Люди давно мечтают о путешествиях к далеким планетам; этот же вопрос больше века освещается в научной фантастике.
В реальности существует много проблем, которые мешают нам осуществить это, в том числе и отсутствие адекватных технологий.
Но это не останавливает ученых от теоретизации возможных способов освоения космического пространства, которые однажды могут стать вполне реальными.
Ионные двигатели
Ионные двигатели вряд ли станут чем-то новеньким для фанатов «Звездных войн», поскольку на них летали TIE Fighters. Кроме того, это вполне существующая технология, которую использовал зонд Dawn, запущенный в сентябре 1997 году, для изучения карликовых планет Весты и Цереры.
Ионные двигатели работают, когда атомы ксенона бомбардируются электронами, образуя ионы. В задней части двигателя находятся металлические сетки, заряженные на 1000 вольт, которые выстреливают ионы с огромной скоростью. Тяга довольно небольшая, но поскольку космос — это среда без трения и с нулевой гравитацией, она постоянно нарастает. Максимальная скорость, которую набрал Dawn, составляет 38 600 км/ч.
Ионные двигатели требуют минимального топлива. Они в 10 раз эффективней химических двигателей. Энергию они получают от больших солнечных батарей, поэтому нет никакой необходимости строить хранилище для топлива. Также это дает ионным двигателям в теории неисчерпаемый источник энергии. Текущая проблема ионных двигателей заключается в том, что они слишком медленные, чтобы перевозить людей. Их можно было использовать, например, для транспортировки оборудования и припасов в марсианские колонии.
Bussard Ramjet
Как упоминалось выше, одной из самых больших проблем, стоящих на пути у космических путешествий, остается необходимое количество топлива. Для решения этой проблемы в 1960-х годах предложили создать так называемый Bussard Interstellar Ramjet. Идея в том, что космический аппарат подбирает протоны, разбросанные во Вселенной, по мере путешествия. Если эти протоны затем можно синтезировать, космический аппарат по сути летит на ядерной ракете.
Правда, есть ряд проблем с концепцией Ramjet. Можно поднять только определенное количество протонов, а по мере подбора протонов также будет рождаться существенное сопротивление. Кроме того, есть небольшой вопрос о создании стабильно работающего устройства ядерного синтеза.
Движение на ядерном импульсе
Идея использования ядерной энергии для запуска космических аппаратов уходит корнями еще в 1950-е. Проект «Орион» был инициативой NASA, которое решило построить корабль размером с хороший небоскреб, запускающийся от взрыва ядерной бомбы под ним. Вы уже начинаете догадываться о связанных с проектом проблемах. Для начала после этого проекта должно остаться огромное количество радиации, да и сами астронавты получат отравление радиацией. Когда бомба взорвется, она создаст электромагнитный импульс, который уничтожит бортовую электронику. И это если запуск еще будет успешным и не приведет к фатальным потерям. Проект «Орион» рассматривался в первую очередь потому, что мог доставить нас на Марс за три месяца. Обычному кораблю потребовалось бы восемнадцать.
Очевидно, проект «Орион» умер, но стоящая за ним идея живет. «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Кассини» использовали форму ядерной энергии на основе распада плутония, преобразуя ее в электричество, для своих полетов. К сожалению, запасы необходимого плутония на нашей планете подошли к концу, а запустить повторное производство довольно сложно, поскольку это побочный продукт создания ядерных бомб.
Движение на лазерных лучах
Аэрокосмический инженер Леик Мирабо в 1988 году пришел к идее использования движения на лазерных лучах, когда он работал над проектом ПРО «Звездных войн». Аппарат Мирабо должен был быть коническим. Мощный лазерный луч выстреливал бы с узкого конца конуса, содержащего параболический отражатель. Это нагревало бы воздух внутри до 30 000 градусов, что приводило бы к взрывам, создающим тягу. Мирабо считал, что такой аппарат появится уже в ближайшие 20 лет, но его сверстники смотрели на эту идею со скепсисом.
Межзвездный аппарат «Дедал»
Британское межпланетное общество проводило исследования в течение пяти лет, начиная с 1973 года, изучая возможность отправки людей к звезде Барнарда, которая находится в шести световых годах от нас. Их решением стал межпланетный космический аппарат «Дедал» (Daedalus). Daedalus был гигантским аппаратом, тоже по размерам с хороший небоскреб, и точно должен был собираться на орбите Земли.
Как и проект «Орион», он должен был использовать двигатели синтеза. Гранулы топлива вводились бы на высокой скорости в реакционную камеру, где их поджигали бы пучки высокоэнергетических электронов. Первая ступень должна была поднять Земли 46 000 тонн топлива, вторая — небольшую часть корабля с 4000 тонн топлива. Топливом должен был стать гелий-3. Гелий-3 — невероятная редкость на Земле, но на Луне, как полагают, его гораздо больше; также его можно найти в космических облаках. Сбор необходимого количества занял бы 20 лет. Гелий-3 также очень трудно поджечь в качестве топлива, поскольку требуется крайне много тепла. Но если бы проект выгорел, аппарат разогнался бы до 12,2% скорости света и достиг бы звезды Барнарда за 50 лет.
В 2009 году начались исследования в рамках проекта «Икар» (Icarus), которые должны показать, каким может стать межзвездное путешествие после стольких лет научного прогресса.
Верхом на астероиде
Одной из крупнейших проблем путешествий в космосе остается воздействие космических лучей. Если человеку необходимо 1000 дней, чтобы добраться до Марса, он получит такое облучение, что шансы на развитие рака вырастут с 1 до 19 процентов. Космический аппарат состоит из легких материалов, а экраны от радиации слишком тяжелые. Поэтому профессор физики из Массачусетского технологического института считает, что лучшим способом преодолеть большие расстояния будет приземление на астероид и создание туннеля под его поверхностью.
Астероид должен быть 10 метров шириной и проходить в пределах нескольких миллионов километров от Земли и Марса, чтобы план сработал. Пока известно пять таких астероидов, и все они пройдут рядом с Землей до 2100 года. Путешествие будет в один конец, поскольку астероидов, которые летят туда и обратно, не существует. Впрочем, постоянно происходят новые открытия, поэтому, возможно, мы найдем и астероид, летящий от Марса к нам в нужный момент.
Солнечный парус
Хотя паруса сложно назвать высокими технологиями по современным меркам, в космическом контексте они получили хорошее обновление. Вместо использования ветра эти паруса будут задействовать энергию солнца. Солнечные паруса дадут космическому аппарату небольшую тягу, но поскольку в космосе нет трения, эти паруса будут постепенно набирать скорость. К примеру, солнечный парус шириной в 400 метров сможет проходить больше двух миллиардов километров в год. Это быстрее, чем может проходить судно с химической тягой. Также было бы дешевле.
Проекты по использованию солнечных парусов тоже не редкость. Один от NASA называется Sunjammer, названный в честь рассказа Артура Кларка. Парус Sunjammer может быть изготовлен из материала каптона и быть в пять микрон толщиной, весить меньше 20 килограммов и в упакованном состоянии по размерам быть как стиральная машинка.
Другой вариант, созданный в честь Карла Сагана, очень скоро должен выйти на орбиту. Есть также теория, что солнечный парус может отвезти космический аппарат в другую солнечную систему. Такой парус будет размером с большой город и активным его центром будет мощный лазер.
Магнитный парус
Скорость большинства испускаемых Солнцем протонов и электронов варьируется от 400 до 600 километров в секунду. Магнитный парус мог бы использовать их энергию и отталкиваться от них. Петля проводящего материала может производить магнитное поле, которое перпендикулярно солнечному ветру, и это будет толкать аппарат в нужном направлении. Проблема в том, что магнитный парус должен быть стокилометровой длины. Технологии, которые позволят сделать парус из сверхпроводящего материала таких размеров и поддерживать нужную температуру, пока просто недоступны сейчас. Магнитные паруса остаются теорией, пока не будет разработана нужная технология.
Червоточина
Выходцы из научной фантастики, червоточины вдохновляли людей с самого своего появления в теории в 1921 году. Хотя их существование допускается, прямых свидетельств этому пока не находили. Червоточины — это по сути туннели в космосе, через которые может пройти объект в теории. При этом червоточины нестабильны — если кто-то захочет пройти через одну из таких, ее стенки могут коллапсировать. Для безопасного прохождения через червоточину аппарат должен использовать антигравитационную силу. Физики считают, что мы просто не соберем достаточно энергии. Если и существует червоточина, через которую могут пройти люди, то точно не в природе; однако достаточно развитая цивилизация могла бы построить ее. Поэтому пока мы не встретим или не построим ее, червоточина будет оставаться научно-фантастическим вымыслом.
Варп-двигатель
Ставшая популярной благодаря «Звездному пути», идея варп-двигателя позволяет путешествовать буквально быстрее скорости света, при этом не нарушая законы физики. Тем не менее ученые верят в возможность его реализации. Впервые идею предложил физик Мигель Алькубьерре: создать космический аппарат в форме мяча для регби с плоским кольцом вокруг. Правда, чтобы корабль полетел, вам нужен шар антиматерии размером с Юпитер.
Чтобы сделать такой космический аппарат возможным, Гарольд Уайт из NASA внес в проект изменения. В теории его модифицированный корабль будет требовать намного меньше антиматерии, порядка 500 килограммов. Он сможет искривлять пространство-время и достигать скорость в 10 раз быстрее скорости света. Путешествие к ближайшей звезде займет четыре-пять месяцев.
К сожалению, антиматерия чрезвычайно нестабильна. Всего треть грамма антивещества может высвободить столько же энергии, сколько было высвобождено при бомбардировке Хиросимы. Антиматерии в проекте Уайта потянет на 1,5 миллиона Хиросим, чего будет достаточно для уничтожения Земли.
