Может ли воздушный шар летать в космосе?

Может ли воздушный шар летать в космосе?

 Текст: Александр Березин

Давайте попробуем рассмотреть одну сумасшедшую идею, которая, по словам её автора, редактора Scientific American Джорджа Массера (George Musser), легко может возбудить весь штат журнала на долгую и горячую офисную болтовню. Особенно в пятницу.

Всё началось с того, что его коллега Майкл Мойер пошутил, что некоторые политики могут построить лунную базу при помощи одного только воздушного шара: просто наполнить его горячим воздухом и воспарить до самой Луны. Смешно, да? Разве мы не знаем, что воздушные шары не летают в космическом пространстве? Но так ли это? Почему бы и нет?

И чем дольше г-н Массер думал над этим, тем больше, по его словам, приходил в смущение. Так что давайте позволим ему воспарить вверх, как тривиальному воздушному шару, и уж сами потом решим, стоит ли нам сбить его или пусть летит, ОК? Правила игры: никаких уклончивых апелляций к «осуществимости» или «практичности». Читатели «КЛ» — люди науки, производства и ИТ, а потому должны приводить аргументы из области незамутнённой физики.

Воздушный шар... на пути к далёким галактикам? (Иллюстрация NASA / ARCADE / Roen Kelly.)

Итак, до тех пор пока плотность внутри воздушного шара ниже, чем снаружи, он должен подниматься — и неважно насколько низко при этом давление снаружи. Трение будет ограничивать скорость подъёма шара, но не будет вовсе останавливать его, кроме того, оно может быть минимизировано выбором менее сферической и более вытянутой формы нашего неожиданного ЛА.

По мере воспарения шар будет расширяться обратно пропорционально давлению снаружи и, пренебрегая температурой, своей плотности. В момент отрыва от земли внутреннее и наружное давления равны, а внутренняя плотность ниже. При подъёме внутреннее и внешнее давления остаются равными, при этом внутренняя плотность всегда будет оставаться ниже плотности окружающей среды. То, что мы не учитываем здесь воздействие температуры, наверное, не так уж важно: абсолютные температуры на всём маршруте подъема будут разниться всего на пару порядков, в то время как давление и плотность испытают куда более драматичные колебания. (Да и в любом случае у нас ведь есть политик, чтобы отрегулировать разницу температур.)

Натяжение материала оболочки будет возрастать прямо пропорционально её радиусу. Оно измеряется в единицах силы, а максимальная возможная сила в природе, Планковская, равна 10⁴⁴ ньютонов (1,21027×10⁴⁴ Н), так что шарик может достигнуть размеров больших, чем вся наблюдаемая Вселенная, прежде чем ему придётся лопнуть. Стенки воздушного шара станут предельно тонкими и пористыми, но из-за того, что их площадь при подъёме будет расти пропорционально квадратной степени, а внутренний объем — пропорционально кубу от снижения давления в окружающей среде, то шар всё равно сможет удерживать газ внутри себя.

Итого: если вы запустите гелиевый шарик с Земли, он будет подниматься бесконечно! И подниматься он будет до той точки, где атмосфера Земли плавно переходит в межпланетное пространство. А потом он будет просто «подниматься» (условно говоря, ведь в космосе нет «верха» или «низа»), пока не покинет Солнечную систему, достигнет сначала межзвёздного пространства, затем межгалактического, как мыльный пузырь, гонимый сверхновой, пока наконец не остановится в одной из пустот наблюдаемой Вселенной.

Вот, если мы г-ном Массером ничего не пропустили, присущая воздушным шарам неспособность функционировать в космическом пространстве — миф. Предел возможного здесь устанавливает не физика, а пустяковые инженерные проблемы, такие как подбор материала с достаточными прочностными характеристиками и малой проницаемостью.

Другая сложность заключается в том, что законы газовой динамики предполагают существование сплошной газовой среды, условие, которое перестанет действовать уже в верхних слоях земной атмосферы.

Или всё не так? Ну же, поправьте нас.

Подготовлено по материалам Scientific American.