Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия - Митио Каку

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.

В 2011 г. DARPA и НАСА организовали интереснейший симпозиум под названием 100 Year Starship («Столетний космический корабль»). В нем приняли участие ведущие ученые, которые могли бы составить примерный план межзвездных путешествий на следующее столетие. Проект был организован «старой гвардией» космической отрасли — неформальной группой пожилых физиков и инженеров. Многим из них уже за 70, и они хотят, чтобы их коллективное знание помогло человечеству добраться до звезд. Тем более что сами они работают над этим уже несколько десятилетий.

Лэндис тоже принадлежит к «старой гвардии». Но среди этих людей есть и необычная пара — Джеймс и Грегори Бенфорды, братья-близнецы, ставшие физиками и писателями-фантастами. Джеймс рассказал мне, что его увлечение межзвездными кораблями началось еще в детстве, когда он запоем читал всю фантастику, которая попадала ему в руки, и особенно любил романы Хайнлайна о Космическом патруле. Уже тогда он понимал, что если они с братом серьезно мечтают о космосе, то им придется изучать физику. Много-много физики. Так что оба они решили получить докторскую степень в этой области. Сегодня Джеймс — президент компании Microwave Sciences, он уже не одно десятилетие занимается микроволновыми системами большой мощности. Грегори — профессор физики в Университете Калифорнии в Ирвине, а в другой своей жизни — лауреат престижной премии «Небьюла» за один из своих романов.

По следам симпозиума 100 Year Starship Джеймс и Грегори написали книгу «Век космического корабля. К величайшему горизонту» (Starship Century: Toward the Grandest Horizon), в которой содержатся многие представленные здесь идеи. Джеймс, специалист по микроволновому излучению, уверен, что световой парус — наш шанс на полеты за пределами Солнечной системы. Однако он признает: есть много других проектов, которые при реализации оказались бы чрезмерно дорогими, но при этом базируются на прочной физической основе и, возможно, когда-нибудь будут все же реализованы.

Эта история началась в 1950-х гг., когда большинство людей жило в страхе перед ядерной войной, но несколько ученых-атомщиков искали пути мирного применения ядерной энергии. Рассматривались всевозможные идеи, такие как использование ядерных боеприпасов для создания портов и искусственных гаваней.

Большая часть этих предложений была отвергнута из-за боязни радиоактивного загрязнения и незапланированных разрушений в результате ядерного взрыва, однако одно интригующее предложение уцелело. Это был «Проект Орион», предлагавший использовать ядерные бомбы в качестве источника энергии для космических кораблей.

Идея была проста: запастись небольшими атомными бомбами и выбрасывать их одну за другой из задней части космического корабля. Каждый взрыв мини-бомбы будет создавать выброс энергии, толкающий корабль вперед. В теории, если последовательно взорвать серию ядерных бомб позади ракеты, ее можно разогнать до скоростей, близких к световой.

Над идеей работали физик-ядерщик Тед Тейлор и Фримен Дайсон[37]. Тейлор был знаменит тем, что сконструировал ряд разных ядерных бомб, от самой крупной атомной, которую когда-либо взрывали (примерно в 25 раз мощнее бомбы, сброшенной на Хиросиму), и до маленькой портативной бомбочки Davy Crockett (примерно в 1000 раз уступающей по мощности хиросимской). При этом он всей душой жаждал применить свои обширные знания о ядерных взрывах в мирных целях и с готовностью взялся за проработку идеи космического корабля «Орион».