Орион и Кентавр

   Герои «Звездных войн» шутя перемещаются от одной звезды к другой. Намного серьезней это выглядит в «Аватаре», где 6-летнее путешествие к Альфе Центавра происходит за счет источников энергии, которые мы в состоянии понять. Хотя фантазия Кэмерона в такой же мере неосуществима, как сказки Лукаса. Даже ближайшие к нам звезды чудовищно и невообразимо далеки!  Проблема межзвездного полета рассматривалась в статьях:   

http://extremal-mechanics.org/archives/442

http://extremal-mechanics.org/archives/390

http://extremal-mechanics.org/archives/675

http://extremal-mechanics.org/archives/714

http://extremal-mechanics.org/archives/1428

http://extremal-mechanics.org/archives/1471

http://extremal-mechanics.org/archives/1716  

    В них отражается поиск решения задачи, которое, казалось, существует. Однако в результате стало ясно, что дотянуться до звезд в обозримом будущем не выйдет. Даже 100 км/сек — это открытая проблема. Возможно, что с ней справится ядерный, импульсный двигатель проекта «Орион». Но зона межзвездных миссий начинается с отметки 10 000 км/cек — это 130 лет полета до Альфы Центавра или 1 парсек за век. Крайне желательно достичь 30 000 км/сек, т.е., 10% скорости света. Что это означает в отношении затрат энергии ?

    Межзвездный зонд должен нести двигательную установку, источник энергии и мегаваттный передатчик (радио или лазер). При меньшей мощности вряд ли возможно зафиксировать сигнал, прошедший световые годы. Поэтому полезный зонд, а не снаряд для выстрела в звезду, не может иметь массу до 100 т. Тогда на скорости 30 000 км/сек его энергия не меньше 4.5\cdot 10^{19} Дж, что приблизительно эквивалентно 10 Гт тротила. Это сравнимо с мировым ядерным арсеналом! В пересчете по формуле E=mc^2 получится 500 кг. Только аннигиляция вещества и антивещества способна превратить всю массу топлива в энергию, но производство антивещества — это пока еще фантастика http://extremal-mechanics.org/archives/709. Термоядерный синтез позволяет превращать в энергию около 0,8% массы, что дает нижнюю оценку 65 т топлива на борту. Это сравнимо с брутто-весом зонда, поэтому его прогноз 100 т значительно занижен.

   Из всех источников энергии, доступных в обозримом будущем, у термоядерного синтеза нет конкуренции. Только он может разогнать звездолет до 30 000 км/сек, … если бы fusion удалось зажечь в малом масштабе. Однако это не удается сделать 60 лет и есть основания полагать, что не удастся сделать никогда. Причина в том, что эффективный термоядерный синтез начинается при ~100 млн. K и давлении ~1 млрд. бар. Такие условия удается создать в бомбе, где триггером служит ядерный взрыв деления. Плотность внутренней энергии газа пропорциональна его давлению, то же можно сказать о конденсированной материи в таком состоянии. Давление на термоядерное топливо не должно снижаться при масштабировании взрыва бомбы. Поэтому плотность энергии, которую генерирует система зажигания, будет сопоставима с кошмаром радиационной имплозии. Но бомбу деления нельзя сделать в варианте «мини», а все попытки воссоздать эти условия «мирными средствами» ведут к гигантомании http://extremal-mechanics.org/archives/423.

   Допустим, что нужно взорвать 0,01 грамма термоядерного топлива — эквивалент 2 тонны ТНТ. При плотности сжиженного дейтерия 170 кг/куб.м, площадь поверхности такого шарика = 0.73 кв.см. Давление 1 Гбар означает, что сила, с которой нужно сдавить шарик, равна 730 000 тонн ! Кумулятивная струя создаст давление на 5 порядков меньше, поэтому обычные взрывчатки бесполезны. Устройство, которое сможет дать импульс давления ~1 Гбар на площади ~1 кв.см, окажется слишком громоздким, чтобы работать на борту звездолета.

Вариант Ориона для полета на Марс (современная репродукция)

    Оптимизм 60-70-х в отношении межзвездных полетов вытекал из надежд на управляемый, термоядерный синтез. Его наследием является проект «Дедал-Икар» http://www.icarusinterstellar.org/projects/project-icarus/, который очень хорошо продуман за исключением нюанса: такой двигатель не может работать в принципе! Идея поджигать синтез пучками электронов из небольших ускорителей, расположенных на краю сопла, является наивной.  

     Подход Фримена Дайсона — знаменитого астрофизика, который начал путь в науку математиком, был более реалистичным. Он изложил его в статье 1968 года http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109.jvn.spring00/nuc_rocket/Dyson.pdf, написанной по горячим следам проекта «Орион». Интересно, как Дайсон сравнил Орион с Сатурном-Аполлоном, который как раз тогда готовился к полетам на Луну: реактивный Boeing-707 и большие, но неэффективные самолеты 30-х годов. Сравнение решительно не в пользу самой мощной ракеты! Как бывший участник проекта «Орион»,  Дайсон остался преданным сторонником этой идеи. 

    В статье «Interstellar Transport» (см. ссылку выше) он оценил возможность отправки корабля к ближайшим звездам, используя идею Ориона: разгон за счет толчков плазмы от ядерных взрывов за кормой. Выводы Дайсона были достаточно оптимистическими, но кое-в-чем он ошибался. В статье рассмотрены два варианта звездолета: heat-sink и ablative. В обоих случаях предполагалось использовать полусферическую чашу — пушер, большого размера, но с тонкими стенками, в центре которой взрываются термоядерные бомбы мощностью 1 Мт. Принципиальная разница между двумя дизайнами заключалась в способе защиты от термического действия взрыва. Пушер heat-sink должен был поглощать тепло, а затем излучать его в пространство в инфракрасном спектре. Исходя из этого выбран радиус чаши 10 км и толщина стенки 1 мм. По сути это — парус! Материалом предлагалась медь из-за хорошей теплопроводности. Масса пушера оказалась огромной —  5 млн. т (коротких американских тонн, каждая около 900 кг). В дальнейшем всюду подразумеваются они. Общая масса звездолета с полезной нагрузкой оценивалась в 10 млн. тонн плюс 40 млн. (!) бомб на борту, каждая массой в 1 т. И эта жуткая гигантомания была годна лишь для того, чтобы достичь 1 000 км/сек в течении 100 лет! Такой проект не представляет никакого интереса, что косвенно признает автор статьи. 

   Второй из двух дизайнов (ablative) был более компактным: размер пушера ~1 км (в статье он не указан) и масса корабля 150 тыс. тонн + 300 тыс. термоядерных бомб, каждая с массой в 1 тонну и выходом 1 Мт. Он обещал скорость звездной миссии 10 000 км/сек, за 10 дней разгона при среднем ускорении 1 g. Дайсон исходил из возможности использовать идеальное покрытие пушера, которое имело бы пренебрежимо малую массу и частично испарялось при каждом взрыве, тем самым избавляясь от тепла. Сегодня абляционный принцип космического движения активно изучается (см. http://extremal-mechanics.org/archives/7455), но Дайсон пренебрег массой испаряющегося вещества, поэтому его вклад в тягу был ничтожным. В этом концепте абляция — лишь эффективный способ охлаждения.

   Однако, пренебречь массой аблирующего материала невозможно. В самом деле, пусть внутренняя поверхность пушера покрыта углеродом — это вещество с одной из самых высоких теплотой парообразования 50 МДж/кг, поэтому используется в тепловой защите боеголовок МБР. Тогда для поглощения 10% от половины энергии взрыва в 1 Мт (вторая половина удаляется от пушера), что составляет 2\cdot 10^{14} Дж, потребуется свыше 4 000 тонн углерода. И это — только на один взрыв из 300 тысяч ! Таким образом, абляционная теплозащита в данном концепте не работает.

Схема звездолета из статьи Дайсона 

   Теперь рассмотрим поближе heat-sink. Дайсон взял за основу задачу поглощения пушером половины энергии взрыва 1 Мт. Предполагалось использовать в качестве топлива дейтерий. Тритий, заметим, слишком дорог — он в сотни раз дороже плутония, чтобы быть топливом. В процессе термоядерного горения дейтерий участвует в основных реакциях:    

1.   D^2_1+D^2_1 \rightarrow He^3_2+n^1_0+3.27  Мэв

2.   D^2_1+D^2_1 \rightarrow T^3_1+p^1_1+4.03   Мэв

3.   D^2_1+T^3_1 \rightarrow He^4_2+n^1_0+17.59  Мэв

4.   D^2_1+He^3_2 \rightarrow He^4_2+p^1_1+18.34  Мэв

Основную долю энергии уносит нейтрон или протон (3/4 в реакциях 1, 2 и 4/5 в реакциях 3, 4 ).  Реакции  3 происходят на 2 порядка быстрее, чем 1 и 2, и на 3 порядка быстрей 4. При этом скорости 1 и 2 примерно совпадают. По мере роста температуры реакция 4 обгоняет 1 и 2, но уступает 3. Отсюда нетрудно понять, что доли нейтронов и протонов будут примерно одинаковыми или нейтронов будет больше. Итак, нейтроны уносят с собой примерно половину всей энергии. При этом они мало полезны для тяги, поскольку пройдут оболочку пушера насквозь. Однако нейтроны участвуют в нагревании конденсированной материи вокруг зоны синтеза, а также нагревают пушер. Протоны несут положительные заряды, поэтому не могут покинуть плазму и разлетаются вместе с ней. Средняя скорость протонов на выходе реакций 2, 4 близка к 40 000 км/сек, но разлет плазмы происходит не так быстро. Например, при температуре 100 млн. К тепловая скорость нейтронов и протонов близка к 1 500 км/сек, а ядер гелия к 750 км/сек.

    В статье Ф. Дайсона принята нижняя оценка скорости разлета 3 000 км/сек, поскольку автор исключил лучистую энергию от взрыва. Это естественно, т.к. во время написания статьи не было никакой открытой информации о термоядерном оружии. В действительности скорость разлета вещества вряд ли превысит 1 000 км/cек. Тогда кинетическая энергия плазмы составит 12% выхода, а остальное выделится в форме излучения и потока нейтронов. При этом известно, что на рентгеновские фотоны приходится свыше 80% взрыва 1 Мт, и половина этой энергии прольется на поверхность пушера. Видимо в отношении необходимости поглощать и излучать тепло оценки Дайсона близки к реальности. Однако из сказанного выше следует, что не больше 10% энергии взрыва может быть использовано для создания тяги (за счет удара плазменного сгустка в пушер). Это в пять раз меньше того, на что рассчитывал Ф. Дайсон. Соответственно, чудовищный звездолет с начальной массой 50 млн. тонн не сможет развить скорость выше 500 км/сек.      

    Очевидно, что в то время многие считали возможным поддерживать термоядерное горение без участия бомб деления (кроме одной — инициатора). В экономических оценках такой миссии Дайсон посчитал стоимость дейтерия, исходя из $100 за фунт, и получил  $600 млрд. В ценах 1968 это был валовый продукт США за год. Сейчас мы знаем, что для каждой из 40 млн. термоядерных бомб потребуется свой триггер деления («атомная бомба»). А это — сотни тысяч тонн оружейного плутония в то время, как за всю историю ядерной гонки его произвели меньше 1 000 тонн.  Таким образом, реальная стоимость Супер-Ориона была бы невообразимой, а на производство такого количества плутония  ушли бы сотни лет. Заметим, что никакой возможности затормозить себя или хотя бы спускаемый  модуль у звездолета не было. Для этого потребовалось бы увеличить стартовую массу и запас бомб еще по меньшей мере на порядок. Вот что значит полет к Альфе Центавра ! 

Фримен Дайсон, сейчас ему 91 год

   Дайсон сделал прогноз, что первый межзведный полет состоится в 22 веке, и он может быть продиктован необходимостью искать спасение для человечества. В последнее хотелось бы не верить, однако в остальном возможно, что выдающийся ученый будет прав. Но если это произойдет, то без участия Ориона, который бой с Кентавром безнадежно проиграл.

 Дмитрий Зотьев

Орион и Кентавр: 5 комментариев

  1. Дмитрий, вы всё-таки нехороший человек, в определённом смысле. Разрушаете мечты. Впрочем, Альберт Эйнштейн на этом поприще сделал гораздо больше )))
    Всякие разоблачители теории относительности берутся именно оттуда — по факту разоблачателям запретили межзвёздные перелёты в любом из вариантов, который озвучивается в фантастике. Вот и опровергают — борются за мечту, за недосягаемое!
    А по теме поста. Ну потратили 10 Гт энергии для разгона стотонного корабля. Так ведь ему ж ещё тормозить надо! А то просвистим с 10^4 км/с мимо ))) Насколько я понимаю, энергия уйдёт точно та же, что и на разгон. Рассеивать её? Каким образом, понятия не имею. Видимо оценки массы корабля надо опять уточнять в сторону увеличения.
    Кстати, почему-то не приходило в голову воспользоваться формулой (mv^2)/2. А сразу бы многое стало понятно. Я всё-таки ещё тот раздолбай )))

    • В этой статье разоблачения как такового нет. Она предельно уважительна к Дайсону, который как и я — изначально математик. Выдающийся ученый, не о чем даже говорить! Но меня давно интересовала тема Ориона и я привык думать, что хотя бы ценой гигантомании полет к звездам на этом принципе возможен. Когда случайно нашел статью Дайсона, то с удивлением обнаружил, что заблуждался вместе с ним. Дайсон видимо ничего не знал о том, как действует термоядерная бомба, т.к. в то время эта тема была наглухо закрыта. Да и сейчас, в основном, одни правдоподобные догадки.

    • Вы правы насчет того, что остановиться не получиться. Это проблема упомянута в статье. Насчет Эйнштейна не согласен. ТО ставит ограничение скоростью света. Я настроен более пессимистично )) В обозримом будущем мы не будем способны развить хотя бы 10 000 км /сек. Статья об Орионе ясно показывает фундаментальную сложность этой задачи.