Звездолёты: классификация и проблемы

Моё третье эссе по курсу Астономии

Идея космических перелётов зародилась давным-давно. Долгое время они оставались мечтами, но с появлением первых межконтинентальных ракет была доказана возможность создания космических аппаратов. Как всегда, основным двигателем прогресса стала политика. Результатом космической гонки 1957-1975 годов стали пилотируемые полёты на Луну. К сожалению, с сегодняшними технологиями — это очень дорогое удовольствие. А расходы на науку в бюджете любой страны стоят далеко не на первом месте. Но прогресс не стоит на месте, и момент начала звёздных перелётов всё ближе.

Могут ли современные космические аппараты преодолеть межзвездные и межгалактические расстояния?

Сегодня, если использовать все ресурсы планеты, то можно было бы построить звездолёт, который возможно и смог бы набрать достаточную скорость и достичь соседнюю звезду за приемлемое время. Но остановиться он уже не сможет. В современной космонавтике основную роль играет формула Циолковского — чем тяжелее корабль, тем больше топлива ему требуется, тем тяжелее он становится. И эта зависимость не линейна. Бесконечно увеличивать корабль тоже не получится — любые материалы будут деформироваться при достижении определённого веса. Одно из решений — строительство самого корабля уже в космосе. Но такое строительство выйдет намного дороже. И даже если нам удастся построить достаточно большой корабль и запустить его в космос, преодолев притяжение Земли, останется ещё ряд проблем.

Ближайшая к нам планетная система — звезды Альфа из созвездия Центавра. До неё около 4,243 световых лет, это примерно в 268 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Свет будет идти около 4 лет. Это огромные расстояния. Современный космический корабль со скоростью 20 км/c долетит только туда всего за 65 000 лет. Нужны аппараты намного быстрее.

Существуют проекты кораблей «Орион», «Дедал» и «Икар (Icarus)». Также в 2011 году DARPA и НАСА объявили о начале проекта «Через 100 лет к звёздам». Его цель — стимулирование развития новых технологий и разработка в ближайшие 15-20 лет двигателя, который мог бы использоваться для пилотируемого полёта к другим звёздным системам.

Проблемы.

Энергия. Согласно физическим законам, энергия полученная в ходе преобразования никуда не исчезнет. Космический корабль с достаточно мощными двигателями обязан иметь систему охлаждения (обычно используют теплоотводящие радиаторы), иначе он расплавится. Чем дальше от солнца — тем менее эффективен солнечный свет для использования в качестве энергии от солнечных батарей. Недостаток термоядерных двигателей — низкий КПД (только 0,7% массы вещества преобразуется в энергию).

Ресурсы. Для ускорения и торможения потребуется рабочее тело (а запасы топлива у нас не бесконечны). Для экипажа нужны еда, вода, воздух, комфортная температура, защита от излучений, физические нагрузки, решение психологических проблем, медицинская помощь, приемлемая нагрузка (от ускорения). Работающие искусственные замкнутые биосферы для людей пока не существуют (хотя было много экспериментов).

Угрозы. Влияние невесомости, космического излучения (в частности радиации), надёжность техники, безопасность двигателя, психологические проблемы долгого нахождения экипажа в замкнутом пространстве.

Время. При ограничении на количество выделяемого избыточного тепла появится ограничение на мощность двигателя. Соответственно, разгон вероятно будет происходить очень медленно. Также на экипаж не должно действовать ускорение больше безопасного. А значит, потребуются годы, чтобы разогнать космический корабль до требуемой скорости, затем годы для торможения. Если не создавать корабли поколений или не вводить экипаж в состояние анабиоза, экипаж просто умрёт от старости (хотя вероятность погибнуть от других причин намного выше).

Помехи. Космос состоит не из пустого вакуума. В пространстве всегда есть атомы водорода и частицы пыли. Уже на 20% скорости света они превращаются в ощутимую угрозу и могут разрушить звездолёт. На скоростях близких к скорости света энергия столкновений будет настолько высокой, что этому нельзя будет противостоять.

Ниже я перечислю все возможные конструкции космических кораблей, проекты которых существуют на данный момент.

Звездолёты (более или менее реалистичные).

— Двигатели на управляемых ядерных процессах — ядерный реактор (для энергии возможны стелларатор/токамак — очень перспективные разработки). В идеале — холодный синтез (но пока что это научная фантастика).

— EmDrive (работа которого подтверждена NASA).

— Ионный двигатель (электричество для создания в топливе заряженных частиц)

— Паруса (Солнечный/Космический/Электрический/Магнитный — все работают на принципе давления электромагнитного излучения). Также очень перспективны и реалистичны. Не требуют топлива, но невозможно лететь в обратном направлении.

— Внешний источник энергопитания (например, лазерный луч)

— Аннигиляционные двигатели (на антиматерии). Пока что очень небезопасно и нет технологий для получения/хранения антиматерии.

— Прямоточные двигатели на межзвёздном водороде.

— Фотонный двигатель на магнитных монополях.

Звездолёты (пока что ближе к научной фантастике).

— Создание чёрной дыры (проект Луи Крейна и Шона Уэстморленда). В двух словах — создание огромного солнечного лазера на орбите Меркурия, фокусировка и создание миниатюрной чёрной дыры весом 1 000 000 тонн и диаметром меньше ядра атома, и использование её медленного испарения (излучения Хокинга) для движения корабля. Хватит надолго.

— Двигатели на чёрной материи (работа Цзя Лю)

— Кротовые норы (ОТО допускает гипотетические туннели в пространстве, в частности кротовины Морриса — Торна).

— Варп двигатели (быстрее света, искривляет пространство: сужает до звездолёта и расширяет позади)

Cистемы торможения:

— внутренние источники.
— лазерный луч из Солнечной Системы.
— магнитное поле с использованием Магнитного Паруса Зубрина на сверхпроводниках.

Каковы задачи межзвёздных экспедиций?

Главная идея межзвёздных путешествий — создание межпланетной цивилизации. Это основная цель для выживания человечества. Поиск планет пригодных для жизни, изучение и колонизация. На более коротких отрезках времени — получение новой и уточнение существующей информации. Изучение других миров не только даст нам новые данные, но и позволит лучше понять процессы происходящие на Земле, влияние перелётов на человека и устройство Вселенной.

Возможный экипаж корабля?​

Хороший пример грамотного состава экипажа — из сериала «Притяжение вопреки». Командир, пилот, биолог, геолог, доктор/психиатр, бортинженер/механик, гений/физик/математик, журналист/историк. Хорошо бы добавить несколько роботов (ТАРС и КЕЙС из Интерстеллара). Каждый член экипажа должен иметь несколько профессий, и при необходимости заменять друг друга.

Заключение.

Существует много проблем, но если решение возможно, они будут преодолены. Ни один закон природы не отрицает возможность межзвёздных путешествий. Но сначала будет эра роботов. На сегодняшний день целесообразнее, например, 20 автоматических кораблей, чем один с живым экипажем (при равной стоимости). Когда-нибудь наступит день и мы отправим космический корабль с людьми к другим звёздам.

Источники:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Межзвёздный_полёт
http://galspace.spb.ru/orbita/23.htm.