди разів менше, ніж атомів Н ). Концентрація міжзоряного газу дуже мала і становить (далеко від газопилових хмар) в середньому 0,5-0,7 атомів на 1 см 3.
Зрозуміло, що при русі зорельота в такому середовищі цей міжзоряний газ буде чинити опір, гальмуючи зореліт і руйнуючи його оболонки. Тому було запропоновано звернути шкоду на користь і створити прямоточний реактивний двигун, який, збираючи міжзоряний газ (а він на 94 % Складається з водню) і анігілюючи його з запасами антиречовини на борту, отримував би таким чином енергію для руху зорельота. За проектом авторів попереду зорельота повинен знаходитися іонізуючий джерело (створює електронний або фотонний промінь, іонізуючий налітають атоми) і магнітна котушка, фокусуються отримані протони до осі зорельота, де вони використовуються для створення фотонів реактивного струменя.
На жаль, при детальному розгляді виявляється, що цей проект неможливий. Перш за все, іонізуючий промінь не може бути електронним (як наполягають автори) по тій простій причині, що зореліт, що випускає електрони, сам буде заряджатися позитивним зарядом, і рано чи пізно поля, створювані цим зарядом, перешкоджатиме роботі систем зорельота. Якщо ж використовувати фотонний промінь, то тоді (втім, як і для електронного променя) справа впирається в маленьке перетин фотоионизации атомів. Проблема в тому, що ймовірність іонізації атома фотоном дуже мала (тому повітря не іонізується потужними променями лазерів). Кількісно вона виражається перетином іонізації, яке чисельно дорівнює відношенню числа іонізованих атомів до щільності потоку фотонів (числу налетіли фотонів на 1 см 2 за секунду). Фотоіонізація атомів водню починається при енергії фотонів 13.6 електронвольт \u003d 2.18 · 10 -18 Дж (довжина хвилі 91.2 нм), і при цьому енергії перетин фотоионизации максимально і Один 6.3 · 10 -18 см 2 (, стр.410). Це означає, що для іонізації одного атома водню потрібно в середньому 1.6 × 10 17 фотонів на см2 за секунду. Тому потужність такого іонізуючого променя повинна бути гігантської: якщо зореліт рухається зі швидкістю v то за 1 секунду на 1 см 2 його поверхні налітає rv зустрічних атомів, де r - концентрація атомів, що в нашому випадку околосветовой руху складе величину порядку rv\u003d 0.7 · 3 × 10 10 \u003d 2 × 10 10 атомів в секунду на 1 см 2. Значить, потік іонізуючих фотонів повинен бути не менше n \u003d2 · 10 10 / 6.3 · 10 -18 \u003d 3 · 10 27 1 / см 2 · с. Енергія, яку несе такий потік фотонів буде дорівнює е\u003d 2.18 · 10 -18 · 3 · 10 27 \u003d 6,5 х 10 9 Дж / см 2 · с.
До того ж, крім атомів водню, на зореліт буде налітати стільки ж молекул Н 2 , А їх іонізація відбувається при енергії фотонів 15.4 ев (довжина хвилі 80.4 нм). Це вимагатиме збільшення потужності потоку приблизно в два рази, і повна потужність потоку повинна бути е\u003d 1.3 × 10 10 Дж / см 2. Для порівняння можна вказати, що потік енергії фотонів на поверхні Сонця дорівнює 6.2 · 10 3 Дж / см 2 · с, тобто зореліт повинен світити в два мільйони разів яскравіша за Сонце.
Оскільки енергія і імпульс фотона пов'язані співвідношенням Е \u003d рс , То цей потік фотонів буде мати імпульс р \u003d ЕS / с де S - площа массозаборніка (порядку 1000 м 2), що складе 1.3 × 10 10 × 10 7/3 × 10 8 \u003d 4.3 × 10 8 Кг · м / с, і цей імпульс спрямований проти швидкості і гальмує зореліт. Фактично виходить, що попереду зорельота варто фотонний двигун і штовхає його в зворотному напрямку - ясно, що такий тягни-штовхай далеко не полетить.
Таким чином, іонізація налітають частинок занадто накладна, а іншого способу концентрації міжзоряних газів сучасна наука не знає. Але навіть якщо такий спосіб буде знайдений, то прямоточний двигун все одно себе не виправдає: ще Зенгер показав (, стор.112), що величина тяги прямоточного фотонно-реактивного двигуна незначна і він не може бути використаний для розгону ракети з високим прискоренням. Дійсно, повний приплив маси набігаючих частинок (в основному атомів і молекул водню) складе dm \u003d 3m p Srv\u003d 3 · 1.67 · 10 -27 · 10 7 · 2 · 10 10 \u003d 10 -9 Кг / с. При анігіляції ця маса буде виділяти максимум W \u003d mc 2 \u003d 9 х 10 7 Дж / с, і якщо вся ця енергія піде на формування фотонної реактивного струменя, то приріст імпульсу зорельота за секунду становитиме dр \u003d W / c\u003d 9 х 10 7/3 × 10 8 \u003d 0.3 Кг · м / с, що відповідає тязі в 0.3 ньютона. Приблизно з такою силою тисне на землю маленька мишка, і виходить, що гора народила мишу. Тому конструювання прямоточних двигунів для міжзоряних польотів не має сенсу.

Зі сказаного випливає, що відхилити налітають частинки міжзоряного середовища не вийде, і зорельота доведеться приймати їх своїм корпусом. Це призводить до деяких вимог до конструкції зорельота: попереду нього повинен знаходитися екран (наприклад, у вигляді конічної кришки), який буде захищати основний корпус від впливу космічних частинок і випромінювань. А за екраном повинен перебувати радіатор, що відводить тепло від екрану (і одночасно службовець вторинним екраном), прикріплений до основного корпусу зорельота термоизолирующими балками. Необхідність такої конструкції пояснюється тим, що налітають атоми мають велику кінетичну енергію, вони будуть глибоко впроваджуватися в екран і, не розуміючи в ньому, розсіювати цю енергію у вигляді теплоти. Наприклад, при швидкості польоту 0,75 з енергія протона водню буде приблизно 500 МеВ - в одиницях ядерної фізики, що відповідає 8 · 10 -11 Дж. Він буде впроваджуватися в екран на глибину кількох міліметрів і передасть цю енергію коливань атомів екрану. А таких частинок буде налітати близько 2 × 10 10 атомів і стільки ж молекул водню в секунду на 1 см 2, тобто кожну секунду на 1 см 2 поверхні екрану буде надходити 4.8 Дж енергії, що переходить в теплоту. А проблема в тому, що в космосі відводити цю теплоту можна тільки шляхом випромінювання електромагнітних хвиль в навколишній простір (повітря і води там немає). Це означає, що екран буде нагріватися до тих пір, поки його теплове електромагнітне випромінювання не зрівняється з надходить від налітають частинок потужністю. Теплове випромінювання тілом електромагнітної енергії визначається законом Стефана-Больцмана, згідно з яким енергія, яку випромінює за секунду з 1 см 2 поверхні дорівнює q \u003d S т 4 де s \u003d 5.67 · 10 -12Дж / см 2 До 4-постійна Стефана, а Т - температура поверхні тіла. Умовою встановлення рівноваги буде sт 4 \u003d Q де Q - надходить потужність, тобто температура екрану буде Т \u003d (Q / s) 1/4 . Підставляючи в цю формулу відповідні значення, знайдемо, що екран буде нагріватися до температури 959 про К \u003d 686 про С. Зрозуміло, що при великих швидкостях ця температура буде ще вище. Це означає, наприклад, що екран не можна робити з алюмінію (його температура плавлення всього 660 о С), і його потрібно термоізолювати від основного корпусу зорельота - інакше будуть неприпустимо грітися житлові відсіки. А для полегшення теплового режиму екрану до нього необхідно приєднати радіатор з великою поверхнею випромінювання (можна з алюмінію), наприклад у вигляді клітинної системи поздовжніх і поперечних ребер, при цьому поперечні ребра будуть одночасно виконувати функцію вторинних екранів, захищаючи житлові відсіки від осколків і гальмівного випромінювання потрапляють в екран частинок і т.п.

Але захист від атомів і молекул - не головна проблема міжзоряного польоту. Астрономи, спостерігаючи поглинання світла від зірок, встановили, що в міжзоряному просторі є значна кількість пилу. Такі частинки, сильно розсіюють і поглинають світло, мають розміри 0.1-1 мікрон і масу близько 10 -13 г, а їх концентрація набагато меншою концентрації атомів і дорівнює приблизно r=10 -12 1 / см 3 Судячи з їх щільності ( 1 г / см 3) і показником заломлення ( n=1.3 ) Вони являють собою в основному снігові грудочки, що складаються з змерзлих космічних газів (водню, води, метану, аміаку) з домішкою твердих вуглецевих і металевих частинок. Мабуть, саме з них утворюються ядра комет, які мають такий же склад. І хоча це повинні бути досить пухкі освіти, при близькосвітлових швидкостях вони можуть завдати великої шкоди.
При таких швидкостях починають сильно проявлятися релятивістські ефекти, і кінетична енергія тіла в релятивістській області визначається виразом

Як видно, енергія тіла різко зростає з наближенням v до швидкості світла c: Так, при швидкості 0.7 з порошинка з m \u003d 10 -13 г має кінетичну енергію 3.59 Дж (див. Таблицю 1) і попадання її в екран еквівалентно вибуху в ньому приблизно 1 мг тротилу. при швидкості 0.99 з ця порошинка буде мати енергію 54.7 Дж, що порівнянно з енергією кулі, випущеної з пістолета Макарова ( 80 Дж). При таких швидкостях вийде, що кожен квадратний сантиметр поверхні екрану безперервно обстрілюється кулями (причому розривними) з частотою 12 пострілів в хвилину. Ясно, що ніякої екран не витримає такого впливу на протязі декількох років польоту.

Таблиця 1 Енергетичні співвідношення

0.1 4.73 4.53 х 10 14 1,09 х 10 5 0.2 19.35 1.85 × 10 15 4,45 х 10 5 0.3 45.31 4.34 × 10 15 1,04 · 10 6 0.4 85.47 8.19 × 10 15 1,97 · 10 6 0.5 145.2 1.39 × 10 16 3,34 · 10 6 0.6 234,6 2.25 · 10 16 5,40 · 10 6 0.7 375.6 3.59 × 10 16 8,65 · 10 6 0.8 625.6 5.99 × 10 16 1,44 × 10 7 0.9 1214 1.16 × 10 17 2,79 × 10 7 0.99 5713 5.47 × 10 17 1,31 × 10 8 0.999 20049 1.92 × 10 18 4,62 × 10 8

v / c	1 / (1-v 2 / c 2) 1/2	E p	K	T
1.005
1.020
1.048
1.091
1.155
1.25
1.40
1.667
2.294
7.089
22.37

позначення: Е р - кінетична енергія протона в МеВ До - кінетична енергія 1 Кг речовини в Дж Т - тротиловий еквівалент кілограма в тоннах тротилу.

Для оцінки наслідків удару частинки в поверхню можна використовувати формулу, запропоновану фахівцем з цих питань Ф.Уіпплом (, стор.134), згідно з якою розміри кратера рівні

де d - щільність речовини екрана, Q - його теплота плавлення.

Але тут то потрібно мати на увазі, що насправді ми не знаємо, як порошинки будуть впливати на матеріал екрану при таких швидкостях. Ця формула справедлива для невеликих швидкостей удару (порядку 50 км / с і менше), а при оклосветових швидкостях впливу фізичні процеси удару і вибуху повинні протікати зовсім інакше і набагато інтенсивніше. Можна тільки припускати, що в силу релятивістських ефектів і великий інерції матеріалу порошинки вибух буде спрямований вглиб екрану, по типу кумулятивного вибуху, і призведе до утворення набагато більш глибокого кратера. Наведена формула відображає загальні енергетичні співвідношення, і ми допустимо, що вона годиться для оцінки результатів удару і для близькосвітлових швидкостей.
Певне, найкращим матеріалом для екрану є титан (в силу його невеликій щільності і фізичних характеристик), для нього d=4.5 г / см 3, а Q=315 КДж / кг, що дає

d\u003d 0.00126 · Е 1/3 метрів

при v=0.1 c отримаємо Е=0.045 Дж і d\u003d 0,00126 · 0.356 \u003d 0.000448 м \u003d 0.45 мм. Легко знайти, що пройшовши шлях в 1 світловий рік, екран зорельота зустріне n \u003d rs\u003d 10 -12 · 9.46 · 10 17 \u003d 10 6 порошинок на кожен см 2, і кожні 500 пилинок сроют шар 0.448 мм екрану. Значить, після 1 світлового року шляху екран буде стертий на товщину 90 см. Звідси випливає, що для польоту на таких швидкостях скажімо, до Проксіма Центавра (тільки туди) екран повинен мати товщину приблизно 5 метрів і масу близько 2.25 тисячі тонн. При великих швидкостях справи виглядатимуть ще гірше:

Таблиця 2 Товщина Х титану, переться за 1 світловий рік шляху

0.1 0.448 0.9 0.2 0.718 3.66 0.3 0.955 9.01 0.4 1.178 16.4 0.5 1.41 27.6

v / c	E	d мм	X м
0.045
0.185
0.434
0.818
1.39

. . .

Як видно, при v / c >0.1 екран повинен буде мати неприйнятну товщину (десятки і сотні метрів) і масу (сотні тисяч тонн). Власне, тоді зореліт буде складатися в основному з цього екрану і палива, якого потрібно кілька мільйонів тонн. В силу цих обставин польоти на таких швидкостях неможливі.

Розглянуте абразивну дію космічного пилу насправді не вичерпує всього спектру впливів, яким піддасться зореліт під час міжзоряного польоту. Очевидно, що в міжзоряному просторі є не тільки порошинки, а й тіла інших розмірів і мас, однак астрономи не можуть безпосередньо спостерігати їх через те, що хоча їх розміри більше, але самих їх менше, так що вони не дають відчутного вкладу в поглинання світла зірок (розглянуті раніше пилинки мають розмір порядку довжини хвилі видимого світла і тому сильно його поглинають і розсіюють, і їх досить багато, тому астрономи в основному їх і спостерігають).
Але про тілах в далекому космосі можна отримати уявлення по тим тілам, які ми спостерігаємо в сонячній системі, в тому числі поблизу Землі. Адже, як показують виміри, сонячна система рухається щодо сусідніх зірок приблизно в напрямку Веги зі швидкістю 15.5 км / с, а значить, вона кожну секунду замітає всі нові і нові обсяги космічного простору разом з його вмістом. Звичайно, не всі поблизу Сонця прийшло ззовні, багато тіл спочатку є елементами сонячної системи (планети, астероїди, багато метеорні потоки). Але астрономи не раз спостерігали наприклад, політ деяких комет, які прилетіли з міжзоряного простору і туди ж полетіли. Значить, там є і дуже великі тіла (масою в мільйони і мільярди тонн), але вони зустрічаються дуже рідко. Зрозуміло, що там можуть зустрітися тіла практично будь-яких мас, але з різною ймовірністю. І щоб оцінити ймовірність зустрічі з різними тілами в міжзоряному просторі нам потрібно знайти розподіл таких тіл за масам.
Перш за все потрібно знати, що відбувається з тілами коли вони знаходяться в сонячній системі. Це питання добре вивчений астрофізиками, і вони знайшли, що час життя не надто великих тел в сонячній системі дуже обмежена. Так, дрібні частинки і пилинки з масами менше 10 -12 г просто виштовхуються за межі сонячної системи потоками світла і протонів від Сонця (що видно по хвостах комет). Для більших частинок результат виявляється зворотним: в результаті так званого ефекту Пойнтінга-Робертсона вони падають на Сонце, поступово опускаючись до нього по спіралі за час порядку декількох десятків тисяч років.
Це означає, що спостерігаються в сонячній системі спорадичні частки і мікрометеорити (що не відносяться до її власним метеорних потоків) потрапили в неї з навколишнього космосу, так як її власні частки такого типу давно зникли. Тому шукану залежність можна знайти за спостереженнями спорадичних частинок в самій сонячній системі. Такі спостереження давно ведуться, і дослідники прийшли до висновку (,), що закон розподілу космічних тіл по масах має вигляд N (M) \u003d N 0 / M i Безпосередні виміри для спорадичних метеорів в інтервалі мас від 10 -3 до 10 2 г (, стор.127) дають для щільності потоку метеорів з масою більше М грам залежність

Ф ( М) \u003d Ф (1) / M1.1

Найбільш достовірні результати з цього питання отримані за вимірюваннями мікрократерів, що утворилися на поверхнях космічних апаратів (, стор.195), вони теж дають k=1.1 в інтервалі мас від 10 -6 до 10 5 м Для менших мас залишається припускати, що цей розподіл виконується і для них. Для величини потоку частинок масивніше 1 г різні виміри дають значення 10 -15 1) 2 · 10 -14 1 / м 2 с, і оскільки величина потоку пов'язана з просторовою щільністю тел співвідношенням Ф \u003d rv , То звідси можна знайти, що концентрація в космосі тіл з масою більше М дається формулою

r ( М)=r 1 / М1.1

де параметр r 1 можна знайти прийнявши середню швидкість спорадичних метеорних частинок рівній v=15 км / с (як це видно з вимірів П.Міллмана), тоді r 1 \u003d Ф (1) / v виходить рівної в середньому 5 · 10 -25 1 / см 3.
З отриманого розподілу можна знайти, що концентрація часток, маси яких більше 0.1 г в середньому дорівнює r(0.1)=r 1 · (10) · 1.1 \u003d 6.29 · 10 -24 1 / см 3, а це означає, що на шляху в 1 світловий рік зореліт зустріне на 1 см 2 поверхні n \u003d rs\u003d 5.9 · 10 -6 таких частинок, що при загальній площі S=100 м 2 \u003d 10 6 см 2 складе не менше 5 частинок масивніше 0.1 г на весь поперечний переріз зорельота. А кожна така частинка при v=0.1 c має енергію більш 4.53 × 10 10 Дж, що еквівалентно кумулятивному вибуху 11 тонн тротилу. Навіть якщо екран таке витримає, то далі станеться ось що: оскільки навряд чи частка вдарить точно в центр екрану, то в момент вибуху з'явиться сила, що повертає зореліт навколо його центру мас. Вона, по-перше, злегка змінить напрямок польоту, а, по-друге, поверне зореліт, підставивши його бік зустрічному потоку частинок. І зореліт буде швидко пошматувала ними, а якщо на його борту є запаси антиречовини, то все завершиться серією анігіляційних вибухів (або одним великим вибухом).
Деякі автори висловлюють надію, що від небезпечного метеорита можна ухилитися. Подивимося, як це буде виглядати на субсветовой швидкості v=0.1 c. метеорит вагою 0.1 г має розмір близько 2 мм і енергію, еквівалентну 10.9 тонн тротилу. Попадання його в зореліт призведе до фатального вибуху, і доведеться від нього ухилятися. Припустимо, що радар зорельота здатний виявити такий метеорит на відстані х=1000 км - хоча незрозуміло, як це буде здійснюватися, так як з одного боку, радар повинен знаходитися перед екраном, щоб виконувати свою функцію, а з іншого боку - за екраном, щоб не бути знищеним потоком набігаючих частинок.
Але припустимо, тоді за час t \u003d x / v = 0.03 секунди зореліт повинен зреагувати і відхилитися на відстань у= 5 м (рахуючи діаметр зорельота 10 метрів). Це означає, що він повинен придбати в поперечному напрямку швидкість u \u003d y / t - знову ж таки за час t , Тобто його прискорення має бути не менше a \u003d y / t 2 = 150 м / с 2. Це прискорення в 15 раз більше нормального, і його не витримає ніхто з екіпажу, та й багато приладів зорельота. І якщо маса зорельота становить близько 50 000 тонн, то для цього буде потрібно сила F \u003d am \u003d 7.5 х 10 9 ньютон. Таку силу на час в тисячні частки секунди можна отримати тільки провівши на зорельоті потужний вибух: при хімічному вибуху виходить тиск порядку 10 5 атмосфер \u003d 10 10 Ньютон / м 2 і воно буде здатне згорнути зореліт в сторону. Тобто, щоб ухилитися від вибуху потрібно зореліт підірвати ...
Таким чином, якщо і вдасться розігнати зореліт до субсветовой швидкості, то до кінцевої мети він не долетить - занадто багато перешкод зустрінеться йому на шляху. Тому міжзоряні перельоти можуть здійснюватися лише з істотно меншими швидкостями, порядку 0.01 з і менш. Це означає, що колонізація інших світів може відбуватися повільними темпами, так як кожен переліт буде займати сотні і тисячі років, і для цього потрібно буде посилати до інших зірок великі колонії людей, здатні існувати і розвиватися самостійно. Для такої мети може підійти невеликий астероїд з смерзшегося водню: всередині нього можна влаштувати місто відповідних розмірів, де будуть жити астронавти, а сам матеріал астероїда буде використовуватися в якості палива для термоядерної енергетичної установки і двигуна. Інших шляхів освоєння далекого космосу сучасна наука запропонувати не може.
У всьому цьому є тільки один позитивний аспект: вторгнення полчищ агресивних інопланетян Землі не загрожує - це занадто складна справа. Але зворотна сторона медалі полягає в тому, що і дістатися до світів, де є "брати по розуму" не вдасться протягом найближчих декількох десятків тисяч років. Тому найбільш швидким способом виявлення інопланетян є встановлення зв'язків з допомогою радіосигналів або будь-яких інших сигналів.

Бібліографія

1. Новиков І.Д. Теорія відносності і міжзоряні перельоти - М.: Знання, 1960
2. Перельман Р.Г. Цілі та шляхи освоєння космосу - М.: Наука, 1967
3. Перельман Р.Г. Двигуни галактичних кораблів - М .: изд. АН СРСР, 1962
4. Бурдаков В.П., Данілов Ю.І. Зовнішні ресурси і космонавтика - М.: Атомиздат, 1976
5. Зенгер Е., До механіці фотонних ракет - М .: изд. Іноземної літератури, 1958
6. Закіров У.Н. Механіка релятивістських космічних польотів - М.: Наука, 1984
7. Аллен К.У. Астрофізичні величини - М.: Мир, 1977
8. Мартинов Д.Я. Курс загальної астрофізики - М.: Наука, 1971
9. Фізичні величини (Довідник) - М.: Вища школа, 1991
10. Бурдаков В.П., Зігель Ф.Ю. Фізичні основи космонавтики (фізика космосу) - М.: Атомиздат, 1974
11. Спітцер Л. Простір між зірками - М.: Мир, 1986.
12. Лебединець В.М. Аерозоль у верхній атмосфері і космічний пил - Л .: Гидрометеоиздат, 1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеори і їх спостереження - М.: Наука, 1987
14. Акишин А.І., Новиков Л.С. Вплив навколишнього середовища на матеріали космічних апаратів - М.: Знання, 1983

__________________________________________________ [Зміст]

Оптимізовано під Internet Explorer 1024X768
середній розмір шрифту
Дизайн A Semenov