Междузвездното пътуване не е научна фантастика. Иван Корзников: Реалности на междузвездните полети Междузвездна полетна връзка със земята

Кинематика на междузвездните полети

Нека полетът там и обратното се състоят от три фази: равномерно ускорено ускорение, полет с постоянна скорост и равномерно ускорено забавяне.

Точното време на всеки часовник има формата:

къде е скоростта на този часовник. Часовниците на Земята са неподвижни (), а собственото им време е равно на координатното време. Часовниците на астронавтите имат променлива скорост. Тъй като коренът на интеграла през цялото време остава по-малък от единица, времето на тези часовници, независимо от изричния вид на функцията, винаги се оказва по-малко. Като резултат.

Ако ускорението и забавянето са релативистично равномерно ускорени (с параметъра за собствено ускорение) по време на , а равномерното движение е , тогава според часовника на кораба времето ще премине:

Помислете за хипотетичен полет до звездната система Алфа Кентавър, отдалечена от Земята на разстояние 4,3 светлинни години. Ако времето се измерва в години, а разстоянията в светлинни години, тогава скоростта на светлината е равна на единица, а единицата ускорение за година/година² е близка до ускорението на гравитацията и е приблизително равна на 9,5 m/s².

Оставете космическия кораб да се движи наполовина с единично ускорение и го оставете да забави втората половина със същото ускорение (). След това корабът се обръща и повтаря етапите на ускорение и забавяне. При това положение времето на полета в земната референтна система ще бъде приблизително 12 години, докато според часовника на кораба ще изминат 7,3 години. Максималната скорост на кораба ще достигне 0,95 от скоростта на светлината.

За 64 години от собственото си време, космически кораб с единично ускорение може потенциално да пътува (връщайки се на Земята) до галактиката Андромеда, на 2,5 милиона светлинни години. години . По време на такъв полет на Земята ще минат около 5 милиона години. Развивайки двойно ускорение (с което обучен човек може лесно да свикне, ако са изпълнени редица условия и се използват редица устройства, например спряна анимация), може дори да се мисли за експедиция до видимия край на Вселената (около 14 милиарда светлинни години), което ще отнеме на космонавтите около 50 години; Въпреки това, завърнали се от такава експедиция (след 28 милиарда години според часовника на Земята), нейните участници рискуват да не намерят живи не само Земята и Слънцето, но дори нашата Галактика. Въз основа на тези изчисления, за да могат астронавтите да избегнат бъдещ шок при завръщане на Земята, разумният радиус на достъпност за междузвездни експедиции за завръщане не трябва да надвишава няколко десетки светлинни години, освен ако, разбира се, не съществуват фундаментално нови физически принципи на движение в космоса -времето са открити. Откриването на множество екзопланети обаче дава основание да се смята, че планетните системи се намират в близост до достатъчно голяма част от звездите, така че астронавтите ще имат какво да изследват в този радиус (например планетарните системи ε Еридани и Глизе 581).

Пригодност на различни видове двигатели за междузвездни полети

Пригодността на различни видове двигатели за междузвездни полети беше разгледана на среща на Британското междупланетно общество през 1973 г. от Тони Мартин. Електрическият ракетен двигател с ядрено задвижване има малко ускорение, така че ще отнеме векове, за да достигне желаната скорост, което позволява да се използва само в кораби от ново поколение. Термичните ядрени двигатели от типа NERVA имат достатъчна тяга, но ниска скорост на изпускане на работната маса, около 5-10 км / сек, така че е необходимо огромно количество гориво за ускоряване до необходимата скорост. По този начин кораб с такъв двигател ще бъде с няколко порядъка по-бавен от кораб с електрически задвижващ двигател. Полет до съседна звезда на такъв кораб ще отнеме десетки и стотици хиляди хиляди години (полет до Алфа Кентавър със скорост 30 км/сек ще отнеме 40 хиляди години). Пневматично реактивен двигател ще изисква фуния с огромен диаметър за събиране на разреден междузвезден водород, който има плътност от 1 атом на кубичен сантиметър. Ако се използва свръхмощно електромагнитно поле за събиране на междузвезден водород, силовите натоварвания върху генериращата намотка ще бъдат толкова големи, че преодоляването им изглежда малко вероятно дори за бъдещите технологии.

Проекти за междузвездни експедиции

Проекти за космически кораби-ракети

Проект "Орион"

Ракетният кораб на проекта Дедал се оказа толкова огромен, че трябваше да бъде построен в открития космос. Той трябваше да тежи 54 000 тона (почти цялото тегло е ракетно гориво) и можеше да ускори до 7,1% от скоростта на светлината, носейки полезен товар с тегло 450 тона.За разлика от проекта Орион, предназначен да използва малки атомни бомби, проектът Дедал включваше използването на миниатюрни водородни бомби със смес от деутерий и хелий-3 и система за запалване, използваща електронни лъчи. Но огромните технически проблеми и опасенията относно ядреното задвижване означават, че проектът Дедал също е отложен за неопределено време.

Технологичните идеи на Дедал са използвани в проекта на термоядрения звезден кораб Икар.

Проекти на звездни кораби, чието задвижване е налягането на електромагнитните вълни.

През 1971 г. в доклад на Г. Маркс на симпозиум в Бюракан беше предложено да се използват рентгенови лазери за междузвездни пътувания. Възможността за използване на този тип задвижване по-късно беше проучена от НАСА. В резултат на това беше направено следното заключение: „Ако се открие възможността за създаване на лазер, работещ в диапазона на дължината на вълната на рентгеновите лъчи, тогава можем да говорим за реално развитие на самолет (ускорен от лъча на такъв лазер) които ще могат да покриват разстояния до най-близките звезди много по-бързо от всички известни в момента системи с ракетно задвижване. Изчисленията показват, че с помощта на космическата система, разглеждана в тази работа, е възможно да се достигне звездата Алфа Кентавър... за около 10 години."

През 1985 г. Р. Форуърд предлага дизайна на междузвездна сонда, ускорена от микровълнова енергия. Проектът предвиждаше сондата да достигне до най-близките звезди за 21 години.

На 36-ия Международен астрономически конгрес беше предложен проект за лазерен звездолет, чието движение се осигурява от енергията на оптични лазери, разположени в орбита около Меркурий. Според изчисленията пътят на звезден кораб с този дизайн до звездата Епсилон Еридани (10,8 светлинни години) и обратно ще отнеме 51 години.

Предимството на слънчевата платноходка е, че на борда няма гориво. Недостатъкът му е невъзможността да се използва платно за пътуване обратно до Земята, така че е добър за изстрелване на автоматични сонди, станции и товарни кораби, но е от малка полза за пилотирани полети за връщане (или астронавтите ще трябва да вземат втори лазер с резерв от гориво за монтаж на местоназначението, което всъщност отрича всички предимства на платноходка).

Анихилационни двигатели

Теоретичните изчисления на американските физици Ронан Кийн и Уей-минг Джан показват, че въз основа на съвременните технологии е възможно да се създаде анихилационен двигател, способен да ускори космически кораб до 70% от скоростта на светлината. Предложеният от тях двигател е по-бърз от други теоретични разработки поради специална конструкция на дюзата. Въпреки това, основните проблеми при създаването на ракети за унищожение ( Английски) с такива двигатели са производството на необходимото количество антиматерия, както и нейното съхранение. Към май 2011 г. рекордното време за съхранение на антиводородни атоми е 1000 секунди (~16,5 минути). Оценка на НАСА от 2006 г. изчислява, че производството на милиграм позитрони струва приблизително 25 милиона щатски долара. Един грам антиводород би струвал 62,5 трилиона долара, според оценка от 1999 г.

Ramjet двигатели, задвижвани от междузвезден водород

Основният компонент на масата на съвременните ракети е масата на горивото, необходимо на ракетата за ускорение. Ако можем по някакъв начин да използваме околната среда около ракетата като работен флуид и гориво, можем значително да намалим масата на ракетата и по този начин да постигнем високи скорости.

Друг недостатък на термоядрения прямоточен двигател е ограничената скорост, която може да достигне кораб, оборудван с него (не повече от 0,119 ° С= 35,7 хиляди km/s). Това се дължи на факта, че при улавяне на всеки водороден атом (който в първо приближение може да се счита за неподвижен спрямо звездите), корабът губи определен импулс, който може да бъде компенсиран от тягата на двигателя само ако скоростта не превишава определена граница. За да се преодолее това ограничение, е необходимо да се използва възможно най-пълно кинетичната енергия на уловените атоми, което изглежда доста трудна задача.

Да кажем, че екранът е уловил 4 водородни атома. Когато термоядреният реактор работи, четири протона се превръщат в една алфа частица, два позитрона и две неутрино. За простота ще пренебрегнем неутриното (вземането под внимание на неутриното ще изисква точно изчисляване на всички етапи на реакцията, а загубите, дължащи се на неутрино, са около процент) и ще унищожим позитроните с 2 електрона, останали от водородните атоми, след отстраняване на протоните от тях . Други 2 електрона ще бъдат използвани за превръщането на алфа частицата в неутрален атом на хелий, който благодарение на енергията, получена от реакцията, ще се ускори в дюзата на двигателя.

Крайното уравнение на реакцията, без да се вземат предвид неутрино:

4редактиране] Фотонен двигател на магнитни монополи

Ако някои варианти на теориите на Grand Unified са валидни, като модела на Hooft-Polyakov, тогава е възможно да се изгради фотонен двигател, който не използва антиматерия, тъй като магнитният монопол може хипотетично да катализира разпада на протон в позитрон и π 0 мезон:

π 0 бързо се разпада на 2 фотона и позитронът анихилира с електрона, в резултат на което водородният атом се превръща в 4 фотона и само проблемът с огледалото остава нерешен.

Фотонен двигател, базиран на магнитни монополи, също може да работи в схема с директен поток.

В същото време повечето съвременни теории за Grand Unified не включват магнитни монополи, което поставя под съмнение тази привлекателна идея.

Междузвездни корабни спирачни системи

Предложени са няколко метода:

1. Спиране на вътрешни източници - ракета

2. Спиране поради лазерен лъч, изпратен от Слънчевата система.

3. Спиране на магнитно поле с помощта на магнитното платно на Zubrin върху свръхпроводници.

Генерационни кораби

Междузвездното пътуване също е възможно с помощта на звездни кораби, които прилагат концепцията за „генерационни кораби“ (например като колониите на О’Нийл). В такива космически кораби се създава и поддържа затворена биосфера, способна да се поддържа и възпроизвежда в продължение на няколко хиляди години. Полетът се извършва с ниска скорост и отнема много време, през което много поколения астронавти успяват да се сменят.

Опасности за околната среда

Този проблем беше разгледан подробно от Иван Корзников в статията „Реалностите на междузвездните полети“. Сблъсъкът с междузвезден прах ще се случи със скорост, близка до светлинната, а физическият удар ще наподобява микроексплозии. При скорости, по-големи от 0,1 С, защитният екран трябва да има дебелина десетки метри и маса стотици хиляди тона. Но този екран ще предпази надеждно само от междузвезден прах. Сблъсък с метеорит ще има фатални последици. Иван Корзников дава изчисления, че при скорост над 0,1 С космическият кораб няма да има време да промени траекторията на полета и да избегне сблъсък. Иван Корзников смята, че при субсветлинна скорост космическият кораб ще се срине, преди да достигне целта си. Според него междузвездното пътуване е възможно само при значително по-ниски скорости (до 0,01 C).

Енергия и ресурси

Междузвездният полет ще изисква големи запаси от енергия и ресурси, които ще трябва да носите със себе си. Това е един от малко проучените проблеми в междузвездната астронавтика.

Например най-разработеният досега проект „Дедал“ с импулсен термоядрен двигател ще достигне звездата на Барнард (шест светлинни години) за половин век, изразходвайки 50 хиляди тона термоядрено гориво (смес от деутерий и хелий-3) и доставяне на полезна маса от 4 хиляди до целта тона

Съвременните технологии и открития извеждат изследването на космоса на напълно ново ниво, но междузвездните пътувания все още са мечта. Но дали е толкова нереалистично и непостижимо? Какво можем да направим сега и какво да очакваме в близко бъдеще?

С помощта на телескопа Kepler астрономите вече са открили 54 потенциално обитаеми екзопланети. Тези далечни светове са в обитаемата зона, т.е. на определено разстояние от централната звезда, което позволява водата да се поддържа в течна форма на повърхността на планетата.

Отговорът на основния въпрос дали сме сами във Вселената обаче е трудно да се получи – поради огромното разстояние, което дели Слънчевата система от най-близките ни съседи.

Например „обещаващата“ планета Gliese 581g се намира на разстояние от 20 светлинни години - това е достатъчно близо по космически стандарти, но все пак твърде далеч за земни инструменти.

Изобилието от екзопланети в радиус от 100 светлинни години или по-малко от Земята и огромният научен и дори цивилизационен интерес, който те представляват за човечеството, ни принуждават да хвърлим нов поглед към досегашната фантастична идея за междузвездно пътуване.

Ориз. 1. Звездите, които са най-близо до нашата слънчева система.

Полетът до други звезди е, разбира се, въпрос на технология. Освен това има няколко възможности за постигане на такава далечна цел и изборът в полза на един или друг метод все още не е направен.

Направете път на дронове

Човечеството вече изпрати междузвездни превозни средства в космоса: сондите Pioneer и Voyager. В момента те са напуснали Слънчевата система, но тяхната скорост не ни позволява да говорим за бързо постигане на целта. Така Voyager 1, движейки се със скорост около 17 km/s, ще лети дори до най-близката звезда Проксима Кентавър (4,2 светлинни години) за невероятно дълго време - 17 хиляди години.

Очевидно е, че със съвременните ракетни двигатели няма да стигнем по-далеч от Слънчевата система: за транспортирането на 1 кг товар дори до близката Проксима Кентавър са необходими десетки хиляди тонове гориво. В същото време, с увеличаване на масата на кораба, количеството на необходимото гориво се увеличава и е необходимо допълнително гориво за транспортирането му. Порочен кръг, който слага край на резервоарите с химическо гориво - изграждането на космически кораб с тегло милиарди тонове изглежда абсолютно невероятно начинание. Прости изчисления, използващи формулата на Циолковски, показват, че ускоряването на химически задвижвани космически кораби до около 10% от скоростта на светлината ще изисква повече гориво, отколкото е налично в познатата вселена.

Реакцията на ядрен синтез произвежда енергия на единица маса средно милион пъти повече от процесите на химическо горене. Ето защо през 70-те години НАСА насочва вниманието си към възможността за използване на термоядрени ракетни двигатели. Проектът за безпилотен космически кораб Daedalus включваше създаването на двигател, в който малки пелети от термоядрено гориво ще се подават в горивна камера и ще се запалват от електронни лъчи. Продуктите от термоядрената реакция излитат от дюзата на двигателя и дават ускорение на кораба.

Ориз. 2. Космическият кораб Daedalus в сравнение с Empire State Building.

Daedalus трябваше да вземе на борда си 50 хиляди тона горивни пелети с диаметър 40 и 20 mm. Гранулите се състоят от ядро, съдържащо деутерий и тритий, и обвивка от хелий-3. Последният съставлява само 10–15% от масата на горивната пелета, но всъщност е горивото. Хелий-3 е в изобилие на Луната, а деутерият се използва широко в ядрената индустрия.

Деутериевото ядро ​​служи като детонатор за запалване на реакцията на синтез и провокира мощна реакция с освобождаване на реактивна плазмена струя, която се контролира от мощно магнитно поле. Основната молибденова горивна камера на двигателя Daedalus трябваше да тежи повече от 218 тона, камерата на втория етап - 25 тона. Магнитните свръхпроводящи намотки също отговарят на огромния реактор: първата тежи 124,7 тона, а втората - 43,6 тона.За сравнение, сухото тегло на совалката е под 100 тона.

Полетът на Daedalus беше планиран да бъде двуетапен: първият двигател трябваше да работи повече от 2 години и да изгори 16 милиарда горивни пелети. След отделянето на първата степен двигателят на втората степен работи почти две години. Така за 3,81 години непрекъснато ускорение Дедал би достигнал максимална скорост от 12,2% от скоростта на светлината.

Такъв кораб ще измине разстоянието до звездата на Барнард (5,96 светлинни години) за 50 години и ще може, прелитайки през далечна звездна система, да предава резултатите от своите наблюдения по радио на Земята. Така цялата мисия ще отнеме около 56 години.

Ориз. 3. Stanford Tor е колосална структура с цели градове вътре в ръба.

Въпреки големите трудности при осигуряването на надеждността на многобройните системи на Daedalus и огромната цена, този проект може да бъде реализиран при сегашното ниво на технологиите. Освен това през 2009 г. екип от ентусиасти възобнови работата по проекта за термоядрен кораб. В момента проектът Icarus включва 20 научни теми за теоретичното развитие на системи и материали за междузвездни космически кораби.

По този начин днес вече са възможни безпилотни междузвездни полети на разстояния до 10 светлинни години, което ще отнеме около 100 години полет плюс времето за радиосигнала да се върне обратно до Земята. Звездните системи Алфа Кентавър, Звездата на Барнард, Сириус, Епсилон Еридани, UV Ceti, Ross 154 и 248, CN Leo, WISE 1541–2250 се вписват в този радиус. Както виждаме, близо до Земята има достатъчно обекти, които да бъдат изследвани с помощта на безпилотни мисии. Но какво ще стане, ако роботите намерят нещо наистина необичайно и уникално, като например сложна биосфера? Ще може ли експедиция с човешко участие да отиде до далечни планети?

Полет за цял живот

Ако можем да започнем изграждането на безпилотен кораб днес, то с пилотиран кораб ситуацията е по-сложна. На първо място, остър е въпросът за времето на полета. Да вземем същата звезда на Барнард. Космонавтите ще трябва да бъдат подготвени за пилотиран полет от училище, тъй като дори ако изстрелването от Земята се състои на тяхната 20-та годишнина, космическият кораб ще достигне целта на мисията до 70-та или дори 100-та годишнина (като се вземе предвид необходимостта от спиране, което не е необходимо при безпилотен полет) . Изборът на екипаж в ранна възраст е изпълнен с психологическа несъвместимост и междуличностни конфликти, а възрастта от 100 години не дава надежда за ползотворна работа на повърхността на планетата и за завръщане у дома.

Има ли обаче смисъл от връщане? Многобройни изследвания на НАСА водят до разочароващо заключение: продължителният престой в условия на нулева гравитация ще унищожи необратимо здравето на астронавтите. Така показва работата на професора по биология Робърт Фитс с астронавтите на МКС

че дори при енергични упражнения на борда на космическия кораб, след тригодишна мисия до Марс, големите мускули като мускулите на прасеца ще бъдат с 50% по-слаби. Костната минерална плътност също намалява по подобен начин. В резултат на това способността за работа и оцеляване в екстремни ситуации значително намалява, а периодът на адаптация към нормалната гравитация ще бъде най-малко една година.

Полетът при нулева гравитация в продължение на десетилетия ще постави под въпрос самия живот на астронавтите. Може би човешкото тяло ще може да се възстанови, например, по време на спиране с постепенно нарастваща гравитация. Рискът от смърт обаче все още е твърде висок и изисква радикално решение.

Проблемът с радиацията също остава сложен. Дори близо до Земята (на борда на МКС) астронавтите остават не повече от шест месеца поради опасността от излагане на радиация. Междупланетният космически кораб ще трябва да бъде оборудван с тежка защита, но остава въпросът за ефекта на радиацията върху човешкото тяло. По-специално рискът от рак, чието развитие при нулева гравитация практически не е проучено. По-рано тази година ученият Красимир Иванов от Германския аерокосмически център в Кьолн публикува резултатите от интересно изследване на поведението на меланомните клетки (най-опасната форма на рак на кожата) при нулева гравитация. В сравнение с раковите клетки, отглеждани при нормална гравитация, клетките, отглеждани при нулева гравитация за 6 и 24 часа, са по-малко склонни да метастазират. Това изглежда добра новина, но само на пръв поглед. Факт е, че такъв „космически“ рак може да остане латентен в продължение на десетилетия и да се разпространи неочаквано в голям мащаб, когато имунната система е нарушена. Освен това проучването ясно показва, че все още знаем малко за реакцията на човешкото тяло при продължително излагане на космоса. Днес астронавтите, здрави, силни хора, прекарват твърде малко време там, за да пренесат опита си в дълъг междузвезден полет.

Ориз. 4. Проектът Biosphere-2 започна с красива, внимателно подбрана и здравословна екосистема...

За съжаление решаването на проблема с безтегловността на междузвезден кораб не е толкова просто. Възможността, с която разполагаме, за създаване на изкуствена гравитация чрез въртене на жилищния модул има редица трудности. За да се създаде земна гравитация, дори колело с диаметър 200 m би трябвало да се върти със скорост 3 оборота в минута. При такова бързо въртене силата на Кариолис ще създаде натоварвания, които са напълно непоносими за човешкия вестибуларен апарат, причинявайки гадене и остри пристъпи на морска болест. Единственото решение на този проблем е Stanford Tor, разработен от учени от Станфордския университет през 1975 г. Това е огромен пръстен с диаметър 1,8 км, в който могат да живеят 10 хиляди астронавти. Благодарение на своя размер, той осигурява сила на гравитация от 0,9–1,0 g и доста удобни условия за живот на хората. Въпреки това, дори при скорости на въртене, по-ниски от един оборот в минута, хората пак ще изпитват лек, но забележим дискомфорт. Освен това, ако бъде построен такъв гигантски жилищен отсек, дори малки промени в разпределението на теглото на тора ще повлияят на скоростта на въртене и ще причинят вибрации на цялата конструкция.

Ориз. 5. ...и завърши с екологична катастрофа.

Във всеки случай кораб за 10 хиляди души е съмнителна идея.

За да създадете надеждна екосистема за толкова много хора, имате нужда от огромен брой растения, 60 хиляди пилета, 30 хиляди зайци и стадо говеда. Само това може да осигури диета от 2400 калории на ден. Въпреки това, всички експерименти за създаване на такива затворени екосистеми неизменно завършват с провал. Така по време на най-големия експеримент „Биосфера-2” на Space Biosphere Ventures беше изградена мрежа от херметични сгради с обща площ от 1,5 хектара с 3 хиляди вида растения и животни. Цялата екосистема трябваше да се превърне в самоподдържаща се малка „планета“, обитавана от 8 души.

Експериментът продължи 2 години, но само след няколко седмици започнаха сериозни проблеми: микроорганизмите и насекомите започнаха да се размножават неконтролируемо, консумирайки кислород и растения в твърде големи количества; също така се оказа, че без вятър растенията стават твърде крехки.

В резултат на местна екологична катастрофа хората започнаха да губят тегло, количеството кислород намаля от 21% на 15% и учените трябваше да нарушат условията на експеримента и да снабдят осемте „космонавти“ с кислород и храна.

По този начин създаването на сложни екосистеми изглежда погрешен и опасен начин за осигуряване на кислород и храна на екипажа на междузвезден космически кораб. За да се реши този проблем, ще са необходими специално проектирани организми с модифицирани гени, които могат да се хранят със светлина, отпадъци и прости вещества. Например, големи модерни цехове за производство на годни за консумация водорасли хлорела могат да произвеждат до 40 тона суспензия на ден. Един напълно автономен биореактор с тегло няколко тона може да произведе до 300 литра суспензия от хлорела на ден, което е достатъчно за изхранването на екипаж от няколко десетки души. Генетично модифицираната хлорела може не само да задоволи хранителните нужди на екипажа, но и да преработи отпадъци, включително въглероден диоксид. Днес процесът на генно инженерство на микроводорасли е станал обичаен и има многобройни примери, разработени за пречистване на отпадъчни води, производство на биогорива и т.н.

замръзнала мечта

Почти всички горепосочени проблеми на пилотираните междузвездни полети биха могли да бъдат решени с една многообещаваща технология - суспендирана анимация или, както още се нарича, криостаза. Анабиозата е забавяне на човешките жизнени процеси поне няколко пъти. Ако е възможно да се потопи човек в такава изкуствена летаргия, която забавя метаболизма 10 пъти, то по време на 100-годишен полет той ще остарее в съня си само с 10 години. Това улеснява решаването на проблеми с храненето, снабдяването с кислород, психичните разстройства и разрушаването на тялото в резултат на ефектите на безтегловността. Освен това е по-лесно да се защити отделение с окачени анимационни камери от микрометеорити и радиация, отколкото голяма обитаема зона.

За съжаление, забавянето на човешките жизнени процеси е изключително трудна задача. Но в природата има организми, които могат да спят зимен сън и да удължат живота си стотици пъти. Например малък гущер, наречен сибирски саламандър, е в състояние да заспи зимен сън в трудни времена и да остане жив в продължение на десетилетия, дори когато е замръзнал в леден блок с температура минус 35–40°C. Известни са случаи, когато саламандрите прекарват около 100 години в хибернация и, сякаш нищо не се е случило, се размразяват и бягат от изненадани изследователи. Освен това обичайната „непрекъсната“ продължителност на живота на гущера не надвишава 13 години. Удивителната способност на саламандъра се обяснява с факта, че неговият черен дроб синтезира голямо количество глицерол, почти 40% от телесното му тегло, който предпазва клетките от ниски температури.

Ориз. 6. Биореактор за отглеждане на генетично модифицирани микроводорасли и други микроорганизми може да реши проблема с храненето и обработката на отпадъците.

Основната пречка за потапянето на човек в криостаза е водата, която съставлява 70% от тялото ни.

При замразяване се превръща в ледени кристали, които увеличават обема си с 10%, което води до разкъсване на клетъчната мембрана. Освен това, когато настъпи замръзване, веществата, разтворени в клетката, мигрират в останалата вода, нарушавайки вътреклетъчните йонообменни процеси, както и организацията протеинии други междуклетъчни структури. По принцип разрушаването на клетките при замразяване прави невъзможно връщането на човек към живота.

Има обаче обещаващ начин за решаване на този проблем - клатратни хидрати. Те са открити през 1810 г., когато британският учен сър Хъмфри Дейви инжектира хлор във вода под високо налягане и става свидетел на образуването на твърди структури. Това бяха клатратни хидрати - една от формите на водния лед, който съдържа чужд газ. За разлика от ледените кристали, решетките на клатрата са по-малко твърди, нямат остри ръбове, но имат кухини, в които вътреклетъчните вещества могат да се „скрият“. Технологията на клатратната суспендирана анимация би била проста: инертен газ, като ксенон или аргон, температурата е малко под нулата и клетъчният метаболизъм започва постепенно да се забавя, докато човек изпадне в криостаза. За съжаление образуването на клатратни хидрати изисква високо налягане (около 8 атмосфери) и много висока концентрация на газ, разтворен във вода. Все още не е известно как да се създадат такива условия в жив организъм, въпреки че има известни успехи в тази област. По този начин клатратите са в състояние да защитят сърдечната мускулна тъкан от разрушаването на митохондриите дори при криогенни температури (под 100 градуса по Целзий), както и да предотвратят увреждане на клетъчните мембрани. Все още не се говори за експерименти върху клатратна суспендирана анимация при хора, тъй като търговското търсене на технологии за криостаза е малко и изследванията по тази тема се извършват главно от малки компании, предлагащи услуги за замразяване на телата на мъртвите.

Полет на водород

През 1960 г. физикът Робърт Бъсард предлага оригиналната концепция за линейно реактивен термоядрен двигател, който решава много от проблемите на междузвездното пътуване. Идеята е да се използва водород и междузвезден прах, присъстващ в космоса. Космически кораб с такъв двигател първо се ускорява със собствено гориво, а след това разгръща огромна фуния от магнитно поле с диаметър хиляди километри, което улавя водород от космоса. Този водород се използва като неизчерпаем източник на гориво за термоядрени ракетни двигатели.

Използването на двигателя Bussard обещава огромни предимства. На първо място, благодарение на „безплатното“ гориво е възможно да се движите с постоянно ускорение от 1 g, което означава, че всички проблеми, свързани с безтегловността, изчезват. В допълнение, двигателят ви позволява да ускорите до огромни скорости - 50% от скоростта на светлината и дори повече. Теоретично, движейки се с ускорение от 1 g, кораб с двигател Bussard може да измине разстояние от 10 светлинни години за около 12 земни години, а за екипажа, поради релативистични ефекти, биха изминали само 5 години корабно време.

За съжаление, пътят към създаването на кораб с двигател Bussard е изправен пред редица сериозни проблеми, които не могат да бъдат решени на сегашното ниво на технологиите. На първо място, необходимо е да се създаде гигантски и надежден капан за водород, генериращ магнитни полета с гигантска сила. В същото време трябва да осигури минимални загуби и ефективно транспортиране на водород до термоядрения реактор. Самият процес на термоядрената реакция на превръщане на четири водородни атома в атом на хелий, предложен от Bussard, повдига много въпроси. Факт е, че тази най-проста реакция е трудна за изпълнение в еднократен реактор, тъй като протича твърде бавно и по принцип е възможна само вътре в звездите.

Въпреки това напредъкът в изследването на термоядрения синтез дава надежда, че проблемът може да бъде решен, например, чрез използване на „екзотични“ изотопи и антиматерия като катализатор за реакцията.

Ориз. 7. Сибирският саламандър може да остане в състояние на живот в продължение на десетилетия.

Досега изследванията по темата за двигателя на Bussard са изключително в теоретичната равнина. Необходими са изчисления, базирани на реални технологии. На първо място, необходимо е да се разработи двигател, способен да произвежда достатъчно енергия за захранване на магнитния капан и поддържане на термоядрената реакция, производство на антиматерия и преодоляване на съпротивлението на междузвездната среда, което ще забави огромното електромагнитно „платно“.

Антиматерията идва на помощ

Това може да звучи странно, но днес човечеството е по-близо до създаването на двигател с антиматерия, отколкото до интуитивния и на пръв поглед прост въздушно-реактивен двигател Bussard.

Реактор за синтез на деутерий-тритий може да генерира 6 x 10 11 J на ​​1 g водород - изглежда впечатляващо, особено като се има предвид, че това е 10 милиона пъти по-ефективно от химическите ракети. Реакцията на материя и антиматерия произвежда приблизително два порядъка повече енергия. Що се отнася до анихилацията, изчисленията на учения Марк Милис и плодът на неговата 27-годишна работа не изглеждат толкова депресиращи: Милис изчислява енергийните разходи за изстрелване на космически кораб до Алфа Кентавър и установява, че те ще бъдат 10 18 J, т.е. почти годишната консумация на електроенергия от цялото човечество.

Но това е само един килограм антиматерия.

Ориз. 8. Сондата, разработена от Hbar Technologies, ще има тънко платно, изработено от въглеродни влакна, покрити с уран 238. Като се блъска в платното, антиводородът ще анихилира и ще създаде реактивна тяга.

В резултат на анихилацията на водорода и антиводорода се образува мощен поток от фотони, чиято скорост на изтичане достига максимум за ракетен двигател, т.е. скоростта на светлината. Това е идеален индикатор, който позволява постигане на много високи скорости в близката светлина на космически кораб, задвижван от фотони. За съжаление, използването на антиматерия като ракетно гориво е много трудно, тъй като по време на анихилация има изблици на мощна гама радиация, която ще убие астронавтите. Освен това все още не съществуват технологии за съхранение на големи количества антиматерия и самият факт на натрупване на тонове антиматерия, дори в космоса далеч от Земята, е сериозна заплаха, тъй като унищожаването дори на един килограм антиматерия е еквивалентно на ядрено експлозия с мощност 43 мегатона (експлозия с такава сила може да превърне една трета в пустинна територия на САЩ). Цената на антиматерията е друг фактор, усложняващ задвижвания от фотони междузвезден полет. Съвременните технологии за производство на антиматерия правят възможно производството на един грам антиводород на цена от десетки трилиони долари.

Големите проекти за изследване на антиматерията обаче дават плодове. Понастоящем са създадени специални съоръжения за съхранение на позитрони, „магнитни бутилки“, които са контейнери, охлаждани с течен хелий със стени, направени от магнитни полета. През юни тази година учени от CERN успяха да запазят антиводородни атоми за 2000 секунди. В Калифорнийския университет (САЩ) се изгражда най-голямото в света хранилище на антиматерия, което ще може да акумулира повече от трилион позитрони. Една от целите на учените от UC е да създадат преносими резервоари за антиматерия, които могат да се използват за научни цели далеч от големите ускорители. Проектът има подкрепата на Пентагона, който се интересува от военни приложения на антиматерията, така че е малко вероятно най-големият набор от магнитни бутилки в света да остане без финансиране.

Съвременните ускорители ще могат да произвеждат един грам антиводород за няколкостотин години. Това е много дълго време, така че единственият изход е да се разработи нова технология за производство на антиматерия или да се обединят усилията на всички страни на нашата планета. Но дори и в този случай със съвременните технологии е невъзможно дори да мечтаем за производството на десетки тонове антиматерия за междузвезден пилотиран полет.

Всичко обаче не е толкова тъжно. Специалистите от НАСА са разработили няколко проекта за космически кораби, които могат да отидат в дълбокия космос само с един микрограм антиматерия. НАСА смята, че подобреното оборудване ще направи възможно производството на антипротони на цена от приблизително 5 милиарда долара на грам.

Американската компания Hbar Technologies, с подкрепата на НАСА, разработва концепцията за безпилотни сонди, задвижвани от двигател, работещ с антиводород. Първата цел на този проект е да се създаде безпилотен космически кораб, който да лети до пояса на Кайпер в покрайнините на Слънчевата система за по-малко от 10 години. Днес е невъзможно да се лети до толкова отдалечени точки за 5-7 години; по-специално сондата New Horizons на НАСА ще прелети през пояса на Кайпер 15 години след изстрелването.

Сонда, пътуваща на разстояние от 250 AU. след 10 години ще бъде много малък, с полезен товар само 10 mg, но ще му трябва и малко антиводород - 30 mg. Tevatron ще произведе това количество в рамките на няколко десетилетия и учените могат да тестват новата концепция на двигателя в реална космическа мисия.

Предварителните изчисления показват също, че малка сонда може да бъде изпратена до Алфа Кентавър по подобен начин. С един грам антиводород ще достигне до далечна звезда за 40 години.

Може да изглежда, че всичко по-горе е фантазия и няма нищо общо с близкото бъдеще. За щастие това не е така. Докато общественото внимание е насочено към глобални кризи, провали на поп звезди и други актуални събития, епохалните инициативи остават в сянка. Космическата агенция НАСА стартира амбициозния 100-годишен проект Starship, който включва постепенно и многогодишно създаване на научна и технологична основа за междупланетни и междузвездни полети. Тази програма няма аналог в историята на човечеството и трябва да привлече учени, инженери и ентусиасти от други професии от цял ​​свят. Ще се проведе симпозиум в Орландо, Флорида, от 30 септември до 2 октомври 2011 г., за да се обсъдят различни технологии за космически полети. Въз основа на резултатите от такива събития специалистите на НАСА ще разработят бизнес план за подпомагане на определени индустрии и компании, които разработват технологии, които в момента липсват, но са необходими за бъдещи междузвездни пътувания. Ако амбициозната програма на НАСА е успешна, до 100 години човечеството ще може да построи междузвезден космически кораб и ние ще се движим из Слънчевата система със същата лекота, с която летим от континент на континент днес.

Слънчевата система отдавна не представлява особен интерес за писателите на научна фантастика. Но, изненадващо, за някои учени нашите „родни“ планети не предизвикват много вдъхновение, въпреки че все още не са практически изследвани.

Едва отворило прозорец към космоса, човечеството се втурва в непознати далечини, а не само в сънищата, както преди.
Сергей Королев също обеща скоро да лети в космоса „на синдикален билет“, но тази фраза е вече на половин век и космическата одисея все още е част от елита - твърде скъпо удоволствие. Преди две години обаче HACA стартира грандиозен проект 100 години звезден кораб,което включва постепенно и многогодишно създаване на научно-техническа основа за космически полети.

И така, какви проблеми трябва да бъдат решени, за да стане звездният полет реалност?

ВРЕМЕТО И СКОРОСТТА СА ОТНОСИТЕЛНИ

Астрономията с автоматични космически кораби изглежда на някои учени като почти решен проблем, колкото и да е странно. И това въпреки факта, че няма абсолютно никакъв смисъл да се пускат автомати към звездите със сегашната скорост на охлюв (около 17 km/s) и друго примитивно (за такива непознати пътища) оборудване.

Сега американските космически кораби Pioneer 10 и Voyager 1 напуснаха Слънчевата система и вече няма връзка с тях. Pioneer 10 се движи към звездата Алдебаран. Ако нищо не му се случи, то ще достигне околностите на тази звезда... след 2 милиона години. По същия начин други устройства пълзят из просторите на Вселената.

Така че, независимо дали един кораб е населен или не, за да лети до звездите, той се нуждае от висока скорост, близка до скоростта на светлината. Това обаче ще помогне за решаването на проблема с летенето само до най-близките звезди.

„Дори ако успеем да построим звезден кораб, който може да лети със скорост, близка до скоростта на светлината“, пише К. Феоктистов, „времето на пътуване само в нашата Галактика ще се изчислява в хилядолетия и десетки хилядолетия, тъй като нейният диаметър е около 100 000 светлинни години години. Но на Земята много повече ще се случи през това време.“

Според теорията на относителността протичането на времето в две движещи се една спрямо друга системи е различно. Тъй като на големи разстояния корабът ще има време да достигне скорост, много близка до скоростта на светлината, времевата разлика на Земята и на кораба ще бъде особено голяма.

Предполага се, че първата цел на междузвездните полети ще бъде Алфа Кентавър (система от три звезди) - най-близката до нас. Със скоростта на светлината можете да стигнете до там за 4,5 години; на Земята през това време ще минат десет години. Но колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-голяма е разликата във времето.

Спомняте ли си известната „Мъглявина Андромеда“ на Иван Ефремов? Там полета се измерва в години, и то в земни. Красива приказка, няма какво да се каже. Тази желана мъглявина (по-точно галактиката Андромеда) обаче се намира на разстояние 2,5 милиона светлинни години от нас.

Това означава, че дори полетите със скоростта на светлината са оправдани само до относително близки звезди. Устройствата, летящи със скоростта на светлината, обаче все още живеят само на теория, което прилича на научна фантастика, макар и научна.

КОРАБ С РАЗМЕРА НА ПЛАНЕТА

Естествено, на първо място учените излязоха с идеята да използват най-ефективната термоядрена реакция в двигателя на кораба - тъй като той вече беше частично усвоен (за военни цели). Въпреки това, за двупосочно пътуване със скорост, близка до скоростта на светлината, дори и при идеален дизайн на системата, се изисква съотношение на началната към крайната маса най-малко 10 на тридесета степен. Тоест космическият кораб ще изглежда като огромен влак с гориво с размерите на малка планета. От Земята е невъзможно да се изстреля такъв колос в космоса. Освен това е възможно да се сглоби в орбита, не напразно учените не обсъждат тази опция.

Идеята за фотонен двигател, използващ принципа на анихилация на материята, е много популярна.

Анихилацията е превръщането на частица и античастица при техния сблъсък в други частици, различни от първоначалните. Най-изследваната е анихилацията на електрон и позитрон, която генерира фотони, чиято енергия ще движи звездния кораб. Изчисленията на американските физици Ronan Keene и Wei-ming Zhang показват, че въз основа на съвременните технологии е възможно да се създаде анихилационен двигател, способен да ускори космически кораб до 70% от скоростта на светлината.

Започват обаче допълнителни проблеми. За съжаление, използването на антиматерия като ракетно гориво е много трудно. По време на анихилация възникват изблици на мощна гама радиация, вредна за астронавтите. В допълнение, контактът на позитронно гориво с кораба е изпълнен с фатална експлозия. И накрая, все още няма технологии за получаване на достатъчно количество антиматерия и нейното дългосрочно съхранение: например, антиводородният атом сега „живее“ по-малко от 20 минути, а производството на милиграм позитрони струва 25 милиона долара.

Но нека приемем, че с времето тези проблеми могат да бъдат разрешени. Все пак ще ви трябва много гориво, а началната маса на фотонния звезден кораб ще бъде сравнима с масата на Луната (според Константин Феоктистов).

ПЛАТНОТО Е СЪСКАНО!

Най-популярният и реалистичен космически кораб днес се счита за слънчева платноходка, чиято идея принадлежи на съветския учен Фридрих Зандер.

Слънчево (светлинно, фотонно) платно е устройство, което използва натиска на слънчева светлина или лазер върху огледална повърхност, за да задвижи космически кораб.
През 1985 г. американският физик Робърт Форуърд предложи дизайна на междузвездна сонда, ускорена от микровълнова енергия. Проектът предвиждаше сондата да достигне до най-близките звезди за 21 години.

На XXXVI Международен астрономически конгрес беше предложен проект за лазерен звезден кораб, чието движение се осигурява от енергията на оптични лазери, разположени в орбита около Меркурий. Според изчисленията пътят на звезден кораб с този дизайн до звездата Епсилон Еридани (10,8 светлинни години) и обратно ще отнеме 51 години.

„Малко вероятно е данните, получени от пътуване през нашата слънчева система, да постигнат значителен напредък в разбирането на света, в който живеем. Естествено, мисълта се обръща към звездите. В края на краищата по-рано се разбираше, че полетите близо до Земята, полетите до други планети от нашата слънчева система не са крайната цел. Проправянето на пътя към звездите изглеждаше основната задача.”

Тези думи не принадлежат на писател на научна фантастика, а на конструктора на космически кораб и космонавт Константин Феоктистов. Според учения нищо особено ново няма да бъде открито в Слънчевата система. И това въпреки факта, че човек досега е достигал само до Луната...

Всичко това е все още теория, но първите стъпки вече се правят.

През 1993 г. слънчево платно с ширина 20 метра беше разгърнато за първи път на руския кораб "Прогрес М-15" като част от проекта "Знамя-2". При скачването на „Прогрес“ със станцията „Мир“, нейният екипаж инсталира рефлекторно устройство на борда на „Прогрес“. В резултат на това рефлекторът създаде ярко петно ​​с ширина 5 км, което премина през Европа към Русия със скорост 8 км/сек. Светлинното петно ​​имаше яркост, приблизително еквивалентна на пълната Луна.

Версията с платна може да е подходяща за изстрелване на автоматични сонди, станции и товарни кораби, но не е подходяща за пилотирани полети за връщане. Има и други проекти за космически кораби, но те по един или друг начин напомнят горните (със същите мащабни проблеми).

ИЗНЕНАДИ В МЕЖДУЗВЕЗДНОТО ПРОСТРАНСТВО

Изглежда много изненади очакват пътниците във Вселената. Например, едва достигайки извън слънчевата система, американският апарат Pioneer 10 започна да изпитва сила с неизвестен произход, причинявайки слабо спиране. Бяха направени много предположения, включително все още неизвестните ефекти на инерцията или дори времето. Все още няма ясно обяснение на това явление, разглеждат се различни хипотези: от прости технически (например реактивна сила от изтичане на газ в апарат) до въвеждането на нови физични закони.

Друго устройство, Вояджър 1, откри зона със силно магнитно поле на границата на Слънчевата система. При него налягането на заредените частици от междузвездното пространство кара създаденото от Слънцето поле да стане по-плътно. Устройството също регистрира:

• увеличаване на броя на високоенергийните електрони (около 100 пъти), които проникват в Слънчевата система от междузвездното пространство;
• рязко повишаване на нивото на галактическите космически лъчи - високоенергийни заредени частици от междузвезден произход.

Пространството между звездите не е празно. Навсякъде има остатъци от газ, прах и частици. Когато се опитвате да пътувате със скорост, близка до скоростта на светлината, всеки атом, който се сблъска с кораба, ще бъде като високоенергийна частица космически лъч. Нивото на твърда радиация по време на такава бомбардировка ще се увеличи неприемливо дори по време на полети до близки звезди.

И механичното въздействие на частиците при такива скорости ще бъде като експлозивни куршуми. Според някои изчисления всеки сантиметър от защитния екран на космическия кораб ще бъде непрекъснато обстрелван със скорост 12 изстрела в минута. Ясно е, че никой екран няма да издържи на такова излагане в продължение на няколко години полет. Или ще трябва да има неприемлива дебелина (десетки и стотици метри) и маса (стотици хиляди тонове).

Оказва се, че е невъзможно да се реши проблема с транспортирането на материални тела на галактически разстояния със скорости, близки до скоростта на светлината. Няма смисъл да пробивате пространството и времето с помощта на механична структура.

КЪРТИЧНА ДУПКА

Писателите на научна фантастика, опитвайки се да преодолеят неумолимото време, измислиха как да „прогризват дупки“ в пространството (и времето) и да го „сгъват“. Те измислиха различни хиперпространствени скокове от една точка в пространството в друга, заобикаляйки междинните зони. Сега учените се присъединиха към писателите на научна фантастика.

Физиците започнаха да търсят екстремни състояния на материята и екзотични вратички във Вселената, където е възможно да се движите със свръхсветлинни скорости, противно на теорията на относителността на Айнщайн.

Въпреки това, за да създадете стабилни червееви дупки, можете да използвате ефект, открит от холандеца Хендрик Казимир. Състои се във взаимното привличане на проводящи незаредени тела под въздействието на квантови трептения във вакуум. Оказва се, че вакуумът не е напълно празен, има колебания в гравитационното поле, в които спонтанно се появяват и изчезват частици и микроскопични червееви дупки.

Всичко, което остава, е да откриете една от дупките и да я разтегнете, като я поставите между две свръхпроводящи топки. Единият отвор на червеевата дупка ще остане на Земята, другият ще бъде преместен от космическия кораб със скорост, близка до светлинната, към звездата - крайния обект. Тоест космическият кораб сякаш ще пробие тунел. След като корабът достигне местоназначението си, дупката на червея ще се отвори за истинско светкавично междузвездно пътуване, чиято продължителност ще се измерва в минути.

БАЛОН НА РАЗРУШЕНИЕТО

Подобно на теорията за червеевата дупка е варп балон. През 1994 г. мексиканският физик Мигел Алкубиер извършва изчисления според уравненията на Айнщайн и открива теоретичната възможност за вълнова деформация на пространствения континуум. В този случай пространството ще се компресира пред космическия кораб и едновременно ще се разширява зад него. Звездният кораб е, така да се каже, поставен в мехур от кривина, способен да се движи с неограничена скорост. Гениалността на идеята е, че космическият кораб почива в мехур от кривина и законите на относителността не се нарушават. В същото време самият балон на кривина се движи, изкривявайки локално пространство-времето.

Въпреки невъзможността да пътува по-бързо от светлината, няма нищо, което да попречи на пространството да се движи или изкривяването на пространство-времето да се разпространява по-бързо от светлината, което се смята, че се е случило веднага след Големия взрив, когато се е образувала Вселената.

Всички тези идеи все още не се вписват в рамките на съвременната наука, но през 2012 г. представители на НАСА обявиха подготовката на експериментален тест на теорията на д-р Алкубиер. Кой знае, може би теорията на относителността на Айнщайн един ден ще стане част от нова глобална теория. В крайна сметка процесът на учене е безкраен. Това означава, че един ден ще можем да пробием през тръните до звездите.

Ирина ГРОМОВА

По време на процеса на оформление регистрите с номера и правописните грешки във формулите бяха коригирани. Представено в четлива таблична форма.
Иван Александрович Корзников
Реалностите на междузвездните полети

Хората отдавна мечтаят да летят през космоса до други звезди, да пътуват до други светове и да се срещат с неземен разум. Писателите на научна фантастика написаха планини от хартия, опитвайки се да си представят как ще се случи това; те измислиха различни техники, които биха могли да сбъднат тези мечти. Но засега това са само фантазии. Нека се опитаме да си представим как може да изглежда такъв полет в действителност.
Разстоянията между звездите са толкова големи, че светлината от една звезда до друга пътува с години и се движи с много висока скорост с =299 793 458 Госпожица. За измерване на тези разстояния астрономите използват специална единица - светлинна година, която е равна на разстоянието, което светлината изминава 1 година: 1 Св. година = 9.46 10 15метра (това е приблизително 600 пъти размера на слънчевата система). Астрономите са изчислили, че в сфера с радиус 21.2 около слънцето има светлинни години 100 звезди, включени в 72 звездни системи (двойни, тройни и др. системи от близки звезди). От тук е лесно да се установи, че средно има обем пространство на една звездна система 539 кубични светлинни години, а средното разстояние между звездните системи е приблизително 8.13 светлинни години. Действителното разстояние може да е по-малко - например до най-близката до Слънцето звезда Проксима Кентавър 4.35 Св. l, но във всеки случай междузвездният полет включва преодоляване на разстояние от поне няколко светлинни години. Това означава, че скоростта на звездния кораб трябва да бъде не по-малка от 0.1 c - тогава полетът ще отнеме няколко десетилетия и може да бъде извършен от едно поколение астронавти.
По този начин скоростта на звездния кораб трябва да бъде по-голяма 30 000 км/сек За земната техника това все още е непостижима стойност - едва сме усвоили хиляди пъти по-ниски скорости. Но нека приемем, че всички технически проблеми са решени и нашият космически кораб има двигател (фотонен или друг), способен да ускори космическия кораб до такива скорости. Ние не се интересуваме от подробности за неговото устройство и функциониране, тук за нас е важно само едно обстоятелство: съвременната наука познава само един начин за ускорение в космоса - реактивно задвижване, което се основава на изпълнението на закона за запазване на импулса. на система от тела. И важното тук е, че с такова движение звездният кораб (и всяко друго тяло) се движи в пространството, взаимодействайки физически с всичко, което е в него.
В своите фантазии писателите на научна фантастика са измислили различни „хиперпространствени скокове“ и „подпространствени преходи“ от една точка на пространството в друга, заобикаляйки междинните региони на пространството, но всичко това, според идеите на съвременната наука, няма шанс да бъдат реализирани в реалността. Съвременната наука твърдо е установила, че в природата са изпълнени определени закони за запазване: законът за запазване на импулса, енергията, заряда и т.н. И с „хиперпространствен скок“ се оказва, че в определена област на пространството енергията, импулсът и зарядите на физическото тяло просто изчезват, тоест тези закони не се прилагат. От гледна точка на съвременната наука това означава, че такъв процес не може да бъде осъществен. И най-важното е, че изобщо не е ясно какво е това, това е „хиперпространство“ или „подпространство“, когато физическото тяло престава да взаимодейства с телата в реалното пространство. В реалния свят има само това, което се проявява във взаимодействие с други тела (всъщност пространството е връзката на съществуващите тела), а това означава, че такова тяло действително ще престане да съществува - с всички произтичащи от това последствия. Така че всичко това са безплодни фантазии, които не могат да бъдат предмет на сериозна дискусия.
И така, нека приемем, че съществуващият реактивен двигател е ускорил космическия кораб до необходимата ни подсветлинна скорост и с тази скорост той се движи в космоса от една звезда към друга. Някои аспекти на такъв полет отдавна се обсъждат от учените (, ), но те разглеждат главно различните релативистични ефекти от такова движение, без да обръщат внимание на други важни аспекти на междузвездния полет. Но реалността е, че космическото пространство не е абсолютна празнота, то е физическа среда, която обикновено се нарича междузвездна среда. Съдържа атоми, молекули, прахови частици и други физически тела. И космическият кораб ще трябва да взаимодейства физически с всички тези тела, което се превръща в проблем при движение с такива скорости. Нека разгледаме този проблем по-подробно.
Астрономите, наблюдавайки радиоизлъчването от космическата среда и преминаването на светлина през нея, откриха, че в космоса има атоми и молекули на газове: това са главно водородни атоми н , водородни молекули H 2 (има приблизително същия брой от тях, колкото има атоми н ), атоми на хелий Не (те вътре 6 пъти по-малко от атомите н ) и атоми на други елементи (предимно въглерод С, кислород ОТНОСНО и азот н ), което общо възлиза на около 1 % от всички атоми. Дори такива сложни молекули като CO 2, CH 4, HCN, H 2 O, NH 3, HCOOH и други, но в малки количества (има ги милиарди пъти по-малко от атомите н ). Концентрацията на междузвезден газ е много малка и (далеч от облаците газ и прах) е средна 0,5-0,7 атоми на 1 cm 3.
Ясно е, че когато звезден кораб се движи в такава среда, този междузвезден газ ще окаже съпротива, забавяйки звездния кораб и разрушавайки черупките му. Поради това беше предложено да се превърне вредата в полза и да се създаде линейно реактивен двигател, който чрез събиране на междузвезден газ (и той е на 94 % се състои от водород) и унищожаването му със запасите от антиматерия на борда, по този начин ще получи енергия за движението на звездния кораб. Според проекта на авторите пред звездния кораб трябва да има йонизиращ източник (създаващ електронен или фотонен лъч, който йонизира входящите атоми) и магнитна намотка, която фокусира получените протони към оста на звездния кораб, където те са използвани за създаване на фотонен струен поток.
За съжаление, при по-внимателно разглеждане се оказва, че този проект е неосъществим. На първо място, йонизиращият лъч не може да бъде електронен (както настояват авторите) поради простата причина, че космически кораб, излъчващ електрони, сам ще бъде зареден с положителен заряд и рано или късно полетата, създадени от този заряд, ще нарушат работата на системи на звезден кораб. Ако използвате фотонен лъч, тогава (обаче, както при електронния лъч) въпросът се свежда до малкото напречно сечение за фотойонизация на атомите. Проблемът е, че вероятността атомът да бъде йонизиран от фотон е много малка (така че въздухът не се йонизира от мощни лазерни лъчи). Изразява се количествено чрез напречното сечение на йонизация, което числено е равно на съотношението на броя на йонизираните атоми към плътността на фотонния поток (броят падащи фотони на 1 cm 2 за секунда). Фотойонизацията на водородните атоми започва при фотонна енергия 13.6 електронволт= 2,18·10 -18 J (дължина на вълната 91.2 nm), а при тази енергия напречното сечение на фотойонизация е максимално и равно на 6,3·10 -18 cm2 (стр. 410). Това означава, че за йонизиране на един водороден атом е необходимо средно 1,6 10 17фотони на cm 2 за секунда. Следователно силата на такъв йонизиращ лъч трябва да е гигантска: ако звездният кораб се движи със скорост v тогава за 1 за секунда 1 cm 2 от повърхността му лети rv сблъскващи се атоми, където r - концентрация на атоми, която в нашия случай на почти светлинно движение ще бъде от порядъка на величината rv=0,7·3·10 10 =2·10 10атоми в секунда 1 cm 2. Това означава, че потокът от йонизиращи фотони не трябва да бъде по-малък n= 2·10 10 / 6,3·10 -18 =3·10 27 1/cm 2 s. Енергията, пренасяна от такъв поток от фотони, ще бъде равна на д=2,18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9 J/cm 2 s.
Освен това, в допълнение към водородните атоми, същият брой молекули ще летят в космическия кораб H 2 , а йонизацията им става при фотонна енергия 15.4 eV (дължина на вълната 80.4 nm). Това ще изисква приблизително удвояване на мощността на потока, а общата мощност на потока трябва да бъде д=1,3·10 10 J/cm2. За сравнение можем да посочим, че потокът от фотонна енергия на повърхността на Слънцето е равен на 6.2 10 3 J/cm 2 s, тоест космическият кораб трябва да свети два милиона пъти по-ярко от Слънцето.
Тъй като енергията и импулсът на фотона са свързани чрез връзката E=rs , тогава този поток от фотони ще има импулс р=еS/с Където С - маса на приемна площ (около 1000 m 2), което ще бъде 1,3 10 10 10 7 / 3 10 8 =4,3 10 8 Kg·m/s, като този импулс е насочен срещу скоростта и забавя космическия кораб. Всъщност се оказва, че фотонен двигател стои пред звездолета и го тласка в обратната посока - ясно е, че такъв бут-пул няма да лети далеч.
По този начин йонизирането на падащите частици е твърде скъпо и съвременната наука не познава друг начин за концентриране на междузвездни газове. Но дори и да се намери такъв метод, линейно реактивният двигател пак няма да се оправдае: Зенгер също показа (стр. 112), че количеството на тягата на линейно реактивен фотонен реактивен двигател е незначително и не може да се използва за ускоряване на ракета с висока ускорение. Наистина, общият приток на маса на падащи частици (главно водородни атоми и молекули) ще бъде dm=3m p Srv=3 1,67 10 -27 10 7 2 10 10 =10 -9 Kg/s. При анихилация тази маса ще освободи максимум W=mc 2 = 9 10 7 J/s, и ако цялата тази енергия се изразходва за образуването на фотонна струя, тогава увеличението на импулса на звездния кораб за секунда ще бъде dр=W/c=9·10 7 /3·10 8 =0,3 Kg m/s, което съответства на тяга от 0.3 Нютон. Приблизително със същата сила малка мишка притиска земята и се оказва, че планината е родила мишка. Ето защо, проектирането на ПВРД двигатели за междузвездни полети няма смисъл.

От горното следва, че няма да е възможно да се отклонят входящите частици от междузвездната среда и звездният кораб ще трябва да ги приеме с тялото си. Това води до някои изисквания към конструкцията на звездния кораб: пред него трябва да има екран (например под формата на коничен капак), който да предпазва основното тяло от въздействието на космически частици и радиация. А зад екрана трябва да има радиатор, който отнема топлината от екрана (и в същото време служи като вторичен екран), прикрепен към основното тяло на звездния кораб с термоизолационни греди. Необходимостта от такъв дизайн се обяснява с факта, че падащите атоми имат висока кинетична енергия, те ще проникнат дълбоко в екрана и, забавяйки се в него, ще разсеят тази енергия под формата на топлина. Например при скорост на полет 0,75 c енергията на водороден протон ще бъде приблизително 500 MeV - в единици на ядрената физика, което съответства на 8·10 -11 J. Той ще проникне в екрана на дълбочина от няколко милиметра и ще прехвърли тази енергия към вибрации на атомите на екрана. И такива частици ще летят наоколо 2 10 10атоми и същия брой водородни молекули за секунда на 1 cm 2, тоест всяка секунда за 1 Ще бъде доставена 2 см повърхност на екрана 4.8 J енергия, преобразувана в топлина. Но проблемът е, че в космоса тази топлина може да бъде отстранена само чрез излъчване на електромагнитни вълни в околното пространство (там няма въздух или вода). Това означава, че екранът ще се нагрява, докато топлинното му електромагнитно излъчване стане равно на мощността, идваща от падащите частици. Топлинното излъчване на електромагнитна енергия от тялото се определя от закона на Стефан-Болцман, според който енергията, излъчвана за секунда с 1 cm 2 повърхност е равна q=sТ 4 Където с=5,67·10 -12 J/cm 2 K 4 е константата на Стефан и T - повърхностна телесна температура. Условието за установяване на равновесие ще бъде sТ 4 =Q Където Q - входяща мощност, тоест температурата на екрана ще бъде T=(Q/s) 1/4 . Замествайки съответните стойности в тази формула, откриваме, че екранът ще се нагрее до температура 959 o K = 686 o C. Ясно е, че при високи скорости тази температура ще бъде още по-висока. Това означава например, че екранът не може да бъде направен от алуминий (точката му на топене е само 660 o C) и трябва да бъде топлоизолиран от основното тяло на звездния кораб - в противен случай жилищните отделения ще станат неприемливо топли. И за да се улесни топлинният режим на екрана, е необходимо да се прикрепи радиатор с голяма радиационна повърхност (може да бъде направен от алуминий), например под формата на клетъчна система от надлъжни и напречни ребра, докато напречните ребра едновременно ще служат като вторични екрани, предпазващи жилищните помещения от попадане в екрана на фрагменти и частици от спирачно лъчение и др.

Но защитата от атоми и молекули не е основният проблем на междузвездния полет. Астрономите, наблюдавайки поглъщането на светлината от звездите, установиха, че в междузвездното пространство има значително количество прах. Такива частици, които силно разсейват и поглъщат светлината, имат размери 0.1-1 микрон и маса на поръчката 10 -13 g, а концентрацията им е много по-малка от концентрацията на атомите и е приблизително равна на r=10 -12 1/cm 3 Съдейки по тяхната плътност ( 1 g/cm 3) и индекс на пречупване ( н=1.3 ) те са предимно снежни топки, състоящи се от замръзнали космически газове (водород, вода, метан, амоняк) с примес на твърд въглерод и метални частици. Очевидно именно от тях се образуват ядрата на комети със същия състав. И въпреки че това трябва да са доста хлабави образувания, при скорости, близки до светлината, те могат да причинят голяма вреда.
При такива скорости релативистичните ефекти започват да се проявяват силно и кинетичната енергия на тялото в релативистичната област се определя от израза

Както може да се види, енергията на тялото нараства рязко, когато v се доближава до скоростта на светлината c: Така че, при скорост 0.7 с прашинка m=10 -13 g има кинетична енергия 3.59 J (вижте таблица 1) и удрянето му върху екрана е еквивалентно на експлозия в него от приблизително 1 мг тротил. На скорост 0.99 тази прашинка ще има енергия 54.7 J, което е сравнимо с енергията на куршум, изстрелян от пистолет Макаров ( 80 J). При такива скорости се оказва, че всеки квадратен сантиметър от повърхността на екрана е непрекъснато обстрелван от куршуми (и то експлозивни) с честота 12 изстрела в минута. Ясно е, че никой екран няма да издържи на такова излагане в продължение на няколко години полет.

Таблица 1 Енергийни съотношения

Обозначения: E r - кинетична енергия на протона в MeV ДА СЕ - кинетична енергия на 1 kg вещество в J T - Тротилов еквивалент на килограм в тонове тротил.

За да оцените последствията от удар на частица върху повърхност, можете да използвате формулата, предложена от Ф. Уипъл, експерт по тези въпроси (стр. 134), според която размерите на получения кратер са равни на

Където д - плътност на екрана, Q - неговата специфична топлина на топене.

Но тук трябва да имаме предвид, че всъщност не знаем как праховите частици ще повлияят на материала на екрана при такива скорости. Тази формула е валидна за ниски скорости на удар (от порядъка 50 km/s или по-малко), а при скорости, близки до светлината, физическите процеси на удар и експлозия трябва да протичат напълно различно и много по-интензивно. Може само да се предположи, че поради релативистичните ефекти и голямата инерция на материала на праховите зърна, експлозията ще бъде насочена дълбоко в екрана, като кумулативна експлозия, и ще доведе до образуването на много по-дълбок кратер. Дадената формула отразява общи енергийни зависимости и приемаме, че е подходяща за оценка на резултатите от удар и за скорости, близки до светлината.
Очевидно най-добрият материал за екрана е титанът (поради ниската му плътност и физически характеристики), за който д=4.5 g/cm 3 и Q=315 KJ/Kg, което дава

д=0,00126· д 1/3 метра

При v=0.1 c получаваме д=0.045 J и д=0,00126·0,356=0,000448 m= 0.45 мм. Лесно е да откриете, че след преминаване през 1 светлинна година, екранът на звездния кораб ще се срещне n=rs=10 -12 ·9,46·10 17 =10 6прашинки за всеки cm 2 и всеки 500 праховите частици ще премахнат слой 0.448 mm екран. Така че след 1 светлинни години пътуване екранът ще бъде изтрит от дебелината 90 см. От това следва, че за полет с такива скорости, да речем, до Проксима Кентавър (само там), екранът трябва да има дебелина приблизително 5 метра и маса около 2.25 хиляди тона. При високи скорости ситуацията ще бъде още по-лоша:

Таблица 2 Дебелина х титан, изтриваем 1 пътуване на светлинна година

Както се вижда, кога v/c >0.1 екранът ще трябва да има неприемлива дебелина (десетки и стотици метри) и маса (стотици хиляди тонове). Всъщност тогава космическият кораб ще се състои главно от този екран и гориво, което ще изисква няколко милиона тона. Поради тези обстоятелства полетите с такива скорости са невъзможни.

Обмисляният абразивен ефект на космическия прах всъщност не изчерпва целия диапазон от въздействия, на които един звезден кораб ще претърпи по време на междузвезден полет. Очевидно е, че в междузвездното пространство има не само прашинки, но и тела с други размери и маси, но астрономите не могат директно да ги наблюдават поради факта, че въпреки че размерите им са по-големи, самите те са по-малки, така че не правят забележим принос към поглъщането на звездната светлина (прашинките, обсъдени по-рано, имат размер от порядъка на дължината на вълната на видимата светлина и следователно силно я поглъщат и разпръскват, и има доста от тях, поради което астрономите основно ги наблюдават) .
Но можем да получим представа за телата в дълбокия космос от телата, които наблюдаваме в Слънчевата система, включително близо до Земята. Всъщност, както показват измерванията, слънчевата система се движи спрямо съседните звезди приблизително в посока на Вега със скорост 15.5 km/s, което означава, че всяка секунда помита нови и нови обеми от космоса заедно със съдържанието си. Разбира се, не всичко в близост до Слънцето идва отвън; много тела първоначално са били елементи на слънчевата система (планети, астероиди, много метеорни потоци). Но астрономите неведнъж са наблюдавали, например, полета на някои комети, които са пристигнали от междузвездното пространство и са отлетели обратно там. Това означава, че там има много големи тела (с тегло милиони и милиарди тонове), но те са много редки. Ясно е, че тела с почти всяка маса могат да се срещнат там, но с различна вероятност. И за да оценим вероятността да срещнем различни тела в междузвездното пространство, трябва да намерим разпределението на такива тела по маса.
На първо място, трябва да знаете какво се случва с телата, когато са в Слънчевата система. Този въпрос е добре проучен от астрофизиците и те са открили, че животът на не много големи тела в Слънчевата система е много ограничен. Така малки частици и прахови частици с маси по-малки от 10 -12 g просто се изтласкват от слънчевата система от потоци светлина и протони от Слънцето (както може да се види в опашките на кометите). При по-големите частици резултатът е обратен: в резултат на така наречения ефект на Пойнтинг-Робъртсън те падат към Слънцето, като постепенно се спускат към него по спирала за период от около няколко десетки хиляди години.
Това означава, че спорадичните частици и микрометеорити, наблюдавани в Слънчевата система (несвързани със собствените й метеорни потоци), са влезли в нея от околното пространство, тъй като нейните собствени частици от този тип отдавна са изчезнали. Следователно желаната зависимост може да се намери от наблюдения на спорадични частици в самата слънчева система. Такива наблюдения се извършват от дълго време и изследователите са стигнали до извода (,), че законът за разпределение на космическите тела по маса има формата N(M)=N0/M i Директни измервания за спорадични метеори в масовия диапазон от 10 -3 преди 10 2 g (стр. 127) е дадена за плътността на потока на метеори с маса над М грам зависимост

F( М)=Ф(1)/ М 1.1

Най-надеждните резултати по този въпрос са получени от измервания на микрократери, образувани върху повърхностите на космически кораби (стр. 195), те също дават к=1.1 в масовия диапазон от 10 -6 преди 10 5 г. За по-малки маси остава да се приеме, че това разпределение е валидно и за тях. Тъй като величината на потока от частици е по-масивна 1 d различни измервания дават стойности 10 -15 1) 2·10 -14 1/m 2 s, и тъй като големината на потока е свързана с пространствената плътност на телата чрез отношението Ф=rv , тогава от тук можем да установим, че концентрацията в пространството на тела с маса над М се дава по формулата

r( М)=r 1 /M 1.1

къде е параметърът r 1 може да се намери, като се вземе средната скорост на спорадичните метеорни частици v=15 km/s (както се вижда от измерванията на P. Millman), тогава r 1 =Ф(1)/vсе оказва средно равно 5·10 -25 1/см 3.
От полученото разпределение можем да установим, че концентрацията на частици, чиято маса е по-голяма 0.1 g е средно равно на r(0.1)=r 1· (10) · 1,1=6,29 · 10 -24 1/cm 3, което означава, че по пътя към 1 звездният кораб ще срещне светлинна година при 1 cm 2 повърхности n=rs=5,9·10 -6такива частици, които с обща площ С=100 m 2 = 10 6 cm 2 няма да бъде по-малко 5 частиците са по-масивни 0.1 g по цялото напречно сечение на звездния кораб. И всяка такава частица v=0.1 c има повече енергия 4,53 10 10 J, което е еквивалентно на кумулативна експлозия 11 тона тротил. Дори ако екранът може да издържи това, тогава ето какво ще се случи след това: тъй като е малко вероятно частицата да удари точно центъра на екрана, тогава в момента на експлозията ще се появи сила, която завърта звездния кораб около неговия център на масата . Първо, леко ще промени посоката на полета и, второ, ще завърти космическия кораб, излагайки страната му на идващия поток от частици. И звездният кораб бързо ще бъде разкъсан на парчета от тях и ако на борда има запаси от антиматерия, тогава всичко ще завърши с поредица от анихилационни експлозии (или една голяма експлозия).
Някои автори изразяват надежда, че е възможно да се избегне опасен метеорит. Да видим как ще изглежда при субсветлинна скорост v=0.1 ° С. Тегло на метеорита 0.1 g е с размер прибл. 2 mm и енергиен еквивалент 10.9 тона тротил. Удрянето на звездния кораб ще доведе до фатална експлозия и вие ще трябва да я избягвате. Да приемем, че радарът на космическия кораб е в състояние да открие такъв метеорит от разстояние х=1000 км - въпреки че не е ясно как ще стане това, тъй като от една страна радара трябва да е пред екрана, за да изпълнява функцията си, а от друга страна, зад екрана, за да не бъде унищожен от потока на входящите частици.
Но да кажем, тогава във времето t = x/v = 0.03 секунди звездният кораб трябва да реагира и да се отклони на разстояние при= 5 m (като се брои диаметърът на звездния кораб 10 метри). Това означава, че трябва да придобие скорост в напречна посока u=y/t - отново след време T , тоест ускорението му трябва да е не по-малко a=y/t 2 = 150 m/s 2 . Това е ускорението в 15 пъти повече от нормалното и никой от екипажа и много от инструментите на космическия кораб няма да могат да го издържат. И ако масата на звездния кораб е около 50 000 тона, тогава това ще изисква сила F= сутрин= 7,5 10 9нютон. Такава сила за време от хилядни от секундата може да се получи само чрез предизвикване на мощна експлозия на звезден кораб: при химическа експлозия се получава налягане от порядъка на магнитуд 10 5 атмосфери= 10 10 Newton/m 2 и ще може да обърне космическия кораб настрани. Тоест, за да избегнете експлозията, трябва да взривите космическия кораб...
По този начин, дори и да е възможно да се ускори космическият кораб до подсветлинна скорост, той няма да достигне крайната си цел - по пътя му ще има твърде много препятствия. Следователно междузвездните полети могат да се извършват само при значително по-ниски скорости, от порядъка на 0.01 s или по-малко. Това означава, че колонизацията на други светове може да се случи с бавни темпове, тъй като всеки полет ще отнеме стотици и хиляди години и за това ще е необходимо да се изпратят големи колонии от хора до други звезди, способни да съществуват и да се развиват независимо. Малък астероид, направен от замръзнал водород, може да бъде подходящ за такава цел: вътре в него може да се построи град с подходящи размери, където да живеят астронавти, а самият астероиден материал да се използва като гориво за термоядрена електроцентрала и двигател. Съвременната наука не може да предложи други начини за изследване на дълбокия космос.
Във всичко това има само един положителен аспект: нахлуването на орди от агресивни извънземни не застрашава Земята - това е твърде сложен въпрос. Но другата страна на монетата е, че няма да е възможно да стигнете до светове, където има „братя по ум“ в рамките на следващите няколко десетки хиляди години. Следователно най-бързият начин за откриване на извънземни е да се установи комуникация с помощта на радиосигнали или други сигнали.

Библиография

1. Новиков И.Д. Теория на относителността и междузвездни полети - М.: Знание, 1960 г
2. Перелман Р.Г. Цели и начини за изследване на космоса - М.: Наука, 1967
3. Перелман Р.Г. Двигатели на галактически кораби - М.: изд. Академия на науките на СССР, 1962 г
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Външни ресурси и астронавтика - М.: Атомиздат, 1976
5. Зенгер Е., За механиката на фотонните ракети - М.: изд. Чуждестранна литература, 1958г
6. Закиров U.N. Механика на релативистките космически полети - М.: Наука, 1984
7. Алън К.В. Астрофизични величини - М.: Мир, 1977
8. Мартинов Д.Я. Курс по обща астрофизика - М.: Наука, 1971
9. Физични величини (Наръчник) - М.: Енергоатомиздат, 1991 г.
10. Бурдаков V.P., Siegel F.Yu. Физически основи на космонавтиката (космическа физика) - М.: Атомиздат, 1974 г.
11. Спицер Л. Пространството между звездите - М.: Мир, 1986.
12. Лебединец В.М. Аерозол в горните слоеве на атмосферата и космически прах - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 г.
13. Бабаджанов П.Б. Метеори и тяхното наблюдение - М.: Наука, 1987
14. Акишин А.И., Новиков Л.С. Въздействие на околната среда върху материалите на космическите кораби - М.: Знание, 1983 г