В клетке Эйнштейна. Как человек сможет бороздить Вселенную без двигателей из Star Trek

  • Юлия Чайка

Ученые назвали четыре главных технологии, которые потенциально помогут человечеству добраться к иным мирам за более короткие сроки.

С тех пор как люди начали наблюдать за ночным небом, мы мечтаем посетить другие миры и по-настоящему познать Вселенную. Наши ракетные двигатели на химическом топливе доставили нас к множеству планет, лун и других объектов в Солнечной системе. Но самый дальний космический аппарат, когда-либо запущенный человечеством "Вояджер -1", находится всего в 22,3 миллиардах километров от Земли (0,056% расстояния до ближайшей известной звездной системы). При современных технологиях путешествие к другой звездной системе заняло бы около 100 000 лет.

С помощью правильной технологии мы могли бы значительно повысить эффективность доставки большой грузоподъёмности, может, даже такой, которая перевозила бы на борту людей. В частности, существуют четыре технологии, которые потенциально могут отправить нас к звездам в более короткие сроки, пишет в своей статье для Forbes астрофизик Этан Сигел.

Ядерный ракетный двигатель

Фото: DAMIEN JEMISON/LLNL

На данном этапе человеческой истории каждая ракета, которую мы когда-либо запускали в космос, имеет одну общую черту   ̶   химическое топливо. Ракетное топливо это специальная смесь, предназначенная для максимизации тяги. Стоит отметить, что часть "химического топлива" очень важна. Реакция, которая приводит его в действие, основана на перегруппировке связей между различными атомами для получения энергии. И этот процесс очень сильно ограничен.

Основная часть массы атома находится в его ядре: 99,95%. Во время химической реакции, электроны, вращающиеся вокруг атомов, перестраиваются, обычно высвобождая где-то около 0,0001% от общей массы атомов, участвующих в форме энергии, через знаменитое уравнение Эйнштейна: E = mc2. Это означает, что на каждый 1 килограмм топлива, которым заправляется ракета, мы получим энергетический эквивалент, где-то в районе 1 миллиграмма массы.

Но если выбрать ядерное топливо, то результаты будут другими. Вместо того, чтобы полагаться на изменение конфигурации электронов и связей атомов между собой, можно высвободить огромное количество энергии, изменив то, как сами атомные ядра связаны друг с другом. Известно, что этот процесс в 1000 раз эффективнее, чем может предоставить топливо на химической основе.

В это же время, термоядерный синтез, который способен превращать водород в гелий (тот же процесс, что происходит на Солнце), будет еще более эффективным. Он почти в 10 000 раз более эффективен, чем химическое топливо.

Ключевым моментом является то, что мы сможем добиться одинакового ускорения для ракеты в течение гораздо более длительных периодов времени. Это позволило бы достичь скоростей в сотни или тысячи раз больших, чем обычные ракеты достигают на сегодняшний день.

"Это может сократить время межзвездных путешествий до нескольких столетий или даже десятилетий. Довольно перспективный путь, которого можно достигнуть, в зависимости от того, как будут развиваться технологии до 2100 года", – пишет эксперт.

Лазеры

Иллюстрация: BREAKTHROUGH STARSHOT

Breakthrough Starshot — научно-исследовательский и инженерный проект в рамках программы Breakthrough Initiatives по разработке концепции флота межзвездных космических кораблей, использующих световой парус, под названием StarChip.

В то время как обычные космические аппараты полагаются на собственное топливо, основная идея этого проекта заключается в том, что необходимую тягу обеспечивает большая мощная лазерная сеть. Иными словами, источник тяги будет отделен от самого космического аппарата. Эта невероятная концепция  ̶   революционная во многих отношениях.

 Если удастся создать парусовидный  материал, который мог бы отражать достаточно высокий процент лазерного света, это позволит использовать лазерный поток для ускорения космического корабля до огромных скоростей. При этом, сами лазерные установки будут находиться на Земле и фокусировать на парусах аппарата луч мощностью 50-100 ГВт.

"Световой парус  "StarChip" массой 1 грамм, мог бы достичь около 20% скорости света, что позволило бы ему добраться до нашей ближайшей звезды Проксима Центавра всего за 22 года. Конечно, нам нужно было бы построить огромную лазерную матрицу, содержащую около 100 кв. км лазеров, но это скорее проблема стоимости, чем науки. Однако, чтобы это сработало, необходимо преодолеть и некоторые технологические проблемы", – отмечает Сигел.

Например, неподдерживаемый парус может начать произвольно вращаться и потребуется стабилизирующий механизм. Также не будет никакой возможности замедлить аппарат при приземлении, так как на его борту не будет топлива. Если же аппарат увеличить в размерах для транспортировки людей, то его ускорение будет слишком высоким для человека.

По мнению эксперта, технология возможно, когда-нибудь и сможет привести нас к звездам, но, к сожалению, успешный план по перемещению людей на 20% скорости света еще не придумали.

Топливо из антивещества

Лаборатория ЦЕРН по исследованию антивещества. Фото: E. SIEGEL

"Для того, чтобы получить максимально эффективное топливо, мы можем использовать процесс самоуничтожения вещества и антивещества", – говорит астрофизик.

Вместо того, чтобы использовать химическое или даже ядерное топливо, где только часть массы, поступающей на борт, преобразуется в энергию, аннигиляция вещества-антивещества преобразует 100% массы в энергию. Для топлива это предельная эффективность. Трудности возникают только на практике и касаются, в частности, трех моментов:

  • создания стабильного нейтрального антивещества;
  • способности изолировать его от обычного вещества и поддерживать над ним четкий контроль;
  • производить в достаточно больших количествах, чтобы его хватило для межзвездных путешествий.

Как ни странно, первые две проблемы уже преодолены. В ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям), на родине Большого адронного коллайдера, находится огромный комплекс, под названием "Фабрика антивещества", где по меньшей мере шесть отдельных групп исследуют различные свойства антивещества. Они берут антипротоны, замедляют их, и заставляют позитроны с ними связываться, создавая таким образом антиатомы или нейтральное антивещество. Исследователи помещают эти антиатомы в сосуд с переменными электрическими и магнитными полями, которые способны эффективно удерживать их на месте, вдали от стенок контейнера, сделанных из вещества.

В середине 2020 года, они смогли в течение почти часа успешно изолировать и поддержать стабильное состояние множество антиатомов одновременно. В какой-то момент, в течение следующих нескольких лет, ученые смогут впервые проверить, падает ли антивещество в гравитационном поле или нет.

"Эта технология появится уж точно не в ближайшее время, однако ракета, управляемая антивеществом, может оказаться нашим самым быстрым средством межзвездного путешествия", – подчеркивает эксперт.

Двигатель на темной материи

Иллюстрация: ROBERT CALDWELL & MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587-589 (2009)

Согласно теории, темная материя является античастицей самой себя и ее крайне много во Вселенной. Если ученые найдут способ собирать и сталкивать частицы темной материи, то у человечества появится источник энергии со 100% эффективностью, и в неограниченных количествах.

По словам исследователей, не только Млечный Путь, но и другие галактики имеют необъяснимый избыток гамма-лучей, исходящих из их галактических центров, где плотность темной материи должна быть наибольшей. Явление может иметь астрофизическое объяснение, например, пульсары. Однако также возможно, что темная материя аннигилирует сама с собой в центрах галактик, отсюда предполагается, что корабль на темной материи все же можно построить.

Преимущество заключается в том, что в галактике темная материя находится буквально повсюду, а это означает, что нам не нужно будет брать с собой топливо повсюду. Вместо этого "реактор" на темной материи сможет:

  • принять любую темную материю, которая прошла сквозь него;
  • способствовать ее аннигиляции, либо позволить ей аннигилировать естественным путем;
  • перенаправить выхлоп для достижения тяги в любом направлении.
  • а для достижения желаемых результатов, мы могли бы контролировать размер и величину реактора.

"Если бы не было необходимости перевозить топливо на борту, многие проблемы, связанные с космическими полетами на двигателях, стали бы неактуальными. Вместо этого, мы смогли бы осуществить самую заветную мечту  ̶  путешествия путем неограниченного постоянного ускорения", – говорит Сигел.

С точки зрения самого космического корабля, это открыло бы одну из самых впечатляющих перспектив из всех: возможность достичь любого места во Вселенной. Если человечество ограничится сегодняшними ракетными технологиями, то потребуется, как минимум, десятки тысяч лет, чтобы совершить путешествие от Земли до ближайшей солнечной системы за пределами нашей. Однако огромные достижения в технологиях находятся в пределах досягаемости и могут сократить это путешествие до одной человеческой жизни.

"Если мы сможем освоить использование ядерного топлива, космических лазерных массивов, антивеществ или даже темной материи, мы сможем осуществить нашу давнюю мечту о том, чтобы стать космической цивилизацией, не прибегая к таким прорывным в физике технологиям, как Варп-двигатель (из фильма "Звездный путь"). Существует множество потенциальных возможностей превратить то, что уже было продемонстрировано и научно обосновано, в осуществимую и жизнеспособную технологию следующего поколения. К концу столетия вполне возможно, что космический аппарат, который еще не был спроектирован, обгонит межпланетные станции New Horizons, Pioneer и Voyager", – подытожил астрофизик.