Космические корабли с прямоточным термоядерным двигателем

Еще одна заманчивая идея — прямоточный термоядерный двигатель[7]. Внешне корабль с таким двигателем должен напоминать гигантский рожок мороженого, поскольку смысл его в том, чтобы собирать в межзвездном пространстве водород и сжимать его в термоядерном реакторе, получая энергию. Подобно реактивному двигателю крылатой ракеты, прямоточный термоядерный двигатель, по идее, должен получиться довольно экономичным. Реактивные двигатели забирают обычный воздух, не нуждаясь в окислителе, что, естественно, снижает стоимость их производства. Поскольку водорода в космосе неограниченное количество, космический корабль с таким двигателем сможет ускоряться сколь угодно долго — подобно солнечному парусу, он имеет бесконечный удельный импульс.

В знаменитом романе Пола Андерсона «Когда замирает время» (Tau Zero) прямоточный термоядерный двигатель звездолета в результате аварии перестал отключаться. Корабль все больше ускоряется, постепенно приближаясь к скорости света, и вокруг него начинают происходить пугающие релятивистские искажения. Чем быстрее летит корабль, тем медленнее течет время внутри него. Людям на борту все происходящее представляется совершенно нормальным, но Вселенная стремительно стареет. Со временем звездолет разгоняется до такой скорости, что снаружи проходят миллионы лет, а экипаж может лишь беспомощно наблюдать за этим. Переместившись в будущее на бессчетные миллиарды лет, звездолетчики обнаруживают, что Вселенная сжимается: ее расширение обратилось вспять. Температура вне корабля катастрофически взлетает, поскольку галактики начинают собираться вместе, готовясь к Большому сжатию. Наконец, когда звезды схлопываются, звездолету удается проскочить мимо космического огненного шара и наблюдать со стороны новый Большой взрыв и рождение новой Вселенной. Каким бы фантастическим ни казался сюжет романа, в основе своей он соответствует теории относительности Эйнштейна.

Оставив апокалиптические сюжеты, заметим: на первый взгляд кажется, что прямоточный термоядерный двигатель слишком хорош, чтобы его можно было построить. Воронку для сбора водорода, возможно, придется растянуть на сотни километров в поперечнике, что будет неудобно и слишком дорого. Термоядерный синтез собранного водорода может не дать достаточное количество энергии для обеспечения всех нужд звездолета. Доктор Джеймс Бенсон указал также, что в нашем секторе Галактики попросту нет достаточного количества водорода, чтобы его хватило на работу двигателей звездолета, хотя в других областях Галактики, возможно, водорода на это хватит. Другие критики утверждают, что сопротивление движению звездолета с прямоточным двигателем со стороны солнечного ветра будет больше, чем его разгон под действием тяги, так что звездолет не сможет достичь релятивистских скоростей. Физики пытаются модифицировать конструкцию таким образом, чтобы компенсировать эти недостатки, но до того дня, когда прямоточный термоядерный двигатель станет реализуемым проектом, еще очень далеко.

Проблемы звездолетов

Необходимо подчеркнуть, что у всех упомянутых звездолетов есть и другие проблемы, связанные с движением на околосветовой скорости. Серьезный риск будут представлять столкновения с астероидами, даже крохотные астероиды смогут пробить корпус звездолета насквозь. Мы уже упоминали небольшие вмятины и царапины на обшивке «Спейс шаттлов» — это отметины частиц космического мусора, которые, вероятно, сталкивались с кораблем на скорости, близкой к орбитальной, то есть примерно 29 000 км/ч. На околосветовых скоростях столкновения будут несоизмеримо более опасными, в принципе любая встреча с астероидом сможет разнести звездолет в пыль.

В кино эту опасность обычно устраняют при помощи мощных силовых полей, которые отталкивают микрометеориты. Это очень удобно, но, к несчастью, осуществимо только в головах сценаристов. Конечно, можно создать электрическое и магнитное силовые поля, но любые незаряженные объекты — даже обычные бытовые предметы из пластика, дерева или гипса — будут легко проходить сквозь них. Поэтому микрометеориты в открытом космосе нельзя отразить при помощи электрического и магнитного полей, а гравитационные поля работают только на притяжение, к тому же они чрезвычайно слабы, а значит, тоже не годятся на роль отражающих силовых щитов.

Еще одна проблема — торможение. Если вы несетесь сквозь пространство со скоростью, близкой к скорости света, как вы будете замедляться, когда доберетесь до места назначения? Солнечные и лазерные паруса всецело зависят от энергии светила или батареи лазеров, которые никак не могут замедлить движение космического корабля. Так что движимые парусом космические корабли будут полезны в основном в исследовательских пролетных программах.

Для ядерных космических кораблей лучший метод торможения, вероятно, состоит в том, чтобы развернуть корабль на 180° и направить тягу двигателей в противоположную сторону. Однако при такой стратегии примерно половина тяги корабля будет использоваться на набор скорости, а вторая половина — на торможение. Солнечный парус, возможно, удастся поставить таким образом, чтобы свет от звезды, к которой направляется экспедиция, постепенно тормозил корабль.

Еще одна проблема состоит в том, что большинство пилотируемых космических кораблей будут очень большими и неуклюжими. Собирать их придется в открытом космосе, значит, понадобятся десятки экспедиций, чтобы доставить на орбиту строительные материалы, и еще большее их число, чтобы собрать корабль. Для сокращения расходов нужен более экономный метод запуска экспедиций в космос. Именно здесь может пригодиться космический лифт.

Лифт в космос

Космический лифт, если бы его удалось создать с применением нанотехнологий, кардинально изменил бы ситуацию с исследованием космоса[8]. Космический лифт представляет собой длинную штангу, протянувшуюся с поверхности Земли в открытый космос. Представляете, входишь в кабину, нажимаешь на кнопку, и лифт быстро поднимает тебя на орбиту. Никаких перегрузок при старте ракеты с космодрома — подъем в космос будет таким же мягким и спокойным, как подъем в лифте на верхний этаж небоскреба. Космический лифт бросил бы вызов земному тяготению и обеспечил нам простой способ подниматься в небеса.

О возможности космического лифта первым задумался Константин Циолковский, которого очень заинтересовало строительство в 1880-х гг. Эйфелевой башни в Париже. Если инженеры смогли построить столь великолепное сооружение, спросил он себя, то почему бы не продолжить строительство и не направить конструкцию прямо в открытый космос? Основываясь на простых физических принципах, Циолковский сумел показать, что теоретически, если сделать башню достаточно высокой, то с какого-то момента центробежная сила сможет поддерживать ее в вертикальном положении без какого-либо внешнего воздействия. Точно так же, как раскручиваемый на нитке шарик не падает на пол, удерживаемый в воздухе благодаря вращению, космический лифт будет удерживать от падения центробежная сила вращающейся Земли.

Идея о том, что ракеты — это, возможно, не единственный способ проникнуть в космос, оказалась радикальной и захватывающей. Но сразу же обнаружилось и препятствие. Нагрузка на тросы космического лифта может достигнуть 100 ГПа, что намного превосходит прочность стали, которая составляет 2 ГПа. Стальные кабели лопнули бы, и космический лифт кувыркаясь полетел бы на землю.

Концепция космического лифта была положена на полку почти на столетие. Иногда о таких устройствах вспоминали писатели-фантасты — к примеру, Артур Кларк в романе «Фонтаны рая». При этом на вопрос о том, когда космический лифт может быть сооружен, Кларк ответил: «Вероятно, лет через 50 после того, как все перестанут смеяться»[9].

Теперь уже никто не смеется над этой идеей. Внезапно космический лифт перестал казаться неосуществимой выдумкой. В 1999 г. проведенное НАСА предварительное исследование показало, что лифт с тросом диаметром чуть менее 1 м и длиной около 45 000 км мог бы доставлять на орбиту до 15 т полезной нагрузки. В 2013 г. Международная академия астронавтики выпустила 350-страничный доклад, в котором говорилось, что при достаточном финансировании и активных исследованиях космический лифт, способный доставить на орбиту по 20 т груза, может быть построен к 2035 г. Стоимость строительства обычно оценивают в диапазоне $10–50 млрд — крохи по сравнению со $150 млрд, потраченными на Международную космическую станцию. При этом космический лифт может снизить стоимость доставки грузов в космос в 20 раз.

Задача строительства космического лифта из области фундаментальной физики перешла уже в область инженерного дела. Проводятся расчеты, чтобы определить, можно ли изготавливать тросы космического лифта из чистых углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной прочностью и выдержат все нагрузки. И сумеем ли мы изготовить достаточное количество этих трубок, чтобы протянуть их на тысячи километров в космос? Ответ ясен: в настоящее время — нет. Пока чрезвычайно трудно получить нанотрубки из чистого углерода длиннее сантиметра. Возможно, вы слышали сообщения о том, что изготовлены многометровые нанотрубки, но на самом деле речь идет о композитных материалах. Это короткие нити углеродных нанотрубок, спрессованные в длинное волокно, не обладающее, однако, чудесными свойствами чистых углеродных нанотрубок.

Чтобы подстегнуть интерес к таким проектам, как космический лифт, НАСА финансирует программу Centennial Challenges, в рамках которой проводятся конкурсы и выдаются призы энтузиастам, разрабатывающим космические технологии. Как представитель телеканала я вел конкурс, в котором участники предлагали свои компоненты для прототипа мини-лифта. Я видел, как при помощи лазерных лучей они гнали небольшую капсулу вверх по длинному тросу. Это молодые люди, убежденные в том, что космический лифт распахнет двери небес для всех желающих, новый класс предпринимателей-инженеров, которые жаждут строить будущее.

Космический лифт произвел бы настоящую революцию в наших отношениях с космосом. Пространство, открытое только для астронавтов и военных пилотов, могло бы стать игровой площадкой для детей и целых семей. Лифт предложил бы нам эффективный подход к космическим путешествиям и космическим носителям нового типа, включая звездолеты, способные летать почти со скоростью света.

Если смотреть на вещи реалистически, космический лифт с учетом стоящих перед нами громадных инженерных проблем вряд ли удастся построить до конца этого столетия.

Разумеется, присущие нам как виду любопытство и амбиции со временем заставят нас когда-нибудь пойти дальше термоядерных двигателей и двигателей на антивеществе и принять важнейший вызов. Не исключено, что однажды мы сумеем преодолеть абсолютный предел скорости во Вселенной — скорость света.

Варп-двигатель

Как-то раз один мальчик прочел детскую книжку — и изменил мировую историю. Шел 1895 г., и крупные города только начинали покрываться сетью электрических проводов. Чтобы разобраться в этом странном новом явлении, мальчик принялся за «Популярные книги по естественным наукам» Аарона Бернштейна. В них автор просил читателей представить, что они несутся вместе с электрическим током по телеграфным проводам. Мальчик задумался: а что, если заменить электрический ток лучом света? Можно ли обогнать свет? Он рассудил, что, поскольку свет — это волна, световой луч должен выглядеть неподвижным, будто застывшим во времени. Однако он быстро сообразил, что никто никогда не видел неподвижной световой волны. Следующие десять лет он потратил на поиски разгадки.

И наконец в 1905 г. он нашел ответ. Звали мальчика Альберт Эйнштейн, а теория его получила название специальной теории относительности[10]. Он открыл, что обогнать световой луч невозможно, поскольку скорость света — абсолютный предел скорости во Вселенной. При приближении к ней начинают происходить странные вещи. Ваш корабль становится тяжелее, а время внутри него замедляется. Если бы можно было каким-то образом достичь скорости света, то тот, кто его достиг, стал бы бесконечно тяжелым, а время для него остановилось бы. Однако и то и другое невозможно, и это означает, что преодолеть световой барьер тоже невозможно. Эйнштейн, как дорожный полицейский, установил во Вселенной абсолютное ограничение скорости — и заставил мучиться несколько поколений ученых-ракетчиков.

Но Эйнштейну этого было мало. Теория относительности объясняла многие загадки природы света, но он хотел, чтобы его теория была применима еще и к гравитации. В 1915 г. он предложил поразительную гипотезу. Эйнштейн постулировал, что пространство и время, которые прежде считались инертными и статичными, на самом деле весьма динамичны и похожи на гладкое полотно, способное изгибаться, растягиваться и искривляться. Согласно его гипотезе, Земля обращается вокруг Солнца не потому, что притягивается солнечной гравитацией, а потому, что Солнце искривляет пространство вокруг себя. Ткань пространства-времени подталкивает Землю и заставляет ее двигаться по кривой вокруг Солнца. Попросту говоря, тяготение ничего не притягивает. Вместо этого пространство как бы подталкивает все объекты в нужном направлении.

Шекспир однажды сказал, что мир — театр, а люди в нем — актеры, каждый из них в свое время появляется на сцене и в свое время уходит. Представим пространство-время в виде такой сцены. Когда-то она считалась неподвижной, плоской и абсолютной; считалось, кроме того, что часы в любом ее конце тикают одинаково. Но в Эйнштейновой Вселенной эта сцена может быть искривленной, и часы на ней идут с разной скоростью. Актеры не могут беспрепятственно ходить по сцене, они спотыкаются и падают. Сами они могут утверждать, что какая-то невидимая «сила» тянет их в разных направлениях, но на самом деле это изогнутая сцена толкает их.

Кроме того, Эйнштейн понял, что в его общей теории относительности имеется просчет. Чем крупнее звезда, тем сильнее искривляется вокруг нее пространство-время. Если звезда достаточно массивна, она становится черной дырой. Мало того, ткань пространства-времени может буквально рваться, потенциально порождая кротовую нору, которая представляет собой своеобразный шлюз — короткий путь сквозь пространство. Это явление, концепцию которого предложили Эйнштейн и его ученик Натан Розен в 1935 г., сегодня называют мостом Эйнштейна — Розена.

Кротовые норы

Простейший пример моста Эйнштейна — Розена — зеркало в книге «Приключения Алисы в Стране Чудес». По одну сторону зеркала располагаются окрестности Оксфорда в Англии. По другую сторону находится фантастический мир Страны Чудес, в который Алиса мгновенно переносится, стоит ей дотронуться до зеркала пальцем.

Кротовые норы — один из любимых сюжетных ходов в кино. Хан Соло проводит звездолет «Тысячелетний сокол» сквозь гиперпространство, направив его в кротовую нору. Холодильник, который открывает героиня Сигурни Уивер в фильме «Охотники за привидениями», оказывается кротовой норой, сквозь которую она видит целую вселенную. В романе К. С. Льюиса «Лев, колдунья и платяной шкаф» этот самый шкаф также является кротовой норой, соединяющей английскую деревню с Нарнией.

Кротовые норы были открыты при исследовании математики черных дыр, представляющих собой схлопнувшиеся гигантские звезды. Их тяготение так велико, что даже кванты света не могут покинуть их. Скорость убегания для черных дыр равна скорости света. В прошлом считалось, что черные дыры стационарны и обладают бесконечной гравитацией, известной также как сингулярность. Но оказалось, что все черные дыры, обнаруженные в космосе, довольно быстро вращаются. В 1963 г. физик Рой Керр открыл, что вращающаяся черная дыра, если она движется достаточно быстро, не обязательно схлопнется в точку, но может превратиться во вращающееся кольцо. Это кольцо стабильно, потому что центробежная сила не дает ему схлопнуться. Куда же девается все, что падает внутрь черной дыры? Физики пока этого не знают. Но существует вероятность, что вещество, прошедшее в кольцо черной дыры, может выйти с другой стороны через так называемую белую дыру. Ученые уже ищут в космосе белые дыры, которые выпускали бы из себя вещество, вместо того чтобы его заглатывать, но пока ничего подобного обнаружить не удалось.

Приближаясь к вращающемуся кольцу черной дыры, можно стать свидетелем невероятного искажения пространства и времени. Возможно, при этом вам удастся увидеть световые лучи, захваченные тяготением кротовой норы миллиарды лет назад. Не исключено даже, что вы встретите там копии самого себя. А возможно, атомы вашего тела будут растянуты приливными силами в ходе неприятного и убийственного процесса, получившего название спагеттификации.

Если бы вы прошли сквозь само кольцо, вас, возможно, выбросило бы через белую дыру в параллельную вселенную по другую его сторону. Представьте, что вы берете два листа бумаги, располагаете их параллельно друг другу, а затем протыкаете насквозь карандашом, соединяя листы. Если пройти вдоль карандаша, можно попасть из одной параллельной вселенной в другую. Однако если пройти сквозь кольцо второй раз, окажешься еще в одной параллельной вселенной. Всякий раз, проходя сквозь кольцо, вы будете попадать в разные вселенные — точно так же, как поездка в лифте позволяет перемещаться между разными этажами здания, с единственной разницей — вы никогда не сможете вернуться на тот этаж, на котором уже были.

Когда вы проходите сквозь кольцо, тяготение будет конечным, так что вас не обязательно раздавит насмерть. Однако, если окажется, что кольцо вращается недостаточно быстро, оно может внезапно схлопнуться и убить вас. Не исключено, что кольцо можно будет стабилизировать искусственно, добавив к нему нечто, известное как отрицательная материя или отрицательная энергия (назовем их минус-материей и минус-энергией). Таким образом, стабильность черной дыры — вопрос равновесия, и главное здесь — поддерживать верное соотношение положительной и отрицательной энергии. Для естественного формирования шлюза между вселенными (например, черной дыры) требуется огромное количество положительной энергии. Но, чтобы шлюз оставался открытым и не схлопнулся, отрицательную материю или энергию потребуется создавать искусственно.

Минус-материя (минус-вещество) совсем не то же самое, что антиматерия. В отличие от последней, в природе минус-материя пока не обнаружена. Минус-материя обладает странными антигравитационными свойствами, то есть в поле тяготения она должна была бы падать вверх, а не вниз. (Антиматерия, напротив, согласно современной теории должна падать вниз, а не вверх.) Если бы на Земле миллиарды лет назад существовала минус-материя, то материя планеты попросту оттолкнула бы ее и это загадочное вещество уплыло бы в открытый космос. Возможно, именно поэтому мы его и не обнаружили.

Хотя физики пока не нашли реальных свидетельств существования минус-материи, минус-энергию уже удалось получить в лаборатории[11]. Это позволяет выжить мечте поклонников научной фантастики, которые надеются, что человек когда-нибудь будет летать к звездам через кротовые норы. Однако количество минус-энергии, которое удалось получить в лаборатории, мизерно, его явно не хватит на пролет звездолета сквозь кротовую нору. Для получения минус-энергии в количестве, необходимом для стабилизации кротовой норы, потребовалась бы чрезвычайно продвинутая технология, о которой мы поговорим подробнее в главе 13. Так что в обозримом будущем строить звездолеты с гипердвигателями для полетов сквозь кротовые норы нам будет не под силу.

Однако не так давно интерес ученых вызвало событие, связанное еще с одним способом искривлять пространство-время.

Пузырь Алькубьерре

Помимо кротовых нор, еще одним способом преодолеть световой барьер могут стать пузырь Алькубьерре и соответствующий двигатель. Мне довелось однажды брать интервью у мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре[12]. Революционная идея в области релятивистской физики осенила его перед телевизором — не исключено, что он тогда впервые в жизни сел смотреть телевизор. В одной из серий «Звездного пути» его заинтересовал способ, при помощи которого звездолет «Энтерпрайз» мог лететь быстрее света. Он каким-то образом сжимал пространство перед собой, так что звезды казались не такими далекими. Собственно, «Энтерпрайз» не летел к звездам — звезды сами приближались к нему.

Представьте, что вы движетесь по ковру, а ваша цель — добраться до стола. Здравый смысл подсказывает простейший способ это сделать — пройти по ковру от одной точки до другой. Но есть и другой способ. Можно зацепить стол веревкой и тянуть его к себе, заставляя ковер собираться в складки. Не вы идете по ковру к столу, а ковер идет складками, и при этом стол подъезжает к вам.

Мигелю Алькубьерре пришла в голову интересная идея реализации подобного принципа. Обычно теоретики выбирают звезду или планету, а затем при помощи уравнений Эйнштейна рассчитывают искривление пространства вокруг нее. Но можно поступить и наоборот. Можно задать конкретную степень искривления и с помощью тех же уравнений определить, какая именно звезда или планета вызовет такое искривление. В качестве грубой аналогии можно посмотреть, как автомеханик собирает машину. Можно начать с тех частей, которые имеются под рукой, — это может быть двигатель, колеса, все что угодно — и собирать машину «вокруг них». А можно заранее выбрать необходимую вам конструкцию, а потом определить, какие для ее сборки потребуются части.

Алькубьерре перевернул Эйнштейнову математику с ног на голову и обратил вспять обычную логику физиков-теоретиков. Он попытался разобраться, звезда какого типа могла бы сжимать пространство перед собой и расширять его позади. К полному изумлению ученого, ответ оказался простым. Оказалось, что машина по искривлению пространства, показанная в «Звездном пути», представляет собой допустимое решение уравнений Эйнштейна! Может быть, варп-двигатель в конечном итоге не так уж невероятен.

Звездолет, оборудованный двигателем Алькубьерре, должен быть окружен пузырем искривленного пространства — пустотелым пузырем из вещества и энергии. Пространство-время внутри пузыря и вне его будут полностью изолированы друг от друга. При разгоне звездолета люди внутри ничего не почувствуют. Возможно, они вообще не заметят, что их корабль движется, хотя на самом деле он будет лететь быстрее света.

Полученный Алькубьерре результат потряс физическое сообщество — настолько он был нов и радикален. Однако после публикации статьи критики начали указывать на слабые места его теории. Несмотря на элегантность предложенной концепции сверхсветовых путешествий, она предусматривала не все возможные сложности. Если область внутри звездолета отделена от внешнего мира пузырем, тогда она не сможет обмениваться с внешним миром информацией, а значит, пилот космического корабля не сможет контролировать направление полета. Управлять будет невозможно. К тому же остается практический вопрос о создании варп-пузыря. Чтобы сжимать пространство перед собой, он должен будет иметь на борту запас топлива определенного типа — той самой минус-материи или минус-энергии.

Итак, мы вернулись к тому, с чего начали. Минус-вещество или минус-энергия — вот недостающее звено, необходимое для поддержания нашего варп-пузыря, а также наших кротовых нор, в стабильном состоянии. Стивен Хокинг доказал общую теорему, согласно которой все решения Эйнштейновых уравнений, допускающие движение со сверхсветовой скоростью, должны содержать в себе минус-материю или минус-энергию. (Иными словами, положительные материя и энергия, которые мы наблюдаем в звездах, способны искривлять пространство-время так, что с их помощью можно идеально описывать движение небесных тел. Но отрицательные материя и энергия искривляют пространство-время причудливым образом и порождают антигравитационную силу, способную стабилизировать кротовые норы, не давая им схлопываться, и разгонять варп-пузыри до сверхсветовых скоростей, сжимая перед ними пространство-время.)

Физики попытались рассчитать количество минус-материи или минус-энергии, необходимые для движения звездолета. Последние результаты показывают, что это количество эквивалентно массе Юпитера. Это означает, что лишь очень высокоразвитой цивилизации под силу использовать минус-материю или минус-энергию в качестве топлива для своих звездолетов, если это вообще возможно. (Однако не исключено, что количество минус-материи или энергии, необходимой для сверхсветового движения, уменьшится, поскольку расчеты сильно зависят от геометрии и размеров варп-пузыря или кротовой норы.)

В «Звездном пути», чтобы обойти это неудобное препятствие, постулировано существование редкого минерала под названием дилитий, кристаллы которого являются необходимым компонентом варп-двигателя. Сегодня мы знаем, что под названием «кристаллы дилития» может скрываться «минус-материя или энергия».

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: