Резюме
Хотя и существует возможность использовать термоядерный синтез и антиматерию для медленного путешествия к самым близким звездам, вполне может быть, что ракета - не лучшее транспортное средство для межзвездного полета. Все ракеты состоят из полезной нагрузки, запаса реактивной массы, источник энергии, двигателя, движителя и конструкции все это соединяющей. Но имеется целый класс космических аппаратов, которые не должны нести никаких источников энергии, реактивной массы и даже двигателя на борту и состоят только из полезной нагрузки и движителя. Эти космические аппараты разгоняются энергией излучения внешнего источника. Опубликовано много работ, предлагающих разные идеи, реализующие такой привод. Три из них я хочу здесь обсудить. Первый - зонд, приводимый в движение выстреливаемыми шариками или пылинками материи. Маленькие пылинки вещества разгоняются в Солнечной системе и направляются на межзвездный зонд, где они перехватываются и отдают свой импульс кораблю. Так же мы рассмотрим идею использовать мазер для разгона зонда, который является, по сути, большой сеткой. Это зонд-парус из проволочной сетки с микросхемами в ее узлах. Парус-сетка помещается в поток микроволнового излучения и быстро разгоняется им. Высокое ускорение позволяет такому парусу достигнуть скорости сравнимой со скоростью света до того как линза уже не сможет фокусировать на нем энергию излучения. По прибытию такого корабля в чужую звездную систему передатчик у Земли опять направляет в сторону зонда микроволновую энергию. Используя провода сетки как антенны, микросхемы собирают эту энергию для питания оптических датчиков и своих логических схем, чтобы накопить научную информацию и получить изображение далекой планетной системы. Полученная картинка отправляется назад, на Землю. Третья схема привода - это разгоняемый лазером световой парус. Здесь большой парус из светоотражающего материала разгоняется к звездам давлением света, который генерируется большой батареей лазеров расположенных на орбите возле Солнца. Такой световой парус достиг бы релятивистских скоростей за несколько лет. По прибытию к цели, часть паруса в центре, отделяется от основного и ориентируется так, чтобы находиться перед большим кольцевым парусом который продолжает лететь вперед. Лазерный луч, посланный из Солнечной системы, отражается от большого кольцевого паруса, который теперь выполняет роль отражающего зеркала, и попадает на обратную сторону малого паруса. Отраженный таким образом луч из Солнечной системы тормозит малый парус и обеспечивает выход на орбиту звезды назначения. После того как команда исследует эту звездную систему в течении нескольких лет, еще один кольцевой парус, возвращает экспедицию назад, отделяется от паруса торможения. Лазерный луч из солнечной системы в этот раз опять переотражается от этого кольцевого паруса, разгоняя возвращаемый, еще меньший парус в направлении дома. Поскольку на этот раз парус летит в сторону Солнечной системы, луч, направленный на него при подлете, затормозит возвращающуюся экспедицию.
Межзвездный полет
Полет к звездам - очень сложное мероприятие. Звезды от нас далеко и скорость света ограничивает нас, вынуждая буквально переползать через межзвездное пространство. Десятилетия и столетия пройдут, прежде чем домоседы дождутся результатов экспедиции. Энергия, необходимая чтобы запустить пилотируемую межзвездную экспедицию - огромна. Это связано с тем, что масса, которая должна быть разогнана, велика, а скорость ее путешествия должна быть тоже очень немалой. Но эта энергия все же может быть получена, если мы развернем наши технологии в космическом пространстве, где постоянно льется солнечный свет, который является неограниченным источником энергии - около киловатта на квадратный метр, Гигаватт на квадратный километр. Предложено много идей в литературе по методам совершения межзвездных путешествий (См. библиографию. Mallove, Forward, Paprotny and Lehmann, 1980; Paprotny and Lehmann, 1983; Paprotny, Lehmann, and Prytz, 1984 and 1985). Возможно однажды один из этих проектов-мечтаний станет реальным межзвездным кораблем.
Непросто представить рассеяния, которые придется преодолеть межзвездным путешественникам. Большая часть из миллиардов людей живущих на Земле сейчас не путешествовали дальше 40 километров от места своего рождения. Из этих миллиардов несколько человек путешествовали к Луне, которая от нас почти в 400 000 км, то есть в 10 000 раз дальше этих 40 километров. Скоро один из наших зондов пересечет орбиту Плутона. Это в 10 000 дальше, чем Луна. То есть 4 000 000 000 км. Но ближайшая звезда в 4.3 световых лет отсюда, в 10 000 раз дальше, чем расстояние до Плутона.
Чтобы осуществить даже одностороннюю миссию для робота-зонда к ближайшей звезде за время жизни человека надо запустить зонд минимум со скоростью 0.1 С (10 % от скорости света). На такой скорости исследователь за 43 года достигнет цели, после чего потребуется еще 4.3 года, чтобы собранная роботом информация достигла нас. Ближайшая звезда называется Проксима Центавра (Proxima Centauri) одна из звезд тройной системы, которая называется Альфа Центавра (Alpha Centauri). Некоторые ближние звезд очень похожи на наше Солнце. Они несколько дальше расположены от нас, но являются куда лучшими кандидатами для обнаружения у них планет, подобных Земле. Это Эписилон Эридан (Epsilon Eridani) в 10.8 световых лет отсюда и Тау Кита (Tau Ceti) в 11.8 световых лет. Достижение этих звезд за разумное время потребует скорости в 0.3 С. На такой скорости понадобится 40 лет для полета к цели, плюс 11-12 лет, чтобы информация достигла Земли. Мы должны превысить скорость в 0.1 С, дабы добраться к любой из этих звезд за разумнее время, но если мы можем достигнуть скорости в 0.3 С, имеется 17 звездных систем с 25 видимыми звездами и сотнями планет вокруг них. Все это в радиусе 12 световых лет [Forward, 1976 ]. Множество этих звезд и планет, досягаемых на скорости 0.3 С должны занять наше внимание, пока инженеры работают над проектами более быстрых звездных кораблей. И хотя имеется возможность использовать термоядерный синтез или ракету на антиматерии для медленного путешествия к ближайшим звездам, может оказаться, что ракета - не лучший способ путешествия туда.
Оценка ракетной технологии
Нет никакой необходимости использовать именно ракетный принцип, чтобы построить межзвездный корабль. Если мы используем концепцию классической ракеты, мы обнаруживаем, что любое подобное устройство состоит из полезной нагрузки, топлива (реактивной массы), источника энергии, двигателя, который сообщает энергию топливу (реактивной массе), движителя, то есть устройства, превращающее импульс реактивной массы в импульс корабля, и конструкции все это соединяющей. Классическая химическая ракета совмещает реактивную массу и источник энергии в химическом топливе. Но так как любая ракета должна нести отбрасываемую реактивную массу наряду со всем остальным, возможности разгона такого корабля существенно ограничены. Для миссий, у которых конечная скорость v больше чем скорость истечения u, необходимый запас топлива (отбрасываемой массы) возрастает как экспонента отношения v/u.
Можно придумать другой тип транспортного средства, которое не использует ракетный принцип (то есть не несет всю реактивную массу на борту) и таким образом избегает экспоненциального роста массы топлива, неизбежного в случае классической ракеты. Некоторые из таких идей превосходные кандидат на роль идеального межзвездного корабля. Например, прямоточная система Бассарда (Bussard interstellar ramjet [Bussard, 1960 ]). Межзвездная прямоточная система не несет на себе никакого запаса реактивной массы и даже энергии, потому что она использует специальный коллектор чтобы собирать атомы водорода, которые имеются в "пустоте" космоса. Собранные атомы водорода используются как термоядерное топливо в двигателе, где энергия синтеза применяется для разгона продуктов реакции (обычно атомов гелия) которые и обеспечивают тягу для путешествия. К сожалению никто пока не знает как построить реактор на синтезе голых протонов и как создать коллектор для сбора водорода (который должен быть очень большой в диаметре и очень легкий по массе).