Какая звезда является ближайшей
Ближайшая к Земле звезда — Проксима Центавра, поэтому пока вы должны основывать свои расчеты на ее свойствах. Она входит в тройную систему Альфа Центавра и удалена от нас на расстояние 4,24 световых года. Это изолированный красный карлик, расположенный на расстоянии 0,13 световых года от двойной звезды.
Как только поднимается тема межзвездных путешествий, все сразу думают о скорости деформации и прыжках в червоточинах. Но все они либо недостижимы, либо вовсе невозможны. К сожалению, любая дальняя миссия займет не одно поколение. Начнем с самых медленных методов.
Сколько займет путешествие до ближайшей звезды сегодня
Легко производить расчеты на основе существующей технологии и ограничений нашей системы. Например, в миссии «Новые горизонты» использовались 16 монотопливных гидразиновых двигателей. Чтобы добраться до Луны, потребовалось 8 часов 35 минут. Но миссия SMART-1 была основана на ионных двигателях и путешествовала к спутнику Земли 13 месяцев и две недели.
Таким образом, у нас есть несколько вариантов транспортных средств. Кроме того, вы можете использовать Юпитер или Сатурн в качестве гигантского гравитационного праща. Но если мы планируем зайти так далеко, нам нужно проверить все возможные варианты.
Сейчас речь идет не только о существующих технологиях, но и о тех, которые теоретически могут быть созданы. Некоторые из них уже опробованы на заданиях, а другие только оформлены в виде чертежей.
Это самый медленный способ, но экономичный. Несколько десятилетий назад ионный двигатель считался фантастикой. Но сейчас он используется во многих устройствах. Например, с его помощью на Луну попала миссия SMART-1. В данном случае был использован вариант с солнечными панелями. Таким образом, он израсходовал всего 82 кг ксенонового топлива. Здесь мы выигрываем по эффективности, но точно не по скорости.
Двигатель Ione был впервые использован для пролета Deep Space 1 к комете 19P/Borelli (1998). В установке использовался тот же тип двигателя, что и в СМАРТ-1, и потреблялось всего 81,5 кг топлива. За 20 месяцев пути ему удалось разогнаться до 56 000 км/ч.
Ионный тип считается гораздо более экономичным, чем ракетная техника, потому что тяга на единицу массы взрывчатого вещества намного выше. Но долго разгоняется. Если бы их планировалось использовать для путешествия с Земли на Проксиму Центавра, потребовалось бы много ракетного топлива. Хотя можно взять за основу предыдущие показатели. Так, если аппарат будет двигаться со скоростью 56 000 км/ч, он преодолеет расстояние в 4,24 световых года за 2700 поколений человека. Так что вряд ли его можно будет использовать для пилотируемых полетов.
Конечно, если заправить его огромным количеством топлива, можно увеличить скорость. Но время прибытия все равно займет стандартную человеческую жизнь.
Помощь от гравитации
Это популярный метод, поскольку он позволяет использовать орбиту и планетарную гравитацию для изменения курса и скорости. Его часто используют для путешествий к газовым гигантам для увеличения скорости. Mariner 10 попробовал это впервые. Он полагался на гравитацию Венеры, чтобы достичь Меркурия (февраль 1974 г.). В 1980-х годах «Вояджер-1» использовал спутники Сатурна и Юпитера, чтобы разогнаться до 60 000 км/ч и выйти в межзвездное пространство.
Но рекордсменом по скорости, достигнутой силой тяжести, стала миссия «Гелиос-2», отправившаяся для изучения межпланетной среды в 1976 году.
Благодаря большому эксцентриситету 190-суточной орбиты аппарат смог разогнаться до 240 000 км/ч. Для этого использовалась только солнечная гравитация.
Что ж, если мы запустим «Вояджер-1» со скоростью 60 000 км/ч, нам придется ждать 76 000 лет. Для Гелиоса-2 это заняло бы 19 000 лет. Это быстрее, но недостаточно.
Электромагнитный режим
Есть еще один способ — радиочастотный резонансный двигатель (EmDrive), предложенный Роджером Шавиром в 2001 году. Он основан на том, что электромагнитные микроволновые резонаторы могут преобразовывать электрическую энергию в тяговую.
В то время как обычные электромагнитные двигатели предназначены для перемещения определенного типа массы, этот двигатель не использует реактивную массу и не создает направленного излучения. Эта точка зрения была встречена с большим скептицизмом, поскольку она нарушает закон сохранения импульса: импульс системы внутри системы остается постоянным и изменяется только под действием силы.
Но недавние эксперименты медленно переманивают последователей. В апреле 2015 года исследователи объявили, что они успешно протестировали диск в вакууме (то есть он может работать в космосе). К июлю они уже построили собственную версию двигателя и показывали заметную тягу.
В 2010 году Хуан Ян взял на себя серию статей. Свою последнюю работу она завершила в 2012 году, где сообщила о более высокой входной мощности (2,5 кВт) и испытании тягового усилия (720 мН). В 2014 году она также добавила некоторые подробности об использовании внутренних изменений температуры, что подтвердило работу системы.
Если верить расчетам, аппарат с таким двигателем мог долететь до Плутона за 18 месяцев. Это важные результаты, потому что они представляют собой 1/6 часть времени, затраченного New Horizons. Звучит неплохо, но все же путешествие до Проксимы Центавра займет 13 000 лет. Также у нас пока нет 100% уверенности в его эффективности, поэтому нет смысла начинать разработку.
Ядерное тепловое и электрическое оборудование
НАСА занимается исследованиями ядерных двигателей уже несколько десятилетий. Реакторы используют уран или дейтерий для нагрева жидкого водорода, превращая его в ионизированный газообразный водород (плазму). Затем он направляется через сопло ракеты для формирования тяги.
Ядерная ракетная электростанция содержит тот же оригинальный реактор, который преобразует тепло и энергию в электрическую энергию. В обоих случаях ракета использует ядерное деление или синтез для создания двигательных установок.
По сравнению с химическими двигателями мы получаем ряд преимуществ. Начнем с неограниченной плотности энергии. Кроме того, гарантируется более высокая тяга. Это снизит уровень расхода топлива, а значит, снизит массу запуска и стоимость миссий.
Пока не запущен ни один ядерно-тепловой двигатель. Но концепций много. Они варьируются от традиционных твердых структур до структур на основе жидких или газообразных ядер. Несмотря на все эти преимущества, самая совершенная концепция достигает максимального удельного импульса 5000 секунд. Использование аналогичного двигателя для путешествия на Марс, когда планета находится на расстоянии 55 000 000 км (позиция противостояния), займет 90 дней.
Но если мы отправим его к Проксиме Центавра, потребуются столетия, чтобы ускорение достигло скорости света. После этого потребуются десятилетия, чтобы путешествовать, и еще столетие, чтобы замедлиться. В целом период сокращается до тысячи лет. Отлично подходит для межпланетных путешествий, но все же не подходит для межзвездных путешествий.
В теории
Вы, наверное, уже поняли, что современные технологии довольно медленно преодолевают такие большие расстояния. Если мы хотим сделать это за одно поколение, то мы должны придумать какой-то прорыв. И если червоточины до сих пор пылятся на страницах фантастических книг, то у нас есть несколько реальных идей.
Ядерное импульсное движение
Эта идея была разработана Станиславом Уламом еще в 1946 году. Проект стартовал в 1958 году и продолжался до 1963 года под названием «Орион.
«Орион» планировал использовать мощность импульсных ядерных взрывов для создания сильной тяги с высоким удельным импульсом. То есть у нас большой космический корабль с огромным запасом термоядерных боеголовок. Во время сброса используем детонационную волну на заднюю платформу («толкатель»). После каждого взрыва упорная подушка поглощает силу и преобразует тягу в импульс.
Естественно, в современном мире методу не хватает изящества, но необходимый импульс он гарантирует. По предварительным оценкам, в этом случае можно достичь 5% скорости света (5,4 х 107 км/ч). Но дизайн страдает недостатками. Начнем с того, что такой корабль был бы очень дорогим, и весил бы он 400 000-4 000 000 тонн. При этом ¾ веса составляют атомные бомбы (каждая из них достигает 1 метрической тонны).
Общие затраты на запуск выросли бы до 367 миллиардов долларов в то время (2,5 триллиона долларов сегодня). Существует также проблема с генерируемой радиацией и ядерными отходами. Считается, что именно из-за этого проект был остановлен в 1963 году.
Термоядерная реакция
Здесь используются термоядерные реакции, за счет которых создается тяга. Энергия вырабатывается, когда гранулы дейтерия/гелия-3 воспламеняются в реакционной камере посредством инерционного удержания с использованием электронных лучей. Такой реактор будет детонировать 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму.
В такой разработке экономится топливо и создается особый импульс. Достижимая скорость — 10600 км (значительно быстрее стандартных ракет). В последнее время все больше людей интересуется этой технологией.
В 1973-1978 гг. Британское межпланетное общество создало технико-экономическое обоснование — проект «Дедал». Он опирался на современные знания о технологии термоядерного синтеза и наличие двухступенчатого беспилотного зонда, который мог бы достичь звезды Барнарда (5,9 световых года) за одну жизнь.
Первая ступень проработает 2,05 года и разгонит корабль до 7,1% скорости света. Затем он будет выпущен, и двигатель запустится, увеличив обороты до 12% за 1,8 года. После этого двигатель второй ступени остановится и корабль будет путешествовать 46 лет.
В общем, корабль долетит до звезды лет через 50. Если отправить его на Проксиму Центавра, время сократится до 36 лет. Но даже эта технология столкнулась с препятствиями. Начнем с того, что гелий-3 необходимо добывать на Луне. А реакция, активизирующая движение космического корабля, требует, чтобы выделяемая энергия превышала энергию, затраченную на запуск. И даже если испытания прошли успешно, у нас все еще нет такой мощности, которая необходима для питания межзвездного космического корабля.
Ну и про деньги не забудем. Один запуск 30-мегатонной ракеты обходится НАСА в 5 миллиардов долларов. Таким образом, проект «Дедал» будет весить 60 000 мегатонн. Кроме того, возникнет потребность в термоядерном реакторе нового типа, который также не укладывается в бюджет.
ПВРД
Эта идея была предложена Робертом Бассардом в 1960 году. Вы можете думать о ней как об улучшенной форме ядерного синтеза. Он использует магнитные поля для сжатия водородного топлива, пока не активируется термоядерный синтез. Но тут создается огромная электромагнитная воронка, которая «извлекает» водород из межзвездной среды и сбрасывает его в реактор в качестве топлива.
Корабль ускорится, в результате чего сжатое магнитное поле достигнет процесса синтеза. После этого он будет перенаправлять энергию в виде выхлопных газов через сопло двигателя и ускорять движение. Не используя никакого другого топлива, вы можете достичь 4% скорости света и отправиться в любую точку галактики.
Но эта схема имеет большое количество недостатков. Сразу возникает проблема сопротивления. Корабль должен ускориться, чтобы собрать топливо. Но он сталкивается с огромным количеством водорода, поэтому может замедляться, особенно при входе в тесные пространства. Кроме того, очень сложно найти дейтерий и тритий в космосе. Но это понятие часто используется в научной фантастике. Самый популярный пример — «Звездный путь».
Лазерный парус
Чтобы сэкономить деньги, солнечные паруса уже очень давно используются для перемещения транспортных средств по Солнечной системе. Они легкие и дешевые, не требуют топлива. Парус использует радиационное давление звезд.
Но чтобы использовать такую структуру для межзвездных путешествий, необходимо управлять ею сфокусированными энергетическими лучами (лазеры и микроволны). Только так его можно разогнать до отметки, близкой к скорости света. Эта концепция была разработана Робертом Фордом в 1984 году.
Дело в том, что сохраняются все преимущества солнечного паруса. И хотя лазеру потребуется время, чтобы разогнаться, пределом является только скорость света. Исследование 2000 года показало, что лазерный парус может достичь половины скорости света менее чем за 10 лет. Если размер паруса 320 км, то он достигнет цели за 12 лет. А если увеличить до 954 км, то за 9 лет.
Но для производства необходимо использовать передовые композиты, чтобы избежать плавления. Не забывайте, что он должен достигать огромных размеров, поэтому цена будет высокой. Кроме того, вам придется потратиться, чтобы сделать мощный лазер, способный обеспечить управление на столь высоких скоростях. Лазер использует постоянный ток мощностью 17 000 тераватт. Чтобы вы понимали, это количество энергии, которое вся планета использует в день.
Антивещество
Это материал, представленный античастицами, которые достигают той же массы, что и обычные, но имеют противоположный заряд. Такой механизм будет использовать взаимодействие между материей и антиматерией для выработки энергии и создания тяги.
В общем случае в таком двигателе участвуют частицы водорода и антиводорода. В такой реакции также выделяется такое же количество энергии, как и в термоядерной бомбе, а также волна субатомных частиц, движущихся со скоростью 1/3 скорости света.
Преимущество этой технологии в том, что большая часть массы преобразуется в энергию, что позволит создать более высокую плотность энергии и удельный импульс. В результате мы получим самый быстрый и экономичный космический корабль. Если обычная ракета использует тонны химического топлива, двигатель на антивеществе использует всего несколько миллиграммов для тех же действий. Такая технология была бы отличным вариантом для полета на Марс, но ее нельзя использовать на другой звезде, потому что количество топлива растет в геометрической прогрессии (вместе со стоимостью).
Двухступенчатой ракете на антивеществе потребуется 900 000 тонн топлива для 40-летнего полета. Сложность в том, что для извлечения 1 грамма антивещества потребовалось бы 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более триллиона долларов. Сейчас у нас есть только 20 нанограммов. Но такой аппарат способен разогнаться до половины скорости света и долететь до звезды Проксима Центавра в созвездии Центавра за 8 лет. Но он весит 400 Мт и использует 170 тонн антивещества.
В качестве решения проблемы они предложили разработку «Вакуумная антиматериальная ракета межзвездной исследовательской системы». Здесь можно было бы использовать большие лазеры, создающие частицы антиматерии при запуске в пустое пространство.
Идея также основана на использовании топлива из космоса. Но опять же, это затратный момент. Кроме того, человечество просто не может создать такое количество антивещества. Существует также опасность радиации, поскольку аннигиляция материи и антиматерии может вызвать всплески высокоэнергетического гамма-излучения. Нужно будет не только защитить экипаж специальными экранами, но и оснастить двигатели. Таким образом, инструмент уступает, когда дело доходит до практичности.
Пузырь Алькубьер
В 1994 году его предложил мексиканский физик Мигель Алькубьерре. Он хотел создать инструмент, который не порвал бы со специальной теорией относительности. Он предлагает растянуть ткань пространства-времени волной. Теоретически это приведет к тому, что расстояние перед объектом уменьшится, а за ним увеличится.
Корабль, попавший внутрь волны, сможет двигаться с релятивистской скоростью. Сам корабль в «варп-пузыре» двигаться не будет, поэтому правила пространства-времени не действуют.
Если говорить о скорости, то это «быстрее света», но в том смысле, что корабль доберется до места назначения быстрее, чем луч света, вышедший за пределы пузыря. Расчеты показывают, что он прибудет в пункт назначения через 4 года. Если мыслить теоретически, то это самый быстрый способ.
Но эта схема не принимает во внимание квантовую механику и технически опровергается Теорией Всего. Расчеты количества необходимой энергии также показали, что потребуется чрезвычайно большая сила. И мы еще не касались вопросов безопасности.
Однако в 2012 году заговорили об испытании этого метода. Исследователи утверждали, что построили интерферометр, способный обнаруживать искажения в пространстве. В 2013 году в Лаборатории реактивного движения был проведен эксперимент в вакууме. Был сделан вывод, что результаты не были однозначными. Если копнуть глубже, то можно понять, что такое расположение нарушает один или несколько основных законов природы.
Что из этого следует? Если вы надеялись совершить путешествие к звезде туда и обратно, шансы невероятно малы. Но если человечество решило построить космический корабль и отправить людей в древнее путешествие, то все возможно. Конечно, это пока только разговоры. Но ученые были бы более активны в таких технологиях, если бы наша планета или система находились в реальной опасности. Тогда путешествие к другой звезде станет вопросом выживания.
Пока мы можем только бороздить и исследовать просторы нашей исходной системы, надеясь, что в будущем появится новый метод, который позволит реализовать межзвездные транзиты.
Читайте также: 24 дюйма в сантиметры, калькулятор онлайн, конвертер
