Проблемы лазерных парусов

Чтобы отправить флотилию космических нанокораблей к системе альфы Центавра, лазерная батарея должна будет обеспечить воздействие лазерных лучей суммарной мощностью не менее 100 ГВт на парашюты кораблей в течение примерно двух минут. Давление света этих лазерных лучей выбросит наши корабли в космос. Чтобы корабли полетели в верном направлении и попали в цель, лучи должны быть нацелены с поразительной точностью. Малейшее отклонение траектории погубит экспедицию.

Главным из стоящих перед нами препятствий являются проблемы не фундаментальной науки — все уже известно, — а финансирования, несмотря на участие в проекте нескольких известных ученых и предпринимателей.

Каждая атомная электростанция стоит несколько миллиардов долларов и производит всего 1 ГВт (тысячу миллиардов ватт) мощности. Получение государственного и частного финансирования для строительства достаточно мощной и точной батареи лазеров, безусловно, станет узким местом проекта.

В качестве пробного шара перед отправкой экспедиции к далеким звездам ученые, возможно, решат отправить нанокорабли к более близкой цели в пределах Солнечной системы. На путь до Луны они затратят всего 5 с, до Марса — около 1, 5 ч, а до Плутона — несколько суток. Не дожидаясь десять лет, пока обычный космический аппарат доберется до далеких планет, мы могли бы получить о них новую информацию через несколько дней — и наблюдать происходящее в Солнечной системе почти в реальном времени.

На следующем этапе проекта мы могли бы попытаться построить батарею лазерных пушек на Луне[1]. Луч лазера, проходя сквозь атмосферу Земли, теряет около 60% своей мощности. Лунная пусковая установка помогла бы устранить эту проблему, а солнечные элементы на Луне обеспечили бы ее дешевой электроэнергией в достаточном количестве. Не забывайте, что одни лунные сутки соответствуют примерно 30 земным, так что энергию там можно эффективно собирать и запасать в аккумуляторах. Это сэкономило бы нам миллиарды долларов, ведь, в отличие от атомной энергии, солнечный свет ничего не стоит.

К началу ХХII в. технология самовоспроизводящихся роботов, по идее, будет уже отработана и мы получим возможность доверять машинам задачу строительства солнечных электростанций и лазерных батарей на Луне, Марсе и других объектах Солнечной системы. Мы будем посылать туда стартовую команду автоматов: одни будут добывать реголит, другие — строить завод. Еще одна команда роботов будет заниматься сортировкой, измельчением и выплавкой сырья на заводе с целью получения различных металлов. Их можно будет использовать для сборки лазерных пусковых установок — и новой группы самовоспроизводящихся роботов.

Со временем мы могли бы cоздать в Солнечной системе активную сеть передающих станций от Луны до самого облака Оорта. А поскольку кометы облака Оорта можно обнаружить чуть ли не полпути к альфе Центавра и к тому же они практически стоят на месте, вероятно, они будут идеальным местом для лазерных батарей, способных дополнительно разогнать нанокорабли на пути к соседней звездной системе. При проходе очередного нанокорабля мимо одной из станций лазеры на ней автоматически сработают и дадут кораблю дополнительный импульс в его движении к звездам.

При строительстве далеких форпостов самовоспроизводящиеся роботы могли бы использовать не солнечный свет, а термоядерные источники энергии.

Световые паруса

Нанокорабли на лазерной тяге лишь одна из разновидностей категории межзвездных кораблей, известной как солнечные (световые) паруса[2]. Точно так же, как парусный корабль ловит в паруса ветер и использует его силу, световые паруса используют силу давления света, источником которого может быть Солнце или лазер. Кстати, многие уравнения, используемые для расчета движения парусников, могут быть применены и к световым парусам в открытом космосе.

Свет состоит из частиц, именуемых фотонами. Сталкиваясь с каким-то объектом, фотоны оказывают на него мизерное давление. Давление света так мало, что ученые долгое время даже не подозревали о его существовании. Первым этот эффект отметил Иоганн Кеплер, когда выяснилось, что, вопреки ожиданиям, хвосты комет всегда развернуты прочь от Солнца. Великий астроном верно заключил, что эти хвосты порождаются давлением солнечного света, которое выбивает пылинки и ледяные кристаллы из комет в сторону, противоположную Солнцу.

Прозорливый Жюль Верн предсказал световые паруса в романе «С Земли на Луну». Он писал: «Не сегодня завтра появятся скорости куда более значительные, и достигнуты они будут, вероятно, при помощи света или электричества… Когда-нибудь мы будем путешествовать на Луну, планеты и звезды».

Циолковский развил концепцию светового паруса — космического корабля, использующего для разгона давление солнечного света. Но история солнечного паруса развивалась очень неравномерно. В НАСА этот проект никогда не рассматривался как приоритетный. Экспериментальные аппараты Планетарного общества «Космос-1» (2005 г.) и разработанный НАСА «НаноСэйл-Д» (NanoSail-D, 2008 г.) погибли при неудачных пусках. «НаноСэйл-Д2» в 2010 г. вышел на низкую околоземную орбиту. Единственную успешную попытку отправить солнечный парус за пределы орбиты Земли осуществили в 2010 г. японцы: их аппарат IKAROS развернул парус размером 14× 14 м и двигался за счет давления солнечного света. Через полгода он достиг Венеры, доказав таким образом принципиальную возможность использования солнечных парусов.

Тем не менее, несмотря на неуверенное развитие, идея солнечного паруса не умирает. Европейское космическое агентство рассматривает возможность запуска солнечного паруса Gossamer, который должен будет вывести с орбиты часть космического мусора — тысячи искусственных объектов, которые беспорядочно носятся в околоземном пространстве.

Не так давно я брал интервью у Джеффри Лэндиса — ученого НАСА и выпускника Массачусетского технологического института, работающего не только над солнечным парусом, но и над марсианской программой. Он и его жена Мэри Турзилло пишут научно-фантастические романы и получают за них литературные премии. Я спросил, как ему удается совмещать такие разные миры — мир, который населяют скрупулезные ученые с хитроумными формулами, и другой, населенный фанатами космоса и исследователями НЛО. Он ответил, что научная фантастика тем и хороша, что позволяет ему свободно рассуждать и фантазировать о далеком будущем. Физика, сказал он, не позволяет оторваться от земли.

Специализация Лэндиса — световой парус. Он предложил для полета к альфе Центавра корабль, который представлял бы собой световой парус из сверхтонкого материала, по структуре напоминающего алмаз, размером несколько сотен километров в поперечнике. Этот гигантский корабль будет весить, скажем, 1 млн т, а ресурсы на его строительство и разгон придется собирать со всей Солнечной системы: в частности, для этого потребуется несколько лазерных батарей в окрестностях Меркурия. Чтобы корабль смог остановиться в пункте назначения, его предполагается оборудовать большим «магнитным парашютом», поле в котором генерировалось бы проволочной петлей диаметром 100 км. Атомы водорода в космическом пространстве проходили бы сквозь эту петлю и порождали трение, которое за несколько десятилетий постепенно замедлило бы световой парус. Путешествие к альфе Центавра и обратно заняло бы 200 лет, так что в экипаже сменилось бы несколько поколений. Хотя такой корабль физически реализуем, его строительство обошлось бы очень дорого, и Лэндис признал, что на его сборку и испытания могло бы уйти от 50 до 100 лет. Пока ученый участвует в проекте лазерного паруса Breakthrough Starshot.

Ионные двигатели

Помимо лазерной тяги и солнечных парусов, имеется множество других потенциальных способов приводить в движение звездные корабли. Чтобы иметь возможность сравнивать эти способы, введена концепция «удельного импульса», который равен тяге ракеты, умноженной на время работы ее двигателей. (Удельный импульс измеряется в секундах.) Чем дольше работают двигатели ракеты, тем больше ее удельный импульс, исходя из которого можно вычислить конечную скорость ракеты.

Вот простая табличка, в которой указаны удельные импульсы нескольких типов ракет. Я не включил сюда некоторые варианты, такие как лазерная ракета, солнечный парус и ракета с прямоточным термоядерным двигателем; формально они имеют бесконечный удельный импульс, поскольку их двигатели могут работать неограниченно долгое время.

Обратите внимание: химические ракеты, двигатели которых работают всего по несколько минут, имеют самое низкое значение удельного импульса. За ними в списке располагаются ионные двигатели, которые могут быть эффективны в полетах к близлежащим планетам. Ионные двигатели работают на газе, к примеру на ксеноне, «сдирая» электроны с его атомов и превращая последние в ионы (заряженные фрагменты атомов), а затем ускоряют эти ионы при помощи электрического поля. Внутренности ионного двигателя в принципе напоминают внутренности телевизора, где электрическое и магнитное поля направляют в нужное место пучок электронов.

Тяга ионных двигателей мучительно мала — зачастую она измеряется в десятках граммов, и, когда вы включаете такой двигатель в лаборатории, ничего на первый взгляд не происходит. Но в космосе такой аппарат со временем может набрать скорость, превосходящую максимальную скорость химических ракет. Ионные двигатели сравнивают с черепахой, которая бежит наперегонки с зайцем, в роли которого в данном случае выступают химические ракеты. Конечно, заяц может развить огромную скорость, но ненадолго, всего на несколько минут, на большее ему не хватает выносливости. Черепаха, с другой стороны, движется медленнее, но может ползти сутками и потому соревнование на длинную дистанцию выиграет. Ионные двигатели могут работать по несколько лет подряд, и, значит, ракеты с ними имеют значительно более высокий удельный импульс по сравнению с химическими ракетами.

Чтобы повысить мощность ионного двигателя, можно было бы ионизировать газ при помощи микроволн или радиоволн, а затем разгонять ионы при помощи магнитных полей. Такой вариант двигателя называется плазменным, и в теории он может сократить время полета на Марс с девяти месяцев до менее чем 40 дней — по крайней мере, так говорят его поклонники, — но на данный момент эта технология находится еще в стадии разработки. Один из ограничивающих факторов плазменного двигателя — большое количество электроэнергии, необходимое для создания плазмы, так что для межпланетных экспедиций может потребоваться атомная станция.

НАСА изучает и строит ионные двигатели уже несколько десятилетий. К примеру, Deep Space Transport, который в 2030-х гг., возможно, понесет наших астронавтов к Марсу, использует ионную тягу. Ближе к концу этого столетия ионные двигатели, скорее всего, будут использоваться для межпланетных экспедиций. И хотя для срочных задач, пожалуй, лучше подходят все же химические ракеты, ионные двигатели станут верным и надежным вариантом в тех случаях, когда время не играет особой роли.

Выше ионного двигателя в рейтинге удельных импульсов стоят более спорные системы тяги. Мы поговорим о каждой из них ниже.

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: