Выбор цели

Планета в системе Тау-Кита, художник David Hardy, источник:  http://jumk.de/astronomie/near-stars/tau-ceti.shtml
   

    Несмотря на фантастический, казавшийся неудержимым прогресс науки и технологий в XX веке, до сих пор не предложено ни одного реалистичного способа, которым человечество могло бы дотянуться до ближайших звезд. Почти бессмысленно рассуждать о преодолении расстояний в сотни и тысячи световых лет, но неужели мы действительно не способны добраться хотя бы до Альфы Центавра ?! Чтобы такая миссия поместилась в разумный временной отрезок, сопоставимый с человеческой жизнью, космическому аппарату необходимо сообщить скорость ~10 000 км/сек. Всего 1 тонна массы при 10 000 км/сек имеет кинетическую энергию, которая в тротиловом эквиваленте превышает 10 мегатонн ! Условие временной ограниченности полета сроком жизни имеет важное психологическое значение. Не только для участников проекта, которые получат надежду дождаться результатов своих усилий, но и для общества в целом. Наибольший интерес вызывают следующие соседи Солнца:

Альфа Центавра                     —   4.4 световых года,
Лаланде 21185                       —   8.3 световых года,
Сириус                                       —   8.6 световых лет,
Эпсилон Эридана                     —  10.5 световых лет,
Тау Кита                                  -   11.9  световых лет.

 Ближайшие звезды по отношению к плоскости эклиптики: http://jumk.de/astronomie/near-stars/index.shtml,     

    

    Система Альфа Центавра состоит из пары солнце-подобных звезд A и B, расстояние между которыми 24 АЕ, и красного карлика Проксима, расположившегося в 735 раз дальше (астрономическая единица АЕ = 150 млн. км). Период обращения А и В вокруг общего центра масс составляет 80 лет, в  то время как период Проксимы — 500 000 лет. Она является ближайшим соседом Солнца — 4.22 световых года, но не представляет интереса из-за нестабильной светимости. Однако звезды A и B в этой системе, имеющие возраст около 6 млрд. лет, могли бы иметь планеты с развитыми формами жизни. Для сравнения Солнцу — 4.6 млрд. лет.    

     Согласно последним и пока не подтвержденным сведениями, вокруг Альфа Центавра B вращается планета земного размера, которую обозначили буквой b. Планету b удалось обнаружить косвенно, за счет гравитационного возмущения скорости своего солнца, составляющего 50 см/сек ! Однако она слишком близко расположена к звезде, имея период обращения 3 дня, чтобы быть пригодной для жизни. Тем не менее вдохновляет сам факт наличия планеты в системе Альфа Центавра, поскольку если есть одна, то могут быть и другие. И чем дальше они расположены от звезды, тем труднее их обнаружить. Неужели знаменитый «Аватар» Кэмерона когда-то окажется провидческим ?              

      Красный карлик Лаланде 21185 имеет возраст 3 — 10 млрд. лет  Достаточно далеко от него вращаются 2 планеты — газовых гиганта и, возможно, есть третья. Хотя сведения о планетах надежно не подтверждены, Лаланде 21185 попала в список подозреваемых на наличие жизни.          

     Самая яркая на видимом небе, бело-голубая звезда Сириус А интересна тем, что имеет спутника. Это белый карлик Сириус В с массой Солнца, который расположен на расстоянии 19.7 АЕ от сияющего соседа. Планет вблизи Сириуса А не обнаружено, но видимо это трудно сделать из-за его яркости, превышающей солнечную в 22.6 раза при лишь вдвое большем размере. В 3.35 раза большая масса двойной системы Сириус А + В  также затрудняет обнаружение гравитационных возмущений от планет, если таковые имеются. Возраст Сириуса 300 млн. лет, поэтому сомнительно, что рядом успела возникнуть жизнь. Хотя наверное нельзя исключать, что в системах таких горячих звезд могут действовать другие законы возникновения и развития жизни, в существенно отличных от нашей биологических формах.            

     Оранжевая звезда Эпсилон Эридана немногим меньше Солнца, на расстоянии 1.9 — 3.7 АЕ от нее найдена планета — газовый гигант в 1.5 массы Юпитера. Система имеет два пояса астероидов и еще 2 планеты подозреваются. Эпсилон Эридана — это волнующий объект для будущей межзвездной миссии, хотя его юный возраст 800 млн. лет немного огорчает.          

    Излюбленная фантастами, солнце-подобная Тау Кита имеет почтенный возраст 10 млрд. лет. Звезду окружает густой пылевой диск. Он может скрывать внутри себя твердые планеты, на которых давно развилась разумная жизнь. Сегодня это — наиболее интригующий пункт назначения для первого автоматического зонда, однако миссию Альфа Центавра осуществить значительно проще.    

     В самом деле, крейсерская скорость 50 000 км/сек позволит зонду достичь Альфы Центавра за 26 лет, а Тау Кита за 72 года. При более реалистичной оценке в 10 000 км/сек время полета возрастает до 130 и 360 лет соответственно. Тогда запущенный к Тау Кита при рождении Ньютона зонд только в начале 2000-х добрался бы до цели, и примерно сегодня мы получили бы первое сообщение о его прибытии :-) Для сравнения: у первого звездного скитальца и самого быстрого космического аппарата Пионер-10, покинувшего Солнечную систему в 70-х, на это ушло бы  500 000 лет ! Если скорость зонда существенно не превысит 10 000 км/сек, то пыльная интриганка будет исключена из списка целей.        

     Среди хорошо продуманных проектов, бросивших вызов проблеме межзвездного полета, выделяется двухступенчатый зонд «Дедал». Британское Интерпланетное Общество (BIS) занимается им с середины 70-х годов, а сегодня к этим усилиям присоединился американский фонд Tau-zero. Первоначально целью зонда считался красный карлик звезда Барнарда, 5.96 световых лет от Солнца, вблизи которой предполагалось наличие планеты. Разогнавшись до скорости 36 000 км/cек, Дедал достиг бы места назначения за 50 лет. Однако в дальнейшем сведения о планете не подтвердились, и в качестве цели сейчас рассматривается Альфа Центавра В.  

             Межзвездный зонд «Дедал-Икар» рядом с лунной ракетой «Сатурн-5» (высота 110 м), источник http://icarusinterstellar.org/     

    Дедал, который сегодня называется Икаром, имел бы грандиозные габариты. Из 54 000 тонн стартовой массы 50 000 приходится на топливо — сжиженные дейтерий и гелий-3, и около 500 тонн займет научная нагрузка. Гелия-3 на Земле практически нет. Перед отправкой в далекий, очень далекий путь зонд загрузится им на орбите вблизи Юпитера, в атмосфере которого будут плавать специальные фабрики на «аэростатах», собирающие этот редкий изотоп. Через 2 года ускорения первая ступень разгонит аппарат до 0.07c, после чего отделится вторая ступень — уменьшенная копия первой. Еще через 1.8 года она наберет скорость 0.12с и продолжит крейсерский полет длиной в десятилетия. На путь до Альфы Центавра Икар затратил бы примерно 38 лет.     

    Поскольку у зонда не будет возможности затормозить по месту прибытия, нужно супер-эффективно использовать часы пролета через звездную систему. Расстояние между А и В Альфы Центавра Икар преодолел бы  за немногим больше суток, однако такое удачное путешествие совершить не получится. Таким образом времени, чтобы «оглядеться» у него будет крайне мало. Для смягчения этой драматической проблемы предполагается в интервале 2 — 7 лет до прибытия отправлять вперед небольшие зонды-разведчики с ионными двигателями, питаемые от ядерных реакторов. Они сами выберут себе цели и скорректируют траектории, чтобы промчаться как можно ближе. Однако каждый разведчик будет иметь секунды или, в лучшем случае, минуты на «интимное общение» со своей планетой, прежде чем навсегда исчезнуть в глубинах космоса. Переданная на борт материнского зонда бесценная информация будет ретранслирована за Землю, причем в роли параболической антенны предлагается задействовать большое сопло двигателя.          

     Дедал-Икар интересен уже тем, что предлагается конструктивное решение великой проблемы-вызова, которое кажется осуществимым в рамках сегодняшних технологий. Энтузиасты проекта пытаются убедить общество в том, что дело лишь в экономике, и все технические трудности можно преодолеть при соответствующем финансировании.  Однако есть одна, но очень серьезная проблема: двигательная система этого зонда не будет работать никогда ))          

     Предлагается использовать т.н. инерционный термоядерный синтез

D + He^3 \rightarrow He^4 + p+18.3 MeV

который энергетически не уступает классической реакции дейтерия с тритием

D + T \rightarrow He^4 + n+17.6 MeV

При этом энергия выделяется не в потоке нейтронов, которые нельзя отразить магнитным зеркалом и практически вообще никак, а в хорошо отражаемом потоке протонов. Предполагается с частотой 250 Герц выстреливать капсулы с топливом в камеру сгорания, где происходят термоядерные микровзрывы. Для поджигания будут использованы импульсные лазеры или ускорители электронов, расположенные по периметру выходного отверстия сопла. Энергия для их питания вырабатывается за счет электромагнитной индукции в сверхпроводящей обмотке камеры-сопла, через которую проходит переменный ток из отраженных магнитным зеркалом, заряженных частиц.       

   Однако крайне сомнительно, что выход термоядерного микровзрыва будет достаточным для накачки энергией инициирующих его лазеров или ионно/электронных ускорителей. Это легко понять, глядя на гигантское здание National Ignition Facility — Национального Зажигательного Оборудования (NIF), где взрываются дейтерий-тритиевые капсулы размером не больше миллиметра http://extremal-mechanics.org/?p=423#more-423. Хотя результат реакции может многократно превосходить энергию, которую 192 сверхмощных оптических лазера излучают на эту мишень, общий КПД установки очевидно ничтожен. Кроме того, в процессе поджигания реакция дейтерия с гелием-3 имеет на 3 порядка меньшую скорость, чем дейтерий-тритиевый синтез в NIF.    

   Но даже если бы пучки ускоренных электронов были способны сотворить эффективный термоядерный синтез за счет энергии, получаемой от него же, они все равно не смогут обеспечить равномерное, сферическое сжатие капсулы с топливом в двигателе Икара. В NIF для этого используется hohlraum и радиационная имплозия — это термоядерная бомба в миниатюре ! Наивно думать, что расположенные на окружности, стреляющие в ее центр электронные пушки способны обеспечить сферически симметричное давление в миллиарды атмосфер (см. рисунок). А без него ощутимого синтеза не будет. Очевидно, что капсула разрушится, испарится или разлетится в разные стороны, но не взорвется.

Электронные пушки по периметру сопла поджигают термоядерный синтез, автор изображения Adrian Mann http://www.icarusinterstellar.org/team/adrian-mann/ .

    Таким образом проект Дедал-Икар был нежизнеспособным с самого рождения, поэтому эффектные анимации термоядерного зонда не стоит воспринимать слишком серьезно.             

     Какие еще физически принципы можно использовать для полета к звездам ? Надежды, возлагаемые на плазменные двигатели, являются совершенно беспочвенными http://extremal-mechanics.org/?p=390#more-390. Излюбленные фантастами фотонные ракеты никогда не будут воплощены в реальность http://extremal-mechanics.org/archives/714. Хотя антивещество, само по себе, является наиболее эффективным среди всех возможных видов топлива, фундаментальные трудности его производства и хранения едва ли будут преодолены в обозримом будущем.     

    Солнечные паруса не годятся, т.к. по мере удаления от Солнца их без того ничтожная тяга стремится к нулю. Например, для площади паруса 1 000 кв. км и фантастической массы аппарата с парусом в 1 тонну, при старте с орбиты Земли через год будет пройдено 107.7 млрд. км, а скорость достигнет 1 714 км/сек. И это практический предел, поскольку даже через тысячу лет она не превысит 1 715  км/сек. Однако реально такая скорость недостижима, т.к. в одну тонну общей массы уложиться не получится. Джеймс Кэмерон отправил огромный корабль Venture star к Альфе Центавра на скорости 0.7с, достигнутой за счет давления лазерных лучей в фотонный парус («Аватар»). Однако для питания этих лазеров потребовалось бы в миллионы раз больше энергии, чем вырабатывают все земные электростанции. Это связано с тем, что импульс фотона в 300 млн. раз меньше энергии

p=\frac{h\nu}{c}=\frac{E}{c} ,

поэтому использовать давление света для создания тяги крайне нерационально. Безумные проекты парусов размером с Европу, которые приводятся в движение миллионами мощных лазеров на Луне, наглядно демонстрируют слабость концепции космического парусника. В этом отношении она близка к т.н. прямоточному двигателю Бассарда, который является намного большей инженерной утопией, чем фотонная ракета. Гигантский летающий «совок», собирающий в космосе атомарный водород, распределенный с плотностью 1 атом на куб. см, а еще нужно изловчиться организовать синтез протонов  - все это даже не смешно !     

      Таким образом остаются открытыми следующие вопросы. Возможно ли через 10 — 20 лет отправить к одной из ближайших звезд настолько быстрый автоматический зонд, чтобы кто-нибудь из участвующих в проекте имел шанс дожить до прибытия на место назначения ? Способно ли человечество начать такой вдохновляющий проект прямо сейчас ? 

Дмитрий Зотьев

Выбор цели: Один комментарий