Межзвездное путешествие: 7 звездолетов для покорения космоса

Астрономы не так давно объявили убедительные доказательства того, что похожая на Землю планета возле Проксимы Центавра, звезды, ближайшей к нашему Солнцу, является ближайшей к нам экзопланетой, найденной на сегодняшний день.

Хотя звездная система является нашим космическим соседом, она находится на расстоянии 4,2 световых года или около 40 триллионов километров от Земли. Учитывая такие огромные расстояния, сможем ли мы когда-нибудь посетить вновь открытую планету?

На полет даже к самым близким звездам потребовались бы десятки тысяч лет, если использовать обычный космический корабль, такой как автоматические зонды, которые теперь исследуют солнечную систему.

Эти космические корабли приводятся в движение комбинацией химических и ионных двигателей с малой тягой и гравитационных траекторий, включая так называемые «маневры с рогаткой» вокруг Солнца или планет, которые дают им большой прирост скорости.

Но если мы собираемся путешествовать за пределы нашей солнечной системы, нам понадобится что-то гораздо более быстрое, возможно, что-то вроде гигантской ракеты-носителя проекта Daedalus, показанной здесь в масштабе с ракетой Сатурн V на иллюстрации.

Вот семь способов, которыми автоматы или даже люди-исследователи могут посетить систему Проксима Центавра или другие планетные системы.

Проект Дедал

Project Daedalus — это концептуальный проект межзвездного корабля, разработанный в 1970-х годах группой технических специалистов для Британского межпланетного общества. Целью полета была выбрана Звезда Барнарда — красный карлик на расстоянии 6 световых лет, во многом похожий на Проксиму Центавра, где, как сообщают астрономы, обнаружены признаки потенциально обитаемой планеты.

Когда проект «Дедал» был задуман, некоторые астрономы думали, что планеты могут находиться на орбите вокруг звезды Барнарда, но с тех пор в звездной системе так и не было найдено ни одной планеты.

Результатом пятилетней работы стало проектирование космического корабля Daedalus, двухступенчатой ​​ядерной ракеты, которая позволила бы ускорить 400-тонный роботизированный зонд примерно до 12 процентов скорости света. Это позволило бы кораблю совершить путешествие на 6 световых лет до Звезды Барнарда примерно за 50 лет.

Космический корабль «Дедал» должен приводиться в действие ядерным синтезом, используя электронные лучи для детонации потока топливных гранул, таких как гелий-3, которые могут быть добыты с поверхности Луны.

Несмотря на это, двигатели потребляли бы десятки тысяч тонн топлива, чтобы разогнать космический корабль до максимальной скорости примерно через 4 года полета.

Однако, в результате прожорливости двигателей не осталось бы топлива для замедления скорости, и конечный результат 50-летнего путешествие будет всего лишь 70-часовым пролетом системы назначения, прежде чем космический корабль улетит в межзвездное пространство.

Дедал был бы слишком большим (длина 200 метров, диаметр 190, масса топлива 50000 тонн), чтобы оторваться от поверхности Земли, поэтому его пришлось бы строить на орбите, а это значит, что такой космический корабль не может быть построен без технологии строительства в космосе, которой сегодня не существует.

Проект Икар

Концепции проекта Дедал 1970-х годов являются источником вдохновения для проекта Icarus (2009-2014), совместного проекта Британского межпланетного общества и Межзвездной организации Icarus, международной сети ученых, инженеров и энтузиастов, которые надеются с каждым годом развивать возможности межзвездного космического полета к 2100 году.

Проект Икар предназначен для достижения любой звезды в пределах 22 световых лет от Земли, которая имеет потенциально обитаемую экзопланету, а это означает, что если планета будет подтверждена вокруг Проксимы Центавра, то и она может стать целью назначения.

Проект Икар направлен на обновление Дедала новыми технологиями и идеями. Среди предлагаемых усовершенствований — ракетные двигатели с термоядерным синтезом, в которых используется другое ядерное топливо, которое будет взорвано лазерами вместо электронных лучей — технология, которая может быть основана на недавних достижениях в области синтеза с лазерным зажиганием.

Космический корабль Икар также может быть меньше, чем Project Daedalus, благодаря достижениям в области электронной миниатюризации и робототехники, а также будущим нанотехнологиям, что означает, что космическому кораблю потребуется меньше топлива для достижения полной скорости (10-20% от скорости света).

Космический парус

Легкие паруса, использующие давление света для движения полезной нагрузки, уже рассматриваются для межпланетных космических зондов, и в 2010 году экспериментальный японский космический корабль IKAROS успешно использовал свой легкий парус шириной 20 метров для маневрирования в течение шестилетнего путешествие на Венеру.

Но хотя космические паруса, управляемые солнечным светом, уже являются эффективным способом исследования Солнечной системы, они недостаточно быстры, чтобы преодолеть межзвездные расстояния за разумное время.

Ответ может заключаться в том, чтобы использовать мощные лазеры для разгона паруса до очень высоких скоростей с всплесками света в начале пути, пока космический корабль не окажется слишком далеко от лазерного источника, чтобы получать большую тягу от светового луча.

Поскольку движущие лазеры будут строиться на Земле или на орбите, межзвездному космическому кораблю на легких парусах не нужно будет нести топливо для полета, и поэтому масса космического корабля может быть небольшой.

Легкие парусные космические корабли с лазерным приводом являются основой проекта Breakthrough Starshot, который был объявлен в 2016  году инвестором Юрием Мильнером и физиком Стивеном Хокингом.

Проект нацелен на создание работающего прототипа к 2036 году с конечной стоимостью миссии около 10 миллиардов долларов и активно развивается в настоящее время.

Проект предусматривает создание около 1000 космических кораблей «StarChip» размером с коробку спичек, каждый из которых весит несколько грамм и прикрепляется к легкому парусу шириной 4 метра, которые будет развернуты с «материнского корабля» на орбите и ускорены наземными лазерами до скоростей от 15 до 20 процентов скорости света.

Это позволило бы космическому кораблю совершить путешествие на расстояния в 4 световых года в систему Альфа Центавра — трехзвездную систему, включающую в себя звезду Проксима Центавра и ее возможную планету — в срок между 20 и 30 годами.

Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

Концепция прямоточного двигателя Бассарда, предложенная физиком Робертом Бассардом в 1960 году, сочетает высокую тягу термоядерных ракет с низкими требованиями к топливу космического паруса.

Вместо того, чтобы нести свое собственное топливо, прямоточный двигатель Бассарда должен будет собирать газ, найденный в межзвездном пространстве, известном как межзвездная среда, используя огромное воронкообразное электромагнитное поле, которое простирается на тысячи километров перед космическим кораблем.

Водород из межзвездной среды будет затем сжат и использован в качестве топлива в термоядерной ракете в задней части космического корабля. Теоретически космический корабль, оснащенный прямоточным двигателем Бассарда, может продолжать ускоряться до тех пор, пока на его пути достаточно межзвездного газа, чтобы обеспечить необходимую тягу, и может достичь скорости в 10% от скорости света.

К сожалению, межзвездная среда вокруг нашей Солнечной системы и близлежащих звезд особенно разряженная, и ученые подсчитали, что там просто недостаточно водорода, чтобы заправить прямоточный двигатель Бассарда.

Ещё одним недостатком прямоточного двигателя Бассарда является ограниченность скорости, которой может достичь оснащённый им космический корабль (не более 35,7 тыс. км/с). Это зависит от того, что при улавливании каждого атома водорода корабль будет терять определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторого предела.

Для преодоления этого ограничения необходимо как можно более полное использование кинетической энергии всех улавливаемых атомов, что является очень сложной задачей.

Ракета с антивеществом и черная дыра

Помимо легких космических парусов, гигантских лазеров и термоядерных ракет, было предложено еще несколько экзотических вариантов межзвездного путешествия, таких как ракеты, приводимые в действие чрезвычайно сильной (и чрезвычайно эффективной) реакцией аннигиляции вещества и антивещества.

«Антиматерия была бы отличным ракетным топливом, потому что ее плотность энергии очень высока», — говорят ученые. «Но, конечно, ее нет в природе, мы должны ее создать. И это очень трудно и дорого сделать, и кроме того очень опасно».

Следует отметить, что общее количество антивещества, которое было создано людьми, составляет менее 20 нанограммов. Согласно докладу исследователей, космический корабль с двигателем на антивеществе мог бы достичь половины скорости света. Однако сам корабль весил бы около 400 тонн и потребовал бы 170 тонн топлива из антивещества.

Другое предложение использовать экзотическую физику для управления космическим кораблем — это двигатель Шварцшильда Кугельблица, который будет использовать микроскопическую искусственную черную дыру, содержащуюся в его двигателях, в качестве источника энергии.

Одна из идей для корабля, оснащенного так называемым «SK-приводом», будет улавливание излучения Хокинга от быстрого и чрезвычайно сильного распада крошечной черной дыры и преобразование его в энергию, которую можно использовать для ускорения космического корабля.

Каждая из таких искусственных черных дыр просуществует всего несколько лет, поэтому новые черные дыры нужно будет создавать по требованию, возможно, сжимая гранулы материи с помощью гамма-лазеров.

Согласно исследовательской работе 2009 года, звездолет с SK-приводом, приводимый в движение микроскопической черной дырой с массой современного супертанкера, может разогнаться до 10% скорости света в течение 20 дней. Черная дыра просуществует около 3,5 лет, прежде чем полностью распадется, и за свою жизнь она сможет выработать более 160 петаватт энергии, или 160 квадриллионов ватт.

Анабиоз и корабль поколений

Даже со сверхскоростными ракетами, движущимися со скоростью 10 или более процентов скорости света, понадобится очень много времени с точки зрения жизни одного человека, чтобы достичь самых ближайших звезд, не говоря уже о более отдаленных.

В ответ на это, существует несколько идей так называемой концепции «Медленной лодки», которые могут однажды привести людей к звездам, и включают в себя:

«Спящие Корабли», в которых члены экипажа находятся в состоянии «глубокого сна» или гибернации (анабиоза) на время очень долгого рейса. Эта идея очень распространена в научно-фантастических романах и была использована в нескольких научно-фантастических фильмах, в том числе в фильме Стэнли Кубрика «2001: Космическая одиссея», снятого в 1969 году, в фильме Ридли Скотта «Чужой» в 1979 году, в «Аватаре», в «Пассажирах» и т.д.

«Мировые Корабли», также известные как «корабли поколений» или «межзвездные ковчеги», будут гигантскими автономными космическими средами обитания, несущими большие популяции людей и других видов с Земли в относительно неторопливом путешествии для колонизации экзопланет — путешествии, которое может занять много веков. (Джон Мур предположил, что население в 150—180 человек может автономно существовать и поддерживать численность популяции в течение 80 поколений, что примерно равно 2000 годам). Целые поколения будут жить и умирать во время долгого полета, и только далекие потомки первоначального населения прибудут к месту назначения, если конечно они будут помнить первоначальную идею.

Кроме того, есть даже идея «Корабля-эмбриона», на котором на отдаленную планету отправляют криогенно-замороженных человеческих эмбрионов вместо спящих или живых людей, где их «высиживают» и обучают специальные защитные роботы, которые выступают в роли их «матери» и «отца».

Полет быстрее света?

Куда бы мы ни смотрели во Вселенной, всем управляет теория относительности. Как показал Альберт Эйнштейн, невозможно ни разогнать массу до скорости света в космосе, ни превзойти нее.

Но уравнения Эйнштейна могут содержать несколько уловок, которые когда-нибудь позволят науке обойти известные законы физики и достичь путешествия быстрее света — Святой Грааль для многих поколений любителей научной фантастики.

Самая известная научная концепция для путешествий быстрее скорости света — это привод Алькубьерре (варп-двигатель), предложенный физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году.

Предлагаемый привод работает с использованием интенсивных гравитационных сил, генерируемых двумя вращающимися кольцами плотной экзотической материи, чтобы уменьшить физические размеры пространства перед космическим кораблем при одновременном расширении пространства позади него со скоростью, которая может превышать скорость света.

В предложении Алькубьерра, в котором требуется тип экзотической материи для колец, космический корабль внутри «искривленного пузыря», созданного двигателем, никогда не будет двигаться быстрее, чем свет в его локальном пространстве, и поэтому не будет нарушать законы относительности.

Аналогичный способ передвижения звездолетов (сжатие пространства перед кораблем, и расширение за ним) показан в фантастическом фильме «Звёздный путь».

Другая фантастическая идея для путешествия быстрее света включают использование червоточин — что также теоретически возможно, но неизвестно, как она может быть осуществлена на практике.

Однако концепция путешествий со скоростью, превышающей скорость света, изобилует неизвестными и очевидными противоречиями, такими как нарушение принципа причинности, когда одни события вызваны другими событиями, которые произошли раньше, а не наоборот.

Таким образом, вполне вероятно, что подобные предложения окажутся невозможными, даже если они будут когда-нибудь технически осуществимы.