Космические двигатели: 10 способов попасть в другую звёздную систему

В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе. Восемь лет спустя Нил Армстронг (Neil Armstrong) и Базз Олдрин (Buzz Aldrin) совершили первую посадку на Луну. Оба достижения были грандиозными, но они чрезвычайно просты по сравнению с сегодняшними амбициозными целями покорения космоса. И дело не в требуемом бюджете, главное препятствие – это технологии, а точнее, их отсутствие. Ракеты на химическом топливе для новых задач не годятся.

Частично вопрос мог бы решиться отправкой к далёким мирам роботов, но время их путешествия всё равно остаётся загвоздкой. О вояжах к звёздам вообще можно забыть, и как пример нынешних скоростей космических машин можно привести лунный зонд Apollo 10, который считается быстрейшим пилотируемым транспортным средством в истории. Максимальная скорость – 39895 км/ч, и у него ушло бы 120 тыс. лет на покрытие расстояния в 4 световых года до Альфа Центавра – ближайшей звёздной системы. Другими словами, нужны инновационные технологии.

Ионный двигатель

В обычных ракетах тяга создаётся путём выпуска образующейся в результате химической реакции реактивной струи. Ионные двигатели работают по тому же принципу, но вместо горячих газов выпускается поток электрически заряженных частиц, или ионов. Они создают очень слабую тягу, однако ключевой момент в том, что расходуется очень малое количество топлива, а ускорение при полёте постоянно растёт. Подобный тип двигателей уже используется, в частности, ими оснастили японский зонд Hayabusa и европейский лунный аппарат SMART-1. Технология постоянно совершенствуется, один из многообещающих вариантов – это VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket - электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом). Он работает по несколько иному принципу в отличие от других ионных ускорителей и вместо электрического поля использует радиочастотный генератор для нагрева ионов до 1 млн ° C. Возможно, в будущем он позволит доставить человека на Марс за 39 дней.

Ядерный импульсный двигатель

Идея в придании космическому кораблю ускорения периодическими взрывами ядерных зарядов. Проект под кодовым наименованием Project Orion на серьёзном уровне изучался агентством DARPA. Целью было получить средство быстрых путешествий к другим планетам. Рассматривавшаяся конструкция включала гигантский "поглотитель" ударной волны и щит для предотвращения попадания радиации внутрь корабля. Проблемами были возможный выход из строя системы до достижения космоса, что по понятным причинам недопустимо, и радиоактивные осадки в земной атмосфере. Проект закрыли в 1960 году, когда в силу вступил первый запрет на проведение ядерных испытаний. Тем не менее, некоторые исследователи предлагают новые варианты подобных конструкций с новыми технологиями. Теоретически корабль на ядерной тяге может достигнуть 10% от скорости света и достигнуть ближайшей звезды за 40 лет.

Термоядерная ракета

Помимо взрывов, есть предложения использовать вырабатываемое ядерным реактором тепло для нагрева жидкости и выпуска реактивной струи газа, но по мощности такой способ не сравнится с термоядерной ракетой. В результате слияния ядер атомов происходит выброс огромного количества энергии; большинство конструкций наземных реакторов предполагают ограничение топлива магнитным полем тороидальной установки типа токамак. Но токамаки слишком тяжелы для комических аппаратов, поэтому исследователи обратились к другому методу управления реакцией – инерционному удержанию плазмы. Магнитное поле заменено на высокоэнергетические лучи, обычно лазерные. Они создают условия в небольшой точке пространства с топливом, при которых начинается слияние ядер. Затем магнитное поле может направить плазму за пределы корабля, генерируя тягу. В 1970-х годах проект Daedalus изучался Британским межпланетным сообществом (British Interplanetary Society), время до путешествия до звёзд оценивалось в 50 лет. Но до сих пор нет даже наземного функционирующего реактора.

Двигатель Бассарда

Все ракеты имеют одну фундаментальную проблему. Для большего ускорения и покрытия значительных расстояний требуется больше топлива, которое утяжеляет корабль и снижает общую эффективность. Предложенный в 1960 году физиком Робертом Бассардом (Robert Bussard) реактивный двигатель обходит данное препятствие. Вместо собственного топлива он ионизирует водород, находящийся в окружающем космическом пространстве, и затягивает его при помощи "электромагнитной воронки". Однако её размер должен быть громадным – сотни или даже тысячи километров в диаметре, поскольку в межзвёздном пространстве нет обилия водорода. Одно из возможных решений – это предварительный запуск в космос топлива на траекторию пути корабля, которое он будет "подбирать" по мере движения. Но это потребует чёткого следования курсу, да и слишком сложно реализовать с текущими технологиями.

Солнечный парус

Следующее предложение, призванное решить проблему топлива и скорости. Солнечный парус получает энергию от солнечного света. В вакуумных камерах эти устройства успешно проходят испытания, но попытки протестировать их в космосе пока завершались неудачами. Так, в 2006 году независимым Планетарным объединением (Planetary Society) из Пасадены был запущен корабль Cosmos 1, ракета потерпела крушение. Миссия NanoSail-D завершилась тем же. Несмотря на неутешительную статистику, технология остаётся одной из самых многообещающих, во всяком случае для путешествий по Солнечной системе. Но люди пока слишком тяжелы для таких парусов.

Магнитный парус

Данный вариант паруса вместо светового излучения использует солнечный ветер – поток заряженных частиц. Идея в том, чтобы окружить космический корабль магнитным полем, отталкиваемым полем частиц. Другая концепция предполагает применение положительно заряженных проводников, выступающих за пределы корабля и отталкивающих положительно заряженные ионы солнечного ветра. Возможно также со схожими технологиями получить ускорение от поля Земли. Однако понятно, что с удалением от Солнечной системы интенсивность излучения и ускорение будут ослабевать, а вернуться обратно практически нереально без дополнительных двигателей, работающих по иному принципу.

Лучевая энергия

Если Солнце не предоставляет достаточно энергии для достижения высоких скоростей, почему бы сделать это за него путём направления в космос мощных энергетических лучей. Одно из решений заключается в медленном испарении под действием лазера с Земли поверхности металлической пластины, что должно создавать реактивную тягу. А физик Грегори Бенфорд (Gregory Benford) предложил оснастить корабль парусом со специальной краской, молекулы которой испаряются при воздействии микроволнового излучения. Более перспективным считается парус на лазерной тяге, идею которого высказал Роберт Форвард (Robert Forward) в 1984 году. Но все эти концепции также не лишены недостатков. Луч должен быть чрезвычайно мощным и фокусироваться очень точно, а корабль – использовать как можно больше его энергии.

Двигатель Алкабъерре

Впервые предложен физиком из Университета Уэльса (University of Wales) Мигелем Алкабъерре (Miguel Alcubierre) в 1994 году. Двигатель должен использовать ещё не открытую "экзотическую материю" – частицы с отрицательной массой, создающие отрицательное давление. Они могут искривлять пространство-время, заставляя пространство перед кораблём сжиматься, а позади – наоборот, расширяться. Таким образом, космический аппарат сможет перемещаться быстрее света без нарушении принципов относительности. Кроме уже упомянутого препятствия идея учёного обладает и другими недостатками: удерживание корабля в "деформирующем коконе" потребует количества энергии, превосходящего всю энергию Вселенной. Кроме того, движение будет сопровождаться большими дозами радиации для путешественников. Опубликованные в 2002 году расчёты показывают невозможность передачи сигналов от корабля к передней части "кокона", то есть управлять движением экипаж не сможет.

Червоточины

Термин был предложен физиком Джоном Уиллером (John Wheeler), также популяризовавшим "чёрную дыру". Общая теория относительности Эйнштейна не отрицает существования червоточин (кротовин) – туннелей в пространстве-времени. Дискуссия по поводу возможности путешествий через них не прекращается, но согласно некоторым точкам зрения для поддержания такого туннеля в стабильном состоянии понадобится такой же тип материи, как в предыдущем случае. Более того, любое вещество, которое попадёт в червоточину, может привести к немедленному её закрытию. Тем не менее, предложенный в 1990-х годах физиком Сергеем Красниковым (Serguei Krasnikov) тип червоточины считается проходимым. Согласно учёному, такое образование само поддерживает открытое состояние собственной экзотической материей. Но его предложение не учитывает возможное появление машины времени в кротовине, способной нарушить причинно-следственные связи.

Гиперпространство

Если во Вселенной больше пространственных измерений, чем три, тогда возможно провести через них корабль с экстремально большой скоростью. Эта предположение физика Баркхарда Хейма (Burkhard Heim), чьи идеи никогда не рассматривались современными учёными как достойные внимания из-за их невразумительности.