Реальности межзвездных полетов

Иван Александрович Корзников

Люди уже давно мечтают о полетах через космическое пространство к другим звездам, о путешествиях по другим мирам и встречах с неземным разумом. Фантасты исписали горы бумаги, пытаясь представить, как это будет происходить, они выдумали разнообразную технику, способную осуществить эти мечты. Но пока это только фантазии. Попробуем представить, как такой полет может выглядеть в реальности.
Расстояния между звездами так велики, что свет от одной звезды до другой распространяется годами, а он движется с очень большой скоростью с=299 793 458 м/с. Для измерения этих расстояний астрономы используют специальную единицу - световой год, она равна расстоянию которое проходит свет за 1 год: 1 св. год = 9.46·10¹⁵ метров (это примерно в 600 раз больше размеров солнечной системы). Астрономы подсчитали, что в сфере радиусом 21.2 световых лет вкруг Солнца имеется 100 звёзд, входящих в 72 звездные системы (двойные, тройные и т.д. системы близких звезд). Отсюда легко найти, что на одну звездную систему в среднем приходится объем пространства 539 кубических световых лет, а среднее расстояние между звездными системами составляет примерно 8.13 световых лет. Реальное расстояние может быть и меньше - так, до ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра 4.35 св. л, но в любом случае межзвездный перелет представляет собой преодоление расстояния по крайней мере в несколько световых лет. А это значит, что скорость звездолета должна быть не меньше, чем 0.1с - тогда перелет займет несколько десятков лет и может быть осуществлен одним поколением астронавтов.
Таким образом, скорость звездолета должна быть больше 30 000 км/с. Для земной техники это пока недостижимая величина - мы едва освоили скорости в тысячу раз меньше. Но допустим, что все технические проблемы решены, и наш звездолет имеет двигатель (фотонный или какой угодно другой), способный разогнать космический корабль до таких скоростей. Нас не интересуют детали его устройства и функционирования, для нас здесь важно только одно обстоятельство: современная наука знает только один способ разгона в космическом пространстве - реактивное движение, которое основано на выполнении закона сохранения импульса системы тел. И важно здесь то, что при таком движении звездолет (и любое другое тело) именно перемещается в пространстве, физически взаимодействуя со всем, что в нем находится.
Фантасты в своих фантазиях придумали разнообразные "гиперпространственные скачки" и "субпространственные переходы" от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области пространства, но все это, по представлениям современной науки, не имеет никаких шансов на осуществление в реальности. Современная наука твердо установила, что в природе выполняются определенные законы сохранения: закон сохранения импульса, энергии, заряда и т. д. А при "гиперпространственном скачке" получается, что в некоторой области пространства энергия, импульс и заряды физического тела просто исчезают, то есть эти законы не выполняются. С точки зрения современной науки это значит, что такой процесс не может быть осуществлен. Да и главное - непонятно, что это вообще такое, это "гиперпространство" или "субпространство", попав в которое, физическое тело перестает взаимодействовать с телами в реальном пространстве. В реальном мире существует лишь то, что себя проявляет во взаимодействии с другими телами (собственно, пространство и есть отношение существующих тел), и это значит, что такое тело фактически перестанет существовать - со всеми вытекающими последствиями. Так что все это - бесплодные фантазии, которые не могут быть предметом серьезного обсуждения.
Итак, допустим, что имеющийся реактивный двигатель разогнал звездолет до необходимой нам субсветовой скорости, и он с этой скоростью перемещается в космическом пространстве от одной звезды к другой. Некоторые аспекты такого полета уже давно обсуждаются учеными ([5], [6]), но они рассматривают в основном различные релятивистские эффекты такого движения, не обращая внимания на другие существенные аспекты межзвездного полета. А реальность такова, что космическое пространство - не абсолютная пустота, оно представляет собой физическую среду, которую принято называть межзвездной средой. В ней есть атомы, молекулы, пылинки и другие физические тела. И со всеми этими телами звездолету придется физически взаимодействовать, что при движении с такими скоростями превращается в проблему. Рассмотрим эту проблему подробнее.
Астрономы, наблюдая радиоизлучение из космической среды и прохождение через нее света нашли, что в космическом пространстве имеются атомы и молекулы газов: в основном это атомы водорода Н, молекулы водорода Н₂ (их по количеству примерно столько же, как и атомов Н), атомы гелия Не (их в 6 раз меньше, чем атомов Н), и атомы других элементов (больше всего углерода С, кислорода О и азота N), которые в сумме составляют около 1% всех атомов. Обнаружены даже такие сложные молекулы, как СО₂ , СН₄ , НСN , Н₂О , NH₃ , НСООН и другие, но в мизерных количествах (их в миллиарды раз меньше, чем атомов Н). Концентрация межзвездного газа очень мала и составляет (вдали от газопылевых облаков) в среднем 0,5-0,7 атомов на 1 см³ [9].
Понятно, что при движении звездолета в такой среде этот межзвездный газ будет оказывать сопротивление, тормозя звездолет и разрушая его оболочки. Поэтому было предложено [4] обратить вред в пользу и создать прямоточный реактивный двигатель, который, собирая межзвездный газ (а он на 94% состоит из водорода) и аннигилируя его с запасами антивещества на борту, получал бы таким образом энергию для движения звездолета. По проекту авторов впереди звездолета должен находиться ионизирующий источник (создающий электронный или фотонный луч, ионизирующий налетающие атомы) и магнитная катушка, фокусирующая получившиеся протоны к оси звездолета, где они используются для создания фотонной реактивной струи.
К сожалению, при детальном рассмотрении оказывается, что этот проект неосуществим. Прежде всего, ионизирующий луч не может быть электронным (как настаивают авторы) по той простой причине, что звездолет, испускающий электроны, сам будет заряжаться положительным зарядом, и рано или поздно поля, создаваемые этим зарядом, нарушат работу систем звездолета. Если же использовать фотонный луч, то тогда (впрочем, как и для электронного луча) дело упирается в маленькое сечение фотоионизации атомов. Проблема в том, что вероятность ионизации атома фотоном очень мала (поэтому воздух не ионизируется мощными лучами лазеров). Количественно она выражается сечением ионизации, которое численно равно отношению числа ионизированных атомов к плотности потока фотонов (числу налетевших фотонов на 1 см² за секунду). Фотоионизация атомов водорода начинается при энергии фотонов 13.6 электронвольт=2.18·10^-18 Дж (длина волны 91.2 нм), и при этой энергии сечение фотоионизации максимально и равно 6.3·10^-18 см² ([9],стр.410). Это значит, что для ионизации одного атома водорода требуется в среднем 1.6·10¹⁷ фотонов на см² за секунду. Поэтому мощность такого ионизирующего луча должна быть гигантской: если звездолет движется со скоростью v то за 1 секунду на 1 см² его поверхности налетает rv встречных атомов, где r - концентрация атомов, что в нашем случае околосветового движения составит величину порядка rv=0.7·3·10¹⁰ =2·10¹⁰ атомов в секунду на 1см². Значит, поток ионизирующих фотонов должен быть не меньше n=2·10¹⁰ / 6.3·10^-18 =3·10²⁷ 1/см²·с. Энергия, которую несет такой поток фотонов будет равна е=2.18·10^-18·3·10²⁷=6,5·10⁹ Дж/см² ·с.
К тому же, кроме атомов водорода, на звездолет будет налетать столько же молекул Н₂, а их ионизация происходит при энергии фотонов 15.4 эв (длина волны 80.4 нм). Это потребует увеличения мощности потока примерно в два раза, и полная мощность потока должна быть е=1.3·10¹⁰ Дж/см². Для сравнения можно указать, что поток энергии фотонов на поверхности Солнца равен 6.2·10³ Дж/см²·с, то есть звездолет должен светить в два миллиона раз ярче Солнца.
Поскольку энергия и импульс фотона связаны соотношением Е=рс, то этот поток фотонов будет иметь импульс р=еS/с где S - площадь массозаборника (порядка 1000 м²), что составит 1.3·10¹⁰ ·10⁷ / 3·10⁸ =4.3·10⁸ Кг·м/с, и этот импульс направлен против скорости и тормозит звездолет. Фактически получается, что впереди звездолета стоит фотонный двигатель и толкает его в обратном направлении - ясно, что такой тяни-толкай далеко не улетит.
Таким образом, ионизация налетающих частиц слишком накладна, а другого способа концентрации межзвездных газов современная наука не знает. Но даже если такой способ будет найден, то прямоточный двигатель все равно себя не оправдает: еще Зенгер показал ([5],стр.112), что величина тяги прямоточного фотонно-реактивного двигателя ничтожна и он не может быть использован для разгона ракеты с высоким ускорением. Действительно, полный приток массы набегающих частиц (в основном атомов и молекул водорода) составит dm=3m_pSrv=3·1.67·10^-27·10⁷· 2·10¹⁰=10^-9 Кг/с. При аннигиляции эта масса будет выделять максимум W=mc²= 9·10⁷ Дж/с, и если вся эта энергия уйдет на формирование фотонной реактивной струи, то прирост импульса звездолета за секунду будет составлять dр=W/c=9·10⁷/3·10⁸=0.3 Кг·м/с, что соответствует тяге в 0.3 ньютона. Примерно с такой силой давит на землю маленькая мышка, и получается, что гора родила мышь. Поэтому конструирование прямоточных двигателей для межзвездных полетов не имеет смысла.

Из сказанного следует, что отклонить налетающие частицы межзвездной среды не получится, и звездолету придется принимать их своим корпусом. Это приводит к некоторым требованиям к конструкции звездолета: впереди него должен находиться экран (например, в виде конической крышки), который будет защищать основной корпус от воздействия космических частиц и излучений. А за экраном должен находиться радиатор, отводящий тепло от экрана (и одновременно служащий вторичным экраном), прикрепленный к основному корпусу звездолета термоизолирующими балками. Необходимость такой конструкции объясняется тем, что налетающие атомы имеют большую кинетическую энергию, они будут глубоко внедряться в экран и, тормозясь в нем, рассеивать эту энергию в виде теплоты. Например, при скорости полета 0,75с энергия протона водорода будет примерно 500 Мэв - в единицах ядерной физики, что соответствует 8·10^-11 Дж. Он будет внедряться в экран на глубину нескольких миллиметров и передаст эту энергию колебаниям атомов экрана. А таких частиц будет налетать около 2·10¹⁰ атомов и столько же молекул водорода в секунду на 1 см² ,то есть каждую секунду на 1 см² поверхности экрана будет поступать 4.8 Дж энергии, переходящей в теплоту. А проблема в том, что в космосе отводить эту теплоту можно только путем излучения электромагнитных волн в окружающее пространство (воздуха и воды там нет). Это значит, что экран будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое электромагнитное излучение не сравняется с поступающей от налетающих частиц мощностью. Тепловое излучение телом электромагнитной энергии определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергия, излучаемая за секунду с 1 см² поверхности равна q=sТ⁴ где s =5.67·10^-12 Дж/см²К⁴ -постоянная Стефана, а Т - температура поверхности тела. Условием установления равновесия будет sТ⁴=Q где Q - поступающая мощность, то есть температура экрана будет Т=(Q/s)^1/4 . Подставляя в эту формулу соответствующие значения, найдем, что экран будет нагреваться до температуры 959^оК = 686^оС. Понятно, что при больших скоростях эта температура будет еще выше. Это значит, например, что экран нельзя делать из алюминия (его температура плавления всего 660^оС), и его нужно термоизолировать от основного корпуса звездолета - иначе будут недопустимо греться жилые отсеки. А для облегчения теплового режима экрана к нему необходимо присоединить радиатор с большой поверхностью излучения (можно из алюминия), например в виде клеточной системы продольных и поперечных ребер, при этом поперечные ребра будут одновременно выполнять функцию вторичных экранов, защищая жилые отсеки от осколков и тормозного излучения попадающих в экран частиц и т.п.

Но защита от атомов и молекул - не главная проблема межзвездного полета. Астрономы, наблюдая поглощение света от звезд, установили, что в межзвездном пространстве имеется значительное количество пыли. Такие частицы, сильно рассеивающие и поглощающие свет, имеют размеры 0.1-1 микрон и массу порядка 10^-13 г, а их концентрация много меньше концентрации атомов и равна примерно r=10^-12 1/см³ Судя по их плотности (1 г/см³) и показателю преломления (n=1.3) они представляют собой в основном снежные комочки, состоящие из смерзшихся космических газов (водорода, воды, метана, аммиака) с примесью твердых углеродных и металлических частичек. Видимо, именно из них образуются ядра комет, имеющие такой же состав. И хотя это должны быть довольно рыхлые образования, при околосветовых скоростях они могут нанести большой вред.
При таких скоростях начинают сильно проявляться релятивистские эффекты, и кинетическая энергия тела в релятивистской области определяется выражением

Как видно, энергия тела резко растет с приближением v к скорости света c: Так, при скорости 0.7с пылинка с m=10^-13 г имеет кинетическую энергию 3.59 Дж (см. Таблицу 1) и попадание ее в экран эквивалентно взрыву в нем примерно 1 мг тротила. При скорости 0.99с эта пылинка будет иметь энергию 54.7 Дж, что сравнимо с энергией пули, выпущенной из пистолета Макарова (80 Дж). При таких скоростях получится, что каждый квадратный сантиметр поверхности экрана непрерывно обстреливается пулями (причем разрывными) с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета.

Обозначения: Е_р - кинетическая энергия протона в Мэв К - кинетическая энергия 1 Кг вещества в Дж Т - тротиловый эквивалент килограмма в тоннах тротила.

Для оценки последствий удара частицы в поверхность можно использовать формулу, предложенную специалистом по этим вопросам Ф.Уипплом ([13],стр.134), согласно которой размеры образовавшегося кратера равны

где d - плотность вещества экрана, Q - его удельная теплота плавления.

Но здесь то нужно иметь в виду, что на самом деле мы не знаем, как пылинки будут воздействовать на материал экрана при таких скоростях. Эта формула справедлива для небольших скоростей удара (порядка 50 км/с и менее), а при оклосветовых скоростях воздействия физические процессы удара и взрыва должны протекать совсем иначе и гораздо интенсивнее. Можно только предполагать, что в силу релятивистских эффектов и большой инерции материала пылинки взрыв будет направлен вглубь экрана, по типу кумулятивного взрыва, и приведет к образованию гораздо более глубокого кратера. Приведенная формула отражает общие энергетические соотношения, и мы допустим, что она годится для оценки результатов удара и для околосветовых скоростей.
По видимому, лучшим материалом для экрана является титан (в силу его небольшой плотности и физических характеристик), для него d=4.5 г/см³, а Q=315 КДж/Кг, что дает

При v=0.1c получим Е=0.045 Дж и d=0,00126·0.356=0.000448 м=0.45 мм. Легко найти, что пройдя путь в 1 световой год, экран звездолета встретит n=rs=10^-12·9.46·10¹⁷ =10⁶ пылинок на каждый см² ,и каждые 500 пылинок сроют слой 0.448 мм экрана. Значит, после 1 светового года пути экран будет стерт на толщину 90 см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5 метров и массу около 2.25 тысячи тонн. При больших скоростях дело будет обстоять еще хуже:

Как видно, при v/c>0.1 экран должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн). Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны.

Рассмотренное абразивное действие космической пыли на самом деле не исчерпывает всего спектра воздействий, которым подвергнется звездолет во время межзвездного полета. Очевидно, что в межзвездном пространстве есть не только пылинки, но и тела других размеров и масс, однако астрономы не могут непосредственно наблюдать их из-за того, что хотя их размеры больше, но самих их меньше, так что они не дают ощутимого вклада в поглощение света звезд (рассмотренные ранее пылинки имеют размер порядка длины волны видимого света и поэтому сильно его поглощают и рассеивают, и их достаточно много, поэтому астрономы в основном их и наблюдают).
Но о телах в далеком космосе можно получить представление по тем телам, которые мы наблюдаем в солнечной системе, в том числе вблизи Земли. Ведь, как показывают измерения, солнечная система движется относительно соседних звезд примерно в направлении Веги со скоростью 15.5 км/с, а значит, она каждую секунду заметает все новые и новые объемы космического пространства вместе с его содержимым. Конечно, не все вблизи Солнца пришло извне, многие тела изначально являются элементами солнечной системы (планеты, астероиды, многие метеорные потоки). Но астрономы не раз наблюдали например, полет некоторых комет, которые прилетели из межзвездного пространства и туда же улетели. Значит, там имеются и очень крупные тела (массой в миллионы и миллиарды тонн), но они встречаются очень редко. Понятно, что там могут встретиться тела практически любых масс, но с разной вероятностью. И чтобы оценить вероятность встречи с различными телами в межзвездном пространстве нам нужно найти распределение таких тел по массам.
Прежде всего нужно знать, что происходит с телами когда они находятся в солнечной системе. Это вопрос хорошо изучен астрофизиками [8], и они нашли, что время жизни не слишком крупных тел в солнечной системе очень ограничено. Так, мелкие частички и пылинки с массами менее 10^-12 г просто выталкиваются за пределы солнечной системы потоками света и протонов от Солнца (что видно по хвостам комет). Для более крупных частичек результат оказывается обратным: в результате так называемого эффекта Пойнтинга-Робертсона они падают на Солнце, постепенно опускаясь к нему по спирали за время порядка нескольких десятков тысяч лет.
Это значит, что наблюдаемые в солнечной системе спорадические частицы и микрометеориты (не относящиеся к ее собственным метеорным потокам) попали в нее из окружающего космоса, так как ее собственные частицы такого типа давно исчезли. Поэтому искомую зависимость можно найти по наблюдениям спорадических частиц в самой солнечной системе. Такие наблюдения давно ведутся, и исследователи пришли к выводу ([12],[13]), что закон распределения космических тел по массам имеет вид N(M)=N₀/M_i Непосредственные измерения для спорадических метеоров в интервале масс от 10^-3 до 10² г ([13],стр.127) дают для плотности потока метеоров с массой более М грамм зависимость

Наиболее достоверные результаты по этому вопросу получены по измерениям микрократеров, образовавшихся на поверхностях космических аппаратов ([12],стр.195), они тоже дают k=1.1 в интервале масс от 10^-6 до 10⁵ г. Для меньших масс остается предполагать, что это распределение выполняется и для них. Для величины потока частиц массивнее 1 г различные измерения дают значения 10^-15<Ф(1) < 2·10^-14 1/м²с, и поскольку величина потока связана с пространственной плотностью тел соотношением Ф=rv , то отсюда можно найти, что концентрация в космосе тел с массой более М дается формулой

где параметр r₁ можно найти приняв среднюю скорость спорадических метеорных частиц равной v=15 км/с (как это видно из измерений П.Миллмана), тогда r₁=Ф(1)/v получается равной в среднем 5·10^-25 1/см^3.
Из полученного распределения можно найти, что концентрация частиц, массы которых больше 0.1 г в среднем равна r(0.1)=r₁ · (10) · 1.1=6.29·10^-24 1/см³, а это значит, что на пути в 1 световой год звездолет встретит на 1 см² поверхности n=rs=5.9·10^-6 таких частиц, что при общей площади S=100 м²=10⁶ см² составит не менее 5 частиц массивнее 0.1 г на все поперечное сечение звездолета. А каждая такая частица при v=0.1c имеет энергию более 4.53·10¹⁰ Дж, что эквивалентно кумулятивному взрыву 11 тонн тротила. Даже если экран такое выдержит, то дальше произойдет вот что: поскольку вряд ли частица ударит точно в центр экрана, то в момент взрыва появится сила, поворачивающая звездолет вокруг его центра масс. Она, во-первых, слегка изменит направление полета, а, во-вторых, повернет звездолет, подставив его бок встречному потоку частиц. И звездолет будет быстро искромсан ими, а если на его борту имеются запасы антивещества, то все завершится серией аннигиляционных взрывов (или одним большим взрывом).
Некоторые авторы высказывают надежду [2], что от опасного метеорита можно уклониться. Посмотрим, как это будет выглядеть на субсветовой скорости v=0.1c. Метеорит весом 0.1 г имеет размер около 2 мм и энергию, эквивалентную 10.9 тонн тротила. Попадание его в звездолет приведет к фатальному взрыву, и придется от него уклоняться. Допустим, что радар звездолета способен обнаружить такой метеорит на расстоянии х=1000 км - хотя непонятно, как это будет осуществляться, так как с одной стороны, радар должен находиться перед экраном, чтобы выполнять свою функцию, а с другой стороны - за экраном, чтобы не быть уничтоженным потоком набегающих частиц.
Но допустим, тогда за время t = x/v = 0.03 секунды звездолет должен среагировать и отклониться на расстояние у= 5 м (считая диаметр звездолета 10 метров). Это значит, что он должен приобрести в поперечном направлении скорость u=y/t - опять же за время t, то есть его ускорение должно быть не меньше a=y/t² = 150 м/с². Это ускорение в 15 раз больше нормального, и его не выдержит никто из экипажа, да и многие приборы звездолета. И если масса звездолета составляет около 50 000 тонн, то для этого потребуется сила F= am = 7.5·10⁹ ньютон. Такую силу на время в тысячные доли секунды можно получить только произведя на звездолете мощный взрыв: при химическом взрыве получается давление порядка 10⁵ атмосфер=10¹⁰ Ньютон/м² и оно будет способно свернуть звездолет в сторону. То есть, чтобы уклониться от взрыва нужно звездолет взорвать...
Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями, порядка 0.01с и менее. Это значит, что колонизация иных миров может происходить медленными темпами, так как каждый перелет будет занимать сотни и тысячи лет, и для этого нужно будет посылать к другим звездам большие колонии людей, способные существовать и развиваться самостоятельно. Для такой цели может подойти небольшой астероид из смерзшегося водорода: внутри него можно устроить город подходящих размеров, где будут жить астронавты, а сам материал астероида будет использоваться в качестве топлива для термоядерной энергетической установки и двигателя. Других путей освоения дальнего космоса современная наука предложить не может.
Во всем этом есть только один положительный аспект: вторжение полчищ агрессивных инопланетян Земле не грозит - это слишком сложное дело. Но обратная сторона медали заключается в том, что и добраться до миров, где есть "братья по разуму" не удастся в течении ближайших нескольких десятков тысяч лет. Поэтому наиболее быстрым способом обнаружения инопланетян является установление связей с помощью радиосигналов или каких-либо других сигналов.

Библиография

1. Новиков И.Д. Теория относительности и межзвездные перелеты - М.:Знание,1960
2. Перельман Р.Г. Цели и пути освоения космоса - М.:Наука,1967
3. Перельман Р.Г. Двигатели галактических кораблей - М.: изд. АН СССР,1962
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика - М.:Атомиздат,1976
5. Зенгер Е., К механике фотонных ракет - М.: изд. Иностранной литературы,1958
6. Закиров У.Н. Механика релятивистских космических полетов - М.:Наука,1984
7. Аллен К.У. Астрофизические величины - М.:Мир,1977
8. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики - М.:Наука,1971
9. Физические величины (Справочник) - М.:Энергоатомиздат,1991
10. Бурдаков В.П., Зигель Ф.Ю. Физические основы космонавтики (физика космоса) - М.:Атомиздат,1974
11. Спитцер Л. Пространство между звездами - М.:Мир,1986.
12. Лебединец В.М. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль - Л.: Гидрометеоиздат,1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдение - М.:Наука,1987
14. Акишин А.И.,Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов - М.:Знание,1983

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (9) | Распечатать

Добавить новость в: