Длинный бросок

    Луны в системе Альфа Центавра, художник Facundo Diaz: http://keepwalking07.deviantart.com/

  Инерционный синтез дейтерия с гелием-3 — это разумная идея источника энергии и рабочего тела для двигателя космического аппарата. Который должен разогнаться до ~10 000 км/сек, чтобы добраться до ближайших звезд в пределах одного века ! 

    Один из двух методов «зажигания» термоядерного синтеза предлагает облучать капсулы с  топливом пучками электронов/ионов из ускорителей или фотонов из лазеров, которые размещены на краю сопла по окружности и сфокусированы в точку подрыва. Этот принцип восходит к известному проекту Дедал (Икар), а впервые он был предложен в статье F. Winterberg, «Rocket propulsion by thermonuclear microbombs ignited with intense relativistic electron beams», Raumfahrtforschung 15, 208-217 (1971). Однако, такой метод не пригоден для космического движения  http://extremal-mechanics.org/archives/1428.  

   Другой подход «реализован» в звездолете Venture star из фильма «Аватар», в качестве двигательной системы для торможения по прибытии к Альфе Центавра, а также для разгона на обратный путь к Земле. Это — действительно интересный гибрид аннигиляции и термоядерного синтеза. Для того, чтобы вызвать разогрев и абляцию поверхности капсулы с гелием-3 и дейтерием, предлагается подвергнуть ее бомбардировке частицами антивещества. Аннигиляция с веществом оболочки приведет к выделению энергии в поверхностном слое, следствием чего станет имплозия (сжатие), а также разогрев термоядерного топлива внутри капсулы.

   Аннигиляционный термояд — это хорошая идея, однако она имеет тот же  изъян, что и метод поджигания в двигателе Дедала-Икара. А именно: равномерная бомбардировка капсулы частицами антивещества технически невозможна. Есть и другие проблемы. Чтобы использовать для хранения магнитные ловушки, антивещество должно находится в состоянии полностью ионизированной плазмы. Это означает, что оно будет иметь температуру в сотни тысяч градусов, если не больше. Придется организовать на борту батареи «токамаков», чтобы в каждом держать небольшой запас антиматерии. Их общая масса будет огромной, а утечек избежать невозможно. Но главное, что мы еще долго не будем способны производить антивещество в промышленных количествах http://extremal-mechanics.org/archives/709.  

    Интересный проект межзвездного зонда LongShot (игра слов: «авантюра» или «длинный бросок») разрабатывался NASA и Ассоциацией Космических Исследований в Университетах (USRA) в 1987-1988 гг. Термоядерная двигательная установка полностью аналогична Дедалу-Икару, в силу чего она бы не заработала. Но в остальном Longshot очень интересен, а чтение документа http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/LongShot.pdf впечатляет романтикой межзвездного полета. Этот проект заслуживает того, чтобы остановиться на нем подробней.    

     Автоматический зонд LongShot  имел бы впечатляюще малую стартовую массу 396 тонн, из которых 264 т приходилось на топливо: дейтерий и гелий-3. Последний предполагалось заранее приготовить в ускорителях на Земле, а план Дедала собирать редкий изотоп в атмосфере Юпитера был благоразумно отвергнут. Топливо хранилось бы в инкапсулированном виде в шести алюминиевых баках с толщиной стенок 2 мм, каждый из которых мог быть цилиндром с диаметром 2.5 м и длиной около 11 м. Для защиты капсул с сжиженным топливом при T = 3 — 4 K от лучевого нагрева предполагалось использовать холодильники и зеркальное покрывало для отражения лучей Солнца и Альфы Центавра B, которое на время пути свертывается. 

    Для начального зажигания самоподдерживающего термоядерного синтеза, что было необходимо сделать два раза в течении миссии, а также питания бортового оборудования предлагалось использовать бортовой ядерный реактор мощностью 300 киловатт. Этот реактор массой 3 тонны вместе с паровой турбиной, использовал таблетки из обогащенного нитрида урана, а в качестве теплоносителя — жидкий калий при T = 1 365 K (в замкнутом цикле). Энергия вращения турбины запасалась бы в 8 маховиках на магнитных подшипниках общей массой 3.4 тонны, которые одновременно играли роль гиростатов для пространственной стабилизации зонда. Навигация на пути к Альфе Центавра осуществлялась бы по звездам, для чего в памяти бортовых компьютеров хранились  точные данные о 200 — 300 звездах. Предполагалось использовать инфракрасный излучатель избыточного тепла в космос, а также керамическую теплоизоляцию отдельных узлов. На скриншоте из «Аватара» на переднем плане видны инфракрасные радиаторы, играющие аналогичную роль. По другому в космосе избавиться от тепла невозможно !  

 Скриншот из фильма «Аватар»:  Venture star у планеты Пандора, система Альфа Центавра 

    Замечательная особенность проекта LongShot — это торможение по месту прибытия с последующим выходом на эллиптическую орбиту вокруг звезды Альфа Центавра B, c удалением от 1 до 2.5 АЕ и периодом обращения 2.5 года. Орбитальная скорость зонда менялась бы в интервале от 13.1 до 32.9 км/сек, поэтому задача торможения от пиковой скорости 14 500 км/cек является настолько же трудной, как и разгон. Для сравнения: Дедал (Икар) торможения не предусматривал. Между тем сама возможность не просто промчаться с огромной скоростью через звездную систему прибытия, а оставить в ней постоянно действующий спутник, является чрезвычайно заманчивой. С учетом выдающегося успеха аппаратов Вояджер 1 и 2, стабильно работающих в далеком космосе почти 35 лет (!), функционирование зонда в течение нескольких веков не выглядит неразрешимой задачей.

    Одним из важных последствий миссии LongShot стала бы возможность измерять параллактические смещения звезд с базой 4.4 световых года, в то время как сегодня такая база равна диаметру земной орбиты (2 АЕ = 300 млн. км). Иначе говоря, астрономы получат возможность измерять углы направлений на звезды из двух точек, одна из которых расположена на Земле, а другая — на зонде LongShot. Теорема синусов позволяет найти расстояние до удаленного объекта, если известна база измерения и два угла между ней и направлениями на объект. Это дало бы возможность перейти от точного измерения параллаксов звезд в пределах 20 парсек от Солнца, которые доступны сегодня, к дистанциям параллактических измерений до 1.2 миллиона парсек. В итоге можно будет определять точные расстояния до сотен триллионов звезд, расположенных не только в нашей галактике, но и в туманности Андромеды !

    Миссия Longshot должна была выглядеть следующим образом. Зонд стартует в начале XXI века :-)  Сборка на низкой околоземной орбите и вывод в точку старта осуществляется с помощью обычных  ракет. В варианте старта с околоземной орбиты зонд приобретает от них дополнительную скорость 16.8 км/сек, и под углом углом 61 градус к плоскости эклиптики покидает Солнечную систему, имея относительно нее скорость 42 км/cек. Включается маршевый термоядерный двигатель (скорость струи 10 000 км/сек), которому предстоит непрерывно работать 100 лет пути до Альфы Центавра B. Все это время абсолютная величина ускорения аппарата возрастает от 0.004 до немногим больше 0.02  м/cек.кв. (отрицательного ускорения) по прибытии.  

    Через 33 года и 4 месяца будут сброшены два опустевших топливных бака. Еще через 33 года и 4 месяца сброшены еще два бака, и аппарат начинает потреблять топливо из двух оставшихся. Через 71 год и 3 месяца после старта двигатель будет ненадолго выключен — единственный раз за все время пути к цели. Аппарат развернется соплом ей навстречу и снова включит маршевый мотор, чтобы начать непрерывное торможение. В этот момент скорость зонда будет максимальной — 14 500 км/cек. Окончательно, через 100 лет пути LongShot достигнет Альфы Центавра В на скорости 15 — 30 км/сек, достаточной для выхода на околозвездную орбиту.

    Зонд сам выберет, что и как изучать. Управлять им с Земли нет никакой возможности, поскольку время движения любого сигнала составляет 4.4 года. Поэтому LongShot должен быть очень умным и самостоятельным аппаратом ! Важной деталью проекта является понимание того факта, что из-за рассеивания волн на таком расстоянии радиоконтакт с зондом практически невозможен. В самом деле, напряженность поля электромагнитной волны ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Сегодня Вояджеры 1 и 2 посылают принимаемые сигналы с расстояний больше 18 и 15 млрд. км http://voyager.jpl.nasa.gov/, при мощности передатчиков 23 ватта. Это происходит почти на пределе технических возможностей, с использованием всех физических ухищрений сверхдальней космической радиосвязи. Поскольку расстояние до Альфы Центавра грубо в 2 000 раз больше, мощность передатчика LongShot должна была бы составить десятки мегаватт ! РЛС системы дальнего обнаружения ракет имеют сравнимую мощность излучения.

    Поэтому авторы проекта решили использовать лазер на волне 532 нм (зеленый свет) с потребляемой мощностью 250 КВт. Считается возможным осуществлять прием такой передачи от Альфы Центавра на скорости 1 000 бит/сек. При условии, что апертура лазера будет не меньше 1 м. Последнее необходимо для уменьшения дифракционной расходимости, и получить такую апертуру предполагается за счет использования объектива. По приходу в Солнечную систему зеленое пятно от лазера «размажется» до поперечника 13.4 млн. км. Однако ничтожно слабый сигнал будет зафиксирован устройством с 12 метровой апертурой.

    Несмотря на продуманность проекта LongShot во многих деталях, он не осуществим из-за одной: зажечь термоядерный синтез дейтерия с гелием-3 с помощью электронных пучков или лазеров не получится http://extremal-mechanics.org/archives/1428. Поэтому двигательная система, основанная на принципе Дедала-Икара, работать не будет. За бодрыми сюжетами СМИ о прогрессе в области управляемого термояда скрывается грустное обстоятельство: не видно никакой разумной возможности поддерживать эту реакцию в малом масштабе на борту космического аппарата. Драматическая история «водородой» бомбы http://extremal-mechanics.org/archives/695 дает представление о трудностях, с которыми связан инерционный синтез. Для большего впечатления достаточно посмотреть на здание NIF http://extremal-mechanics.org/archives/423.

Дмитрий Зотьев

Длинный бросок: Один комментарий

  1. В книге http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/Stars-Birth-life-and-death.pdf , в самом начале оцениваются возможности лучших радиотелескопов. В частности дана оценка спектральной чувствительности антенны: \sim 10^{-29} Ватт*сек/кв.м — это поток электромагнитной энергии, который на пределе можно уловить радиотелескопом при ширине полосы излучения 1 Гц.

    Даже если предположить, что передатчик зонда способен генерировать сигнал в полосе 1 КГц (для сравнения — Вояджеры передают на частотах близко к 2 300 МГц и 8 400 Мгц), то и в этом случае для приема радиопередачи от Альфы Центавра мощность излучения должна быть не меньше 16 МВт. Таким образом, радиосвязь с зондом на таких расстояниях действительно невозможна.