XXI век: строим звездолет

Перед вами проект удобного, экономичного, безопасного и в принципе осуществимого сегодня корабля для межзвездных путешествий: термоядерный двигатель, лазеры и электромагнитные пушки, магнитное зеркало, сверхпроводящий тор...

Александр Викторович Багров астроном, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Астрономического совета АН СССР, автор 20 научных работ и 4 изобретений. Занимается конструированием приборов для астрономических наблюдений, исследованиями искусственных спутников Земли, проблемами аномальных явлений (НЛО) и контакта с внеземными цивилизациями.   Михаил Александрович Смирнов астроном, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник астрономического совета АН СССР, автор около 50 научных статей и 3 изобретений. В круг научных интересов входят исследования искусственных спутников Земли, задачи астрофизики, проблемы контакта с внеземными цивилизациями.

XXI век: строим звездолет

Мы вправе считать, что экспансия в окружающее пространство - неотъемлемое свойство всего живого, и видеть в ней стимул для дальнейшего развития. Касается это, естественно, и сообщества людей. Земное человечество за тысячи лет своего существования освоило почти всю планету и вплотную приблизилось к новому этапу в эволюции - освоению околоземного космического пространства. Сейчас никто не знает, когда цивилизация распространит себя на всю Солнечную систему, но можно смело утверждать, что задолго до того земляне начнут прокладывать пути к другим звездам, как с целью изучить глубины космоса, так и в надежде установить контакт с обитателями иных миров.

Опыт, которым мы располагаем, говорит о том, что сам человек все реже берет на себя роль пионера-первооткрывателя, рискующего своей жизнью на тропах неизвестного, а чаще и чаще поручает ее автоматическим зондам. Исследовательские аппараты уже проникли во все уголки Солнечной системы, добрались до самой дальней из планет - Нептуна[1], а люди еще только достигли Луны и смогут полететь к другим планетам лишь в следующем столетии. Без сомнения, автоматы - это как раз те средства познания Вселенной, чьи полеты всегда будут предварять космические путешествия человека.

Наши возможности исследовать и осваивать далекие пространства во многом зависят от скорости полета рукотворных аппаратов. Если на путь до Нептуна межпланетный зонд "Вояджер" затратил 12 лет, то при той же средней скорости 20 км/с добраться до ближайшей звезды Альфа Центавра можно будет лишь за 80 тыс. лет.

Беспилотные аппараты в отличие от пилотируемых обладают тем важным преимуществом, что могут посылаться в одном направлении, без возвращения на Землю. Отпадает потребность в запасах топлива на обратную дорогу и торможение у Земли. И потому может быть увеличена скорость.

Разрабатывая аппарат для дальних космических экспедиций, крайне важно оценить время, которое придется затратить на перелет. Очевидно, что путешествия, продолжающиеся целое тысячелетие, нас никак не устраивают, даже если вся исследовательская аппаратура будет до конца безупречно работать. Но с другой стороны, безусловно, оправдала себя посылка зондов к телам Солнечной системы, на путь до которых уходили годы и даже десятилетия. Сколько же должен длиться полет к звездам, чтобы не потерять смысла?

Мы бы предложили в качестве отправного такой критерий: продолжительность полета, имеющего цель получить новые сведения об удаленном объекте, не должна превышать времени, за которое удвоится информация об этом объекте при условии, что данный полет не состоялся.

Вообще же оценка полезности должна носить некий стоимостный характер и исходить из "цены" экспедиции и ценности ожидаемых от нее результатов. Ресурсы цивилизации не бесконечны, и сверхзатраты не всегда окупаются "сверхприбылью" от нового знания, сколь бы заманчивым его приобретение ни казалось.

Одна и та же информация может быть получена разными путями. Так, открыть планету у другой звезды способен не только космический зонд, но и внеатмосферный орбитальный телескоп диаметром 100 м. А вот изучить даже самые простейшие формы жизни на новой планете никак не удастся без отправки туда космического аппарата. В первом случае время удвоения информации об объекте исследования связано с развитием телескопостроения, и поиск планет в других звездных мирах не обязательно упирается в запуск зонда. Во втором же такой полет - единственный способ получить нужную информацию.

Но в любом случае посылка многоцелевого зонда оправдана лишь тогда, когда полученная от него информация не запоздает и аналогичные данные не доставит другой аппарат, пусть даже оборудованный теми же приборами, но отправленный значительно позднее первого с гораздо большей скоростью. Так что вопрос о том, запускать ли межзвездный корабль сейчас или подождать несколько десятилетий, когда такая же, если не лучшая, машина будет стоить намного дешевле, - не только лишь экономический.

Космические полеты никогда не будут бесплатными, но даже если пренебрегать стоимостной стороной дела, то соображения их целесообразности все равно сильно ограничивают и приемлемые скорости, и дальности межзвездных путешествий. Известно, что объем знаний нашей цивилизации об окружающем мире растет примерно равномерно по всем отраслям и удваивается за конечное число лет. Пусть оно равно нескольким десятилетиям (хотя в действительности оно меньше). Это значит, что, скажем, за 100 лет, прошедших от запуска зонда, человечество сумеет создать более совершенные и быстрые звездолеты, более чувствительные анализаторы, более качественные методы интерпретации собранных данных, и скорее всего за это время другим способом и лучше решит все задачи, ради которых предпринималась экспедиция. Одним словом, она потеряет свой смысл.

* * *

Достичь больших скоростей полета при использовании реактивного двигателя можно, увеличив массу топлива или (и) повысив скорости истечения рабочего вещества.

Чтобы разогнать ракету до высокой скорости, необходимо время, но дистанция разгона до "крейсерской" скорости как минимум не должна превышать расстояния до цели полета. Следовательно, ускорения не могут быть слишком малыми, что требует приемлемого соотношения между тягой двигателя и массой летательного аппарата. Понятно, что увеличить силу тяги при больших скоростях истечения рабочего вещества можно, лишь сильно повысив энерговыделение в единицу времени (мощность) двигателя.

Химические источники энергии не способны дать продукты реакции, у которых бы кинетические скорости молекул превышали 5 км/с. Ядерные взаимодействия позволяют достичь гораздо больших скоростей истечения - до 10-30 тыс. км/с. Энерговыделение здесь около, одной сотой от предельно возможного. Предельное энерговыделение, когда скорость приближается к скорости света, достижимо лишь при аннигиляции вещества и гравитационном коллапсе. Для межзвездных полетов (с точки зрения мощности двигателя и скорости движения материи в нем) подходят три последних механизма. Носителями энергии здесь выступают частицы, у каждой из которых ее запас измеряется несколькими мегаэлектрон-вольтами.

Воздействие рабочего вещества неизбежно ведет к нагреву содержащего его реактора. Надо предотвратить разрушение и самого реактора, и всего звездолета. Возникает непростая проблема сброса тепла. Каждый квадратный метр поверхности с температурой 300 К в открытом космическом пространстве излучает 0,5 кВт, так что еще при конструировании корабля (чтобы не заниматься весьма сложным проектированием эффективных охлаждающих радиаторов) необходимо предусмотреть его минимальный нагрев энергией собственного двигателя.

Конструкция межзвездного корабля, кроме того, должна обеспечивать его защиту от столкновений с частицами межзвездной среды. При скоростях полета в тысячи километров в секунду они будут обладать не только огромной разрушительной силой, но и большой проникающей способностью.

Идею двигателя с фотонной тягой еще перед войной высказал немецкий теоретик ракетной техники Э. Зенгер. Он постулировал осуществимость "абсолютного зеркала", которое способно отражать и фокусировать кванты света сразу всех длин волн, рождающиеся при аннигиляции вещества и антивещества. Теоретически такая ракета может развить скорость, близкую к скорости света, при очень выгодном соотношении массы топлива и полезной нагрузки. Но дело все в том, что практически реализовать замысел не удастся даже в отдаленном будущем, поскольку принцип "абсолютного отражателя" вступает в противоречие с известными нам законами природы. Осознание этого обстоятельства привело к появлению других проектов межзвездных кораблей, пусть несколько неуклюжих, но осуществимых хотя бы в принципе.

* * *

Труднее всего при создании ракеты с ядерным двигателем ответить на самый главный вопрос: как преобразовать хаотический разлет продуктов ядерных реакций в ее направленное движение? Поскольку сформировать направленный поток синтезированных в реакциях частиц технически очень сложно, обычно рассматривают более простую схему звездолета: в его конструкции предусматривают большой толстый экран, который отделяет полезную нагрузку от зоны, где производятся микровзрывы ядерного топлива. Экран, поглощая попадающие в него продукты ядерного синтеза, приобретает импульс захваченных частиц и благодаря этому ускоряется в направлении от точки взрывов. Коэффициент полезного действия такого двигателя невысок, поскольку только десятая часть от всей кинетической энергии частиц используется на движение. Мало того, экран, способный захватить все "выстреленные" в него частицы, должен обладать очень большой массой, а значит, и развиваемое ускорение не может быть велико. К тому же и микровзрывы не могут быть слишком мощными, иначе экрану будет грозить разрушение.

В известном английском проекте "Дедал" предлагается термоядерные микровзрывы осуществлять в магнитной ловушке, из которой для заряженных альфа-частиц (ядер гелия) и электронов предусмотрен только один выход. Магнитное поле одновременно формирует "камеру сгорания" и "сопло" и предохраняет двигатель от непосредственного контакта с продуктами синтеза. Здесь для создания тяги используется практически вся кинетическая энергия частиц, но мощность такого реактора не может быть большой, поскольку магнитная ловушка должна выдерживать взрывы ядерных зарядов.

Ядерные двигатели, как уже говорилось, не способны обеспечить очень сильный разгон. Фотонные же, где для создания тяги используются частицы, летящие со скоростью света, вообще говоря, могли бы развить субсветовую скорость, если бы одновременно удалось найти сверхмощный источник фотонов и хороший отражатель для них. И если зеркала для видимого света или радиоволн довольно-таки эффективны, то приемлемые источники такого излучения слишком маломощны. Аннигиляция дает потоки очень мощного излучения, но у возникающих фотонов настолько велика энергия, что они свободно пронизывают даже толстые свинцовые экраны.

Чтобы оптимизировать конструкцию фотонного двигателя, американские ученые предложили оставить генератор фотонов... на Земле. Громоздкий и тяжелый излучатель не обязательно брать с собой, решили они, на звездолете достаточно установить зеркало-парус. Направляемый на него с Земли поток микроволнового или инфракрасного излучения, отражаясь от зеркала, создаст необходимую тягу. Согласно одному из проектов, чтобы разогнать двадцатиграммовый (!) корабль-парус до одной пятой скорости света, понадобится передатчик микроволнового излучения мощностью несколько десятков тысяч мегаватт.

При другом варианте корабля-паруса, когда облучение осуществляется инфракрасным светом, трехлетний разгон однотонного зонда примерно до одной десятой скорости света позволяет ему за 40 лет добраться до системы Альфа Центавра. Но чтобы реализовать проект, нужен лазер огромной мощности - 65 тыс. МВт.

Еще более экзотичен проект пилотируемого зонда массой 76 тыс. т с зеркалом-парусом диаметром 1000 км. Чтобы затормозить корабль в конце пути, его надо будет осветить со стороны цели полета, а для этого от звездолета отделится зеркало, которое направит на парус с нужной стороны посылаемый с Земли инфракрасный луч. Разгон при возвращении на Землю обеспечит еще одно зеркало, оставленное у цели путешествия. Окончательное же торможение произойдет под действием прямого луча с родной планеты. На экспедицию до звезды Эпсилон Эридана (ближайшей из похожих на наше Солнце, расстояние - 10,8 св. лет) при скорости, достигающей половины скорости света, уйдет 51 год (из-за релятивистских эффектов часы корабля покажут только 46 лет). Тут уже предусматривается многолетняя непрерывная работа целой батареи лазеров общей мощностью 43-75 млрд. МВт. Правда, авторы проекта умалчивают, что на питание генератора света надо затратить заметную долю всей энергии Солнца. Ничего не говорят они и о защите зеркал и экипажа от бомбардировки встречными атомами межзвездного водорода, которые при столь больших скоростях превратят звездолет в кружево задолго до первого торможения.

* * *

В 1975 г. в СССР был предложен новый принцип действия двигателя, в котором специально подобранные термоядерные реакции, выделяющие исключительно заряженные частицы, сочетаются с магнитным полем, фокусирующим разлетающиеся частицы и создающим направленную струю. Десятилетие спустя авторы статьи в развитие этой идеи выдвинули концепцию межзвездного корабля с импульсным термоядерным двигателем и электромагнитом из покрытого сверхпроводящей пленкой тора (см. рисунки). В своих расчетах мы, естественно, опирались только на известные в то время сверхпроводники с критической температурой не выше 23 К. И даже при таких жестких ограничениях на рабочую температуру конструкционного материала для фокусирующего магнита получались вполне осуществимые варианты звездолета, чей ядерный двигатель обеспечивал скорость 10 000 км/с. В 1987 г. было открыто целое семейство сверхпроводников, которые сохраняют свои сверхпроводящие свойства до весьма высоких температур. И теперь возможность создать звездолет уже в XXI в. (на основе ныне существующих или изобретенных в ближайшем будущем технологий) стала в высшей степени реальной.

Как уже говорилось, большие скорости полета достижимы, только когда реактор очень мощный. И видимо, чтобы добиться высокого энерговыделения при приемлемой массе реактора, лучше всего вынести зону реакции за пределы области, где могло бы происходить механическое взаимодействие между продуктами синтеза и материалом конструкции. А как сформировать, сфокусировать направленный поток частиц из зоны реакции? Для заряженных частиц любой энергии в качестве отражателя подходит магнитное поле, в то время как для нейтральных высокоэнергетических подобного эффективного устройства пока не существует. Вывод ясен: из множества ядерных реакций для использования в реактивном двигателе подойдут только те, у которых существенная часть энергии выделяется в форме кинетической энергии заряженных частиц. В качестве их источника во всех отношениях удобна термоядерная реакция протона и ядра атома бора. Ее результатом чаще всего бывают три ядра гелия и изредка ядро углерода и гамма-квант. Основная доля выделяющейся энергии приходится на заряженные частицы с весьма высокой скоростью разлета - 10⁴ км/с. Гамма-кванты же уносят менее 0,3 % высвобождаемой энергии. Инициировать синтез может лазерный поджиг, а чтобы все вещество заряда участвовало в реакции, энергия единичного взрыва должна быть не меньше 10¹⁵ эрг.