Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?

Мы, люди, одержимы скоростью. Не так давно появились новости о том, что студенты в Германии побили рекорд самого быстрого электромобиля и ВВС США планирует разработку гиперзвукового самолета, который сможет двигаться в пять раз быстрее скорости звука — быстрее 6100 км/ч. Эти самолеты будут перевозить не людей — но не потому, что люди не могут путешествовать с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже двигались со скоростью, превышающей 5 махов. Существует ли какой-нибудь предел, за которым наше тело уже не сможет выдержать нагрузку скорости? Текущий рекорд скорости держится уже 46 лет. Когда он будет побит?

Нынешний рекорд скорости, с которой двигался человек, принадлежит тройке космонавтов миссии «Аполлон-10». Возвращаясь на Землю после облета Луны в 1969 году, капсула астронавтов разогналась до 24 790 км/ч относительно планеты Земля. «Думаю, сто лет назад мы и представить себе не могли, что человек может двигаться в космосе со скоростью почти в 40 000 км/ч», — говорит Джим Брей из аэрокосмической компании Lockheed Martin.

Но этот рекорд мы можем побить относительно скоро. Брей является директором экипажа проекта модуля «Орион» для американского космического агентства NASA. Космический аппарат «Орион» предназначен для перевозки астронавтов на низкую орбиту Земли и имеет хорошие шансы побить 46-летний рекорд самого быстрого путешествия.

Space Launch System (SLS), новая ракета, которая будет перевозить аппарат «Орион», совершит первые миссии с экипажем в 2012 году — облет астероида, захваченного на лунной орбите — с прицелом на многомесячную миссию на Марс в ближайшем будущем. В настоящее время дизайнеры представляют типичную максимальную скорость для «Ориона» в 32 000 км/ч. Но рекорд скорости «Аполлона-10» может быть превзойден, даже если придерживаться базовой конфигурации «Ориона».

«Орион» предназначен для самых разных целей, его скорость может быть намного выше, чем мы планируем сейчас».

И все же даже «Орион» не сможет представить наш полный скоростной потенциал. «Нет никакого практического предела скорости нашего путешествия, разве только скорости света», — говорит Брей. Свет движется со скоростью в миллиард километров в час. Сможем ли мы безопасно преодолеть разрыв от 40 000 км/ч до такой скорости?

К нашему удивлению, скорость — то есть быстрота перемещения — сама по себе не является для нас физической проблемой, пока остается относительно постоянной в одном направлении. В теории люди могут — только могут и только в теории — путешествовать со скоростью чуть ниже вселенского ограничения скорости: скорости света.

Если допустить, что мы сможем преодолеть известные технологическе ограничения и построить быстрые космические аппараты, нашим хрупким водянистым телам придется иметь дело с новыми опасностями, которые вытекают из таких высокоскоростных путешествий. Возможные опасности могут появиться, если люди освоят путешествия быстрее скорости света, совершив потрясающую парадигму открытия или найдя лазейки в текущем физическом стане.

Содержание

• 1 Борьба с перегрузками
• 2 Прямо в космос
• 3 Космические путешествия нового поколения
• 4 Энергичный град
• 5 Быстрее света
• 6 Обреченные бежать за светом

Борьба с перегрузками

Если мы разгоняемся до 40 000 км/ч, ускорение должно происходить постепенно. Быстрое ускорение и торможение могут быть смертельными для человеческого организма: телесные травмы во время дорожных катастроф появляются в процессе мгновенного падения скорости с десятков километров в час до нуля за доли секунды. Какова причина? Свойство Вселенной, известное как инерция, в результате которой объект с массой сопротивляется изменению состояния движения. Эта идея была выражена еще в первом законе движения Ньютона так: объект в состоянии покоя остается в состоянии покоя, и объект в движении пребывает в движении с той же скоростью и в том же направлении, пока на него не воздействуют внешние силы.

«Для человеческого тела постоянство — это хорошо, — объясняет Брей. — Переживать стоит только об ускорении».

Примерно век назад изобретение самолета, который может маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали сообщать о странных симптомах, сопровождающих изменения скорости и направления. Они включали временную потерю зрени и ощущения невесомости или дезориентации. Причиной были G-силы, гравитационные силы, G. Одна G равна притяжению земной гравитации к центру планеты, примерно 9,8 метра в секунду в квадрате (на уровне моря).

G-силы оказывают влияние вертикально, с головы до пят, или наоборот, и это может быть очень неудобно для пилотов и пассажиров. Кровь в ногах, которая испытывает влияние гравитационной силы, приливает к голове, когда мы делам вертикальную стойку. Глаза и веки наливаются кровью и пытаются вывалиться из орбит. И наоборот, когда ускорение свободного падения отрицательное, глаза и мозг испытывают нехватку кислорода, поскольку кровь собирается в нижних конечностях. Зрение затуманивается, становится серым, после чего может наступить полная потеря зрения, «затемнение». Высокая перегрузка может привести к обмороку, потере сознания, вызванной перегрузкой. Очень много пилотов погибло из-за невозможности видеть и последующего падения.

В такой центрифуге готовят пилотов к полетам

Среднестатистический человек может выдержать высокую перегрузку в 5 G с головы до пят, после чего отрубится. Пилоты, носящие специальные костюмы и натренированные напрягать мышцы торса так, чтобы кровь не утекала из головы слишком быстро, могут управлять самолетом при 9 G. «В течение коротких периодов тело человека может переносить нагрузки выше 9 G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Аэрокосмической медицинской ассоциации в Александрии, Вирджиния. — Но выдерживать их в течение долгого времени могут далеко не все».

Если на совсем уж короткие моменты, мы, люди, можем перетерпеть перегрузку намного выше, особо не пострадав. Рекорд мгновенной перегрузки принадлежит Элаю Бидингу-младшему, капитану американских ВВС. Он ехал задом наперед на санях с ракетных двигателем в 1958 году и принял на грудь (буквально) нагрузку в 82,6 G, когда сани разогнались до 55 км/ч за одну десятую секунды. Бидинг вырубился, но отделался лишь синяками на спине, продемонстрировав невероятные возможности организма.

Прямо в космос

В зависимости от транспорта, астронавты также переживали довольно высокие перегрузки — от 3 до 8 во время взлета и входа в атмосферу соответственно. Эти перегрузки, как правило, представлены давлением силы тяжести спереди назад, благодаря разумной практике привязывания космических путешественников к сиденьям, лицом ориентированным в направлении движения. Как только аппарат набирает скорость в 26 000 км/ч на орбите, астронавты ощущают свою скорость не больше, чем пассажиры коммерческого авиалайнера.

И если G-силы не будут особой проблемой для длительных миссий «Ориона», небольшие космические камешки — микрометеориты — вполне могут быть. Эти камешки размером с зерно движутся с невероятной разрушительной скоростью в 300 000 км/ч. Чтобы защитить судно и экипаж, «Орион» обладает защитным внешним слоем толщиной в 18-30 сантиметров в зависимости от места, а также другим экранированием и умным оборудованием. «Нам лишь нужно иметь в виду, под каким углом могут попасть микрометеориты», — говорит Брей.

Микрометеориты будут не единственной помехой для будущих космических миссий, когда люди разгонятся до высоких скоростей. В процессе марсианской миссии придется решать другие практические вопросы, включая вопрос питания экипажа и увеличения продолжительности жизней его членов вследствие радиационного воздействия. Сокращение времени путешествия, впрочем, может смягчить эти проблемы, чем быстрее, тем лучше.

Космические путешествия нового поколения

Жажда скорости приведет нас к новым препятствиям. Новейшие судна NASA, которые могут побить рекорд скорости «Аполлона-10», по-прежнему будут полагаться на проверенные временем двигательные системы химических ракет, используемые со времен первых космических миссий. Но у таких систем есть существенные ограничения скорости из-за низкого количества энергии, которую они выпускают на единицу топлива.

Итак, чтобы достичь более высоких скоростей для отправки людей на Марс и за его пределы, ученые ищут новые подходы. «Системы, которые у нас сейчас имеются, достаточно хороши, чтобы доставить нас туда, — говорит Брей. — Но хотелось бы увидеть революцию в сфере реактивного движения».

Эрик Дэвис, старший научный сотрудник Института перспективных исследований в Остине, описывает три наиболее перспективных способа — с применением традиционной физики — которые помогут человечеству достичь приличных межпланетных скоростей. Если коротко, это три явления с выходом энергии: распад, синтез и аннигиляция антивещества.

Первый метод заключается в расщеплении атомов, как это делается в коммерческих ядерных реакторах. Второй, синтез, соединяет атомы в более тяжелые атомы — эта реакция питает Солнце и наши надежды на появление устройств термоядерного синтеза, которые «всегда в 50 годах от нас».

«Это продвинутые технологии, — говорит Дэвис, — но используют традиционную физику и хорошо зарекомендовали себя с рассвета атомного века». Разнообразные двигательные системы на базе синтеза и распада атомов могут в теории разогнать аппарат до 10% скорости света — а это, извините, 100 000 000 км/ч.

Лучшим способом разогнать космический аппарат будет антиматерия, доппельгангер обычной материи. Когда два этих вида вещества вступают в контакт, они уничтожают друг друга с выходом чистой энергии. Сегодня уже существуют технологии для производства и хранения (хотя и в мизерных объемах) антиматерии. Но производство антиматерии в разумных объемах потребуют дорогостоящих заводов следующего поколения, а проектирование двигателя на антивеществе будет еще дороже. Впрочем, ученые не сидят без дела, и, как говорит Дэвис, на чертежной доске есть немало хороших проектов.

С двигателями на топливе из антивещества космический аппарат можно разгонять за месяцы или годы до очень высоких процентов скорости света, сохраняя G на приемлемом уровне для пассажиров. Но эти фантастические скорости рождают новые опасности для человеческого организма.

Энергичный град

При скорости в несколько сотен миллионов километров в час каждая пылинка в космосе, от атомов водорода до микрометеоритов, становится мощной пулей, которая устремляется в корпус аппарата. «Когда вы движетесь с высокой скоростью, с такой же высокой скоростью движется и частица по отношению к вам», — говорит Артур Эдельштейн, занимающийся эффектами влияния атомов космического водорода на сверхбыстрые космические путешествия.

Хотя на один кубический сантиметр в космосе присутствует примерно один атом, космический водород превратится в бомбардировку интенсивной радиации. Этот водород вольется в субатомные частицы, которые будут проходить сквозь корабль, облучая экипаж и оборудование. При скорости в 95% световой, облучение почти мгновенно станет смертельным. Корабль раскалится до температуры плавления любого мыслимого материала, а вода в телах членов экипажа моментально вскипит. «Это довольно неприятные проблемы», — едко замечает Эдельштейн.

Вместе с отцом он подсчитал, что в отсутствие гипотетического магнитного экрана, который будет отражать весь смертельный водород, звездный корабль сможет двигаться лишь в половину скорости света, не подвергая опасности членов экипажа.

Марк Миллис, физик двигательных систем и бывший глава программы прорывной физики реактивного движения NASA, предупреждает, что такой потенциальный предел скорости движения человека остается весьма отдаленной проблемой. «Если основываться на уже проверенной физике, скорости выше 10% световой будет очень сложно достичь, — говорит он. — Пока мы в безопасности. С таким успехом мы должны переживать о возможности утонуть, когда даже до воды еще не добрались».

Быстрее света

Допустим, мы научились плавать, продолжая аналогию, сможем ли мы когда-нибудь покорить волны пространства-времени и начать путешествовать со сверхсветовой скоростью?

Устойчивая популярность сверхсветового движения, которая хотя и остается сугубо спекулятивной, не обходится без вспышек в темноте. Один из любопытных сценариев сверхсветового движения включает «варп-двигатель» вроде того, что был в сериале «Звездный путь». Так называемый двигатель Алькубьерре сжимает обычное пространства-времени, описанное эйнштейновской физикой, перед космическим кораблем, расширяя его позади. В результате судно остается в куске пространства-времени — варп-пузыре, пузыре деформации — который движется быстрее скорости света. При этом судно пребывает в состоянии покоя в обычном пространстве-времени, никак не нарушая фундаментальный предел световой скорости.

В чем подвох? Этот концепт требует экзотической формы материи, обладающей отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время. «Физика не запрещает отрицательную массу, — говорит Дэвис. — Но не знает таковых примеров и никогда не встречала ее в природе». Еще один подвох: работа ученых Сиднейского университета за 2012 год показала, что варп-пузырь будет собирать высокоэнергетические космические частицы, неизбежно взаимодействуя с содержимым Вселенной. Некоторые частицы могут проникнуть в сам пузырь, облучив корабль радиацией.

Обреченные бежать за светом

Неужели мы навсегда застряли на субсветовой скорости из-за нашей хрупкой биологии? От этого ответа зависит не только возможность установления нового человеческого (или галактического) рекорда скорости, но и перспективы нашего становления межзвездным сообществом. При скорости в половину световой, которой нас ограничил Эдельштейн, путешествие к ближайшей звезде займет 16 лет.

Но Миллис дает надежду. Глядя на то, как люди изобрели костюмы для того, чтобы справиться с высокой нагрузкой гравитации, и микрометеоритное экранирование для безопасного путешествия на потрясающей скорости, можно предположить, что мы разработаем способы преодоления скоростных барьеров одного за другим.

«Если уж технологии позволят развить доселе невиданные скорости, если будущая физика обнаружит такую технологию возможной, — говорит Миллис, — все это даст нам новые, невероятные возможности защиты экипажей».

Через пропасть

Сегодняшние космические аппараты преодолевают силу земного тяготения с помощью химического топлива и даже могут, использовав для разгона гравитационные маневры, выйти за пределы гелиосферы. Этого, конечно, мало для далеких межзвездных перелетов, но возможны ли они в принципе? Мы попросили Бориса Штерна, физика и писателя-фантаста (а также одного из критиков проекта Starshot), рассказать о том, как, не нарушая законов физики, можно было бы развить скорость, достаточную для путешествия к звездам.

Пропасть, отделяющая нас от других планетных систем, чудовищна, но человек не был бы человеком, если бы пристально не присматривался к ней. Где-то там, за дальним ее краем, может быть жизнь, планеты, пригодные для заселения в далеком будущем.

Судя по всему, жизнь — редчайший феномен во Вселенной. Не является ли распространение жизни главной целью Homo sapiens? Для этого надо преодолеть пропасть, но преодолима ли она в реальности, а не в фантазиях?

От апельсина до Иркутска

Есть разные иллюстративные приемы, показывающие весь ужас нашей изоляции. Например, такой.

Уменьшим все в 10 миллиардов раз — на 10 порядков величины. Солнце станет размером с апельсин, Земля — песчинкой в 15 метрах от Солнца. Скорость света будет 3 сантиметра в секунду. И где будет ближайшая звезда? Примерно на том же расстоянии, что Иркутск от Москвы.

Свет доползет туда за четыре с небольшим года, «Вояджер-2» (более быстрый, чем «Вояджер-1»), двигаясь со скоростью 6 миллиметров в час (в рамках модели с апельсином), улетит на такое расстояние за сотню тысяч лет. Это ближайшая звезда Проксима Центавра, где есть планета — скорее всего, непригодная для обитания.

А где ближайшая пригодная? Прикидки, сделанные по данным космического телескопа «Кеплер», дают оценку 15–20 световых лет, то есть в 4–5 раз дальше. И это очень оптимистичный результат. Конечно, такая планета может оказаться и у Альфа Центавра (там двойная система, что неблагоприятно), но вероятность этого явно недостаточна, чтобы полагаться на такую удачу.

Можно ли передвигаться в пространстве на порядки быстрее, чем «Вояджеры»? Скорость «Вояджера-2» — около 16 километров в секунду, что составляет 5 × 10^-5 от скорости света. Передвижение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно, но до предела остается еще более 4 порядков.

Можно ли существенно увеличить скорость аппаратов в рамках существующих технологий, то есть с помощью химического топлива?

На самом деле с помощью одного лишь химического топлива очень трудно достичь даже той скорости, какую держат «Вояджеры», вылетев из Солнечной системы. Ведь надо не просто разогнать корабль, надо еще преодолеть гравитационный потенциал Солнца.

Если бы корабли разгонялись у Земли, им бы пришлось придать скорость около 30 километров в секунду, притом что скорость истечения газов в сопле ракеты почти на порядок меньше. Это потребовало бы наличия многих ступеней уже в космосе и безумных затрат.

В данном случае значительную часть работы проделали Юпитер с Сатурном, использованные в гравитационных маневрах «Вояджеров».

Гравитационный маневр

А нельзя ли с помощью гравитационных маневров выжать больше, скажем, еще порядок величины по скорости? К сожалению, нет. Планеты-гиганты движутся слишком медленно, а внутренние планеты — слишком легкие. Результат ускорения «Вояджеров» — не предел, но недалек от него. В их случае была использована редкая благоприятная конфигурация планет.

Невозможно «футболить» корабль от одной планеты к другой, накапливая скорость, — при относительной скорости, превышающей первую космическую для данной планеты, маневр теряет эффективность. Реальный предел скорости, достижимой с помощью химического топлива вместе с гравитационными маневрами, — 10^-4 скорости света.

Есть еще вариант разгона у Солнца с помощью эффекта Оберта: подойдя к Солнцу по сильно вытянутой орбите из далекого афелия, включаем двигатель в перигелии и получаем конечное приращение скорости в √2Δv V, где V — орбитальная скорость, Δv — приращение скорости.

Если взять радикальный случай пролета на 10 радиусах Солнца (V = 200 километров в секунду, равновесная температура ~ 3000 градусов Цельсия) и добиться приращения скорости 4 километра в секунду, то получим около 40 километров в секунду на бесконечности. Опять те же 10^-4 скорости света!

На большее приращение скорости с химическим топливом рассчитывать трудно, не забудем, что корабль перед этим забрался в далекий афелий.

Фотонный звездолет

Можно ли, не нарушая законов природы и пользуясь доступными источниками энергии, сократить время межзвездного перелета на порядки? Зайдем с другого конца — с самых дерзновенных идей.

Наиболее радикальная из них, не нарушающая законов природы с порога, — фотонный двигатель на антивеществе. В принципе, если бы мы имели антивещество, то, казалось бы, могли бы эффективно конвертировать энергию его аннигиляции в световой луч (через нагрев тугоплавкой оболочки и фокусировку обычным параболическим зеркалом).

Теоретически так можно было бы достичь, скажем, половины скорости света, хотя тут есть и обратная сторона, связанная с бомбардировкой корабля атомами межзвездной среды.

Если взять корабль массой 100 тонн, то в идеальном случае для его разгона потребуется всего 30 тонн антивещества и столько же аннигилирующего вещества. Правда, разгоняться придется медленно: при радиусе тугоплавкой (4000 кельвинов) оболочки 10 метров, максимально допустимой мощности 30 гигаватт, силе 0,3 ньютона и ускорении 3 × 10^-6 сантиметра в секунду за секунду время разгона до половины скорости света составит 10000 лет.

Довольно, скажем так, не быстро. Можно было бы обойтись без твердой оболочки, например использовать магнитную бутылку с плазмой, но и тогда возникнут ограничения на предельную мощность из-за величины поля, предельной стойкости окружающих конструкций и тому подобных причин.

Но главное препятствие на пути создания фотонного звездолета состоит в том, что коэффициент полезного действия в производстве антивещества — порядка одной миллиардной. Причем какая-то часть этой малости неустранима. КПД производства антипротонов составляет порядка одной стотысячной — необходимо вместе родить три антикварка, причем им надо еще объединиться в одну частицу. Потом антипротоны требуется собрать в пучок, охладить и замедлить.

И даже если удастся добиться КПД на уровне одной миллионной, производство антивещества в количестве, достаточном для разгона корабля до 0,5 скорости света, вызовет экологическую катастрофу на Земле. Требуемая энергия для наработки антивещества для разгона 100-тонного корабля до 0,5 скорости света при КПД 10^-6 эквивалентна теплу, получаемому всей Землей от Солнца за 100 лет.

Гораздо выше КПД производства позитронов — проценты. Но как их хранить, ведь объемный заряд — страшная вещь? Теоретически можно просчитать варианты: перемешать их с электронами, не давая аннигилировать; использовать какую-то комбинацию магнитного поля и когерентного электромагнитного излучения.

Но все это представимо, пока речь идет о лабораторных условиях и малых количествах. Хранить же тонны или центнеры позитронов в космосе — совершенно монструозное и едва ли осуществимое в реальности предприятие.

Лазерная пушка и взрыволет

А если пойти по пути Жюля Верна и вместо того, чтобы прибегать к ракетному принципу, выстрелить космическим аппаратом в направлении ближайшей звезды? Сегодня подобный проект существует под названием Starshot, соответствующие разработки в их начальной стадии профинансировал Юрий Мильнер.

В общих чертах проект заключается в следующем: берем массив плотно упакованных фазируемых лазеров размером километр на километр, подаем на него мощность 50 гигаватт, после чего узким пучком (расходимость 10^-9) ускоряем маленький зонд весом 1 грамм с парусом площадью 4 квадратных метра и весом еще 1 грамм.

По идее, ускорение должно составить 30 000g, время ускорения — 200 секунд, путь ускорения — 6 миллионов километров, конечная скорость — 20 процентов скорости света. По прилете к Альфе или Проксиме Центавра парус превращается в линзу Френеля и передает на землю некую информацию.

Идея, как представляется, технологически неосуществима. Достаточно, например, того, что даже высочайшей отражательной способности поверхности паруса будет недостаточно, чтобы предотвратить мгновенное испарение «звездолета». Дискуссию с Мильнером и автором идеи Филипом Любиным на этот счет публиковал на своем сайте «Троицкий вариант».

Примерно то же самое можно сказать и про другие варианты выстрела (например, электромагнитной пушкой). Длина «ствола» в проекте Starshot составляет 6 миллионов километров, и нет никаких предпосылок к тому, чтобы в случае с электромагнитной пушкой она оказалась бы меньше для достижения той же скорости.

Проект, по замыслу противоположный вышеописанному, которым еще полвека назад увлекался блестящий физик-теоретик Фримен Дайсон, — взрыволет. Работает он следующим образом: если снабдить корабль толстой защитной плитой и взрывать за ней одну за другой водородные бомбы, то реактивная сила придаст кораблю необходимое ускорение. Предполагается, что так можно будет достичь скорости в 10 процентов от скорости света.

Однако давайте посчитаем. Энерговыделение при термоядерном синтезе дейтерия и трития составляет 17,6 мегаэлектронвольт, или 0,37 процента от mc² реагирующих частиц. Если всю эту энергию пустить в аккуратно сформированный пучок, получим скорость 0,086 скорости света.

Однако усредненная по массе скорость продуктов термоядерного синтеза (нейтрон и альфа-частица) составляет всего 0,031 скорости света, потому что она неравномерно распределяется между нейтроном и альфа-частицей.

Хуже того: из продуктов реакции невозможно сформировать пучок, в лучшем случае его можно перехватить огромной плитой, но не отразить. Из-за этого эффективная скорость дополнительно делится на 4, так как разлет изотропен, а нам нужна проекция скорости на направление движения, и остается всего 0,8 процента скорости света.

Получить 10 процентов скорости света можно только с помощью огромного превосходства массы бомб над массой плиты и корабля. Из формулы Циолковского V = v ln (M начальное / M конечное) получается, что нам потребуется М начальное > 10 0000 M конечного, причем конечная масса включает в себя и вес плиты, а тут сотней тонн уже не отделаться.

Реактор и рабочее тело

Более реальные — и ощутимые — результаты может принести ядерная энергия, поскольку ядерный реактор — хорошо управляемое устройство. При делении ядра урана выделяется около 200 мегаэлектронвольт энергии. Само ядро урана весит чуть больше 200 гигаэлектронвольт, то есть выделяется около 0,001 от массы покоя топлива.

Это почти в 4 раза меньше, чем в термоядерном синтезе, зато энергия, выделенная в атомном реакторе, куда более удобна для использования. Она через тепло переводится в электричество (на Земле — с помощью паровых турбин, в космосе — через термоэлектрические преобразователи), потом передается реактивной струе с помощью ионных или плазменных двигателей.

Скорость истечения струи легко регулируется и может быть любой. При стопроцентном КПД оптимальная скорость реактивной струи из продуктов ядерного горения считается по формуле: √0,002с² (где с — скорость света), то есть 4,5 процента скорости света.

Конечно, стопроцентных КПД не бывает, поэтому возьмем одну четверть — в надежде на скорый прогресс в технологии термоэлектрических преобразователей. Тогда оптимальная скорость истечения уменьшается в 2 раза, примерно до 7000 километров в секунду.

Двигатель можно взять, например, ионный (правда, это не очень эффективно, если рабочим веществом будет отработанное топливо) или плазменный, использующий скрещенные электрическое и магнитное поля — в обоих типах двигателя легко регулировать скорость истечения.

Итак, чего же можно добиться при таком энергетическом выходе?

Допустим, масса корабля с реактором и двигателем — 100 тонн, как и в вышеприведенном примере, а рабочее вещество — отработанное топливо. Пусть корабль должен тормозить, а максимальная скорость достигает скромных 2 процентов от скорости света. С учетом торможения это будет эквивалентно разгону до 0,04 скорости света, или 12 000 километров в секунду.

Из формулы Циолковского имеем М топлива = [exp(12000/7000)-1]M корабля = 450 тонн. Это чистый уран-235. В общем, хотя подобный проект был бы сопряжен с большими техническими сложностями и финансовыми затратами, он не безнадежен.

В связи с этим можно сказать пару слов о стратегии и возможной технике межзвездного перелета на ядерном топливе. Если корабль должен тормозить (а если нет — от него немного толку), то наиболее надежный и щадящий режим для него — работа на постоянной умеренной мощности от старта до финиша.

Это означает, что сначала происходит медленный разгон, потом — медленное торможение. Переход от одного режима к другому может осуществляться посредством простого разворота корабля вокруг поперечной оси. Тогда средняя скорость при указанных выше параметрах будет в два раза меньше — 0,01 скорости света.

В таком полете все будет происходить очень плавно. Ускорение — десятки микрон в секунду за секунду, тяга — меньше килограмма, мощность реактора — десятки мегаватт. Но только так и можно пересечь пропасть шириной в десяток световых лет.

В таком проекте нет ничего технологически невозможного. В космосе у него имеются и свои преимущества — например, не потребуется биологическая защита вокруг реактора — всю полезную нагрузку можно выпустить далеко «на ниточке», не нужна перегрузка ТВЭлов — их можно сделать в виде стержней километровой длины, медленно протягивающихся через каналы в реакторе. Правда, такому двигателю понадобится охлаждение, а значит, очень большие радиаторы.

Есть ли смысл в тысячелетнем перелете?

Итак, полет со скоростью тысячи километров в секунду вполне реален. Однако зададимся вопросом: а есть ли разница — лететь сто тысяч или тысячу лет? Это все равно намного превышает срок жизни человека — так куда спешить?

На самом деле разница есть, и немалая. Через сто тысяч лет к месту назначения прилетит мертвая болванка. Космос — весьма агрессивная среда, интенсивность облучения заряженными частицами там на порядок выше, чем под радиационными поясами Земли.

Человек выдержит в открытом космосе пару лет с заметным ущербом для здоровья. Бактерии, простейшие и замороженные эмбрионы — существенно дольше, но вряд ли перенесут хотя бы вековой перелет. Электроника тоже страдает от космических лучей, хотя и в меньшей степени.

Фон заряженных частиц можно подавить примерно на три порядка с помощью сверхпроводящего соленоида (примерные параметры — критическое поле сверхпроводника 10 тесла и радиус соленоида 10 метров). Сейчас для этого не хватает высокотемпературного (20–30 кельвинов) сверхпроводника с большим значением критического поля, но его создание, видимо, не за горами.

Даже если эффективность его защиты будет вдвое ниже, чем по нашей оценке, то тысячелетний перелет будет сопровождаться двухлетней дозой облучения. Это значит, что к ближайшим планетам, пригодным для обитания, прилетит живой корабль — без экипажа, конечно, но с работающей электроникой, роботами и жизнеспособными семенами, спорами и эмбрионами.

Смогут ли вообще какие-то устройства проработать тысячу лет? Пока еще никто не ставил перед учеными и инженерами подобных задач. Но если такая задача будет поставлена, ее, скорее всего, удастся решить, и никакие тысячелетние эксперименты для этого не понадобятся. «Вояджеры», например, работают уже 40 лет без сорокалетних экспериментов.

Трудно представить себе, чтобы такой проект, результатами которого смогут (если смогут) воспользоваться далекие неведомые потомки, стал реальностью прямо в наши дни. Однако необходимо заметить, что его реализация может дать важные вспомогательные результаты уже в обозримой перспективе.

Речь идет о полетах в пределах Солнечной системы. Атомный тягач — ключ к настоящему ее освоению. Конкретные параметры такого корабля могут отличаться от тех, что необходимы для межзвездных перелетов (потребуется бóльшая тяга, возможность дозаправки рабочим веществом), но принцип тот же.

Такой тягач может работать в космосе десятилетиями, совершая рейсы в два конца, таская как пилотируемые корабли, так и автоматические станции, не опускаясь глубоко в гравитационный потенциал планет. Разработка таких двигателей идет, причем и в России, но, к сожалению, медленнее, чем хотелось бы.

Борис Штерн

С какой скоростью люди могут безопасно путешествовать в космосе?

BBC

Берлин

Мы, люди, одержимы скоростью. Последние месяцы, например, принесли новости о том, что студенты в Германии побили рекорд скорости электромобиля, и что ВВС США планируют разработать гиперзвуковые реактивные самолеты, которые будут двигаться со скоростью, более чем в пять раз превышающей скорость звука — это скорости в превышение 3790 миль в час (6100 км / ч).

На этих самолетах не будет экипажа, но не потому, что люди не могут летать на таких высоких скоростях. На самом деле, люди уже путешествовали во много раз быстрее, чем 5 Маха. Однако существует ли какой-то предел, за которым мчащиеся тела больше не могут выдерживать напряжение скорости?

Текущий рекорд скорости человека принадлежит трем астронавтам, участвовавшим в миссии НАСА «Аполлон-10». На обратном пути после круга вокруг Луны в 1969 году капсула астронавтов достигла максимальной скорости 24 790 миль в час (39 897 км/ч) относительно планеты Земля. «Я думаю, что сто лет назад мы, вероятно, и представить себе не могли, что человек может путешествовать в космосе со скоростью почти 40 000 километров в час», — говорит Джим Брей из аэрокосмической фирмы Lockheed Martin. Но относительно скоро мы сможем побить этот рекорд. Брей — директор проекта пилотируемого модуля «Орион» в американском космическом агентстве НАСА. Космический корабль «Орион» предназначен для доставки астронавтов на низкую околоземную орбиту и является хорошей ставкой для корабля, который побьет 46-летний рекорд скорости, на которой мы когда-либо путешествовали.

«Ситуация довольно тревожная», поскольку в Белгороде продолжаются обстрелы, говорит Кремль захвачен на лунной орбите — с многомесячной миссией на Марс, которая тогда не за горами. В настоящее время конструкторы предполагают типичную максимальную скорость Orion около 19 900 миль в час (32 000 км/ч). Но рекорд скорости «Аполлона-10» можно было бы превзойти, даже если придерживаться базовой конфигурации «Ориона». «Орион предназначен для многих различных направлений в течение всего срока службы», — говорит Брей. «Его скорость вполне может быть намного выше, чем мы планируем сейчас». Однако даже Орион не будет представлять пик нашего скоростного потенциала. «Нет реального практического предела скорости, с которой мы можем путешествовать, кроме скорости света», — говорит Брей. Свет мчится со скоростью около миллиарда километров в час. Можем ли мы надеяться безопасно преодолеть разрыв от 40 000 км/ч до этих скоростей?

Удивительно, но скорость, определяемая как скорость движения, сама по себе не представляет для нас физической проблемы, если она относительно постоянна и направлена ​​в одном направлении. Следовательно, люди должны — теоретически — иметь возможность путешествовать со скоростью, чуть меньшей «предела скорости Вселенной»: скорости света.

Премьер-министр Косово заявляет, что не сдаст страну сербской «фашистской милиции» после столкновений на севере значительные новые опасности, связанные с таким скоростным путешествием. Также могут возникнуть спекулятивные опасности, если люди смогут путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, либо путем использования лазеек в известной физике, либо посредством открытий, разрушающих парадигму.

Как бы мы ни разгонялись до скорости свыше 40 000 км/ч, нам придется терпеливо набирать ее (и снижать). Быстрое ускорение и замедление могут быть смертельными для человеческого организма: посмотрите на телесные повреждения в автомобильных авариях, когда мы переходим от десяти километров в час к нулю за несколько секунд.

Причина? Свойство Вселенной, известное как инерция, при котором любой объект с массой сопротивляется изменению своего состояния движения. Эта концепция классно выражена в первом законе движения Ньютона: «объект в состоянии покоя остается в покое, а объект в движении остается в движении с той же скоростью и в том же направлении, если на него не действует внешняя сила».

Журналисты, сообщившие о смерти Махсы Амини, предстают перед судом в Иране

«Для человеческого организма постоянство полезно, — объясняет Брей. «Мы должны беспокоиться об ускорении».

Около века назад изобретение прочного самолета, способного маневрировать на высокой скорости, привело к тому, что пилоты стали сообщать о странных симптомах, связанных с изменением скорости и направления. К ним относятся временная потеря зрения и ощущение свинца или невесомости. Причиной являются перегрузки, иначе называемые гравитационными силами или даже просто перегрузками. Это единицы ускоряющей силы, действующей на массу, например человеческое тело. Один G равен притяжению Земли к центру планеты на 9 градусов.0,8 метра в секунду в квадрате (на уровне моря).

Перегрузки по вертикали, с головы до ног или наоборот, могут быть действительно плохими новостями для пилотов и пассажиров. Кровь скапливается в головах тех, кто подвергается положительным перегрузкам, от пальцев ног до головы, вызывая ощущение переполнения, как при стойке на руках. «Покраснение» наступает, когда опухшие от крови полупрозрачные нижние веки поднимаются вверх, закрывая зрачки. И наоборот, когда ускорение отрицательное, от головы до ног, глаза и мозг испытывают кислородное голодание, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях. Сначала возникает затуманенное зрение, называемое «серым оттенком», за которым следует полная потеря зрения или «потемнение». Эти высокие G могут прогрессировать до полных обмороков, называемых G-индуцированной потерей сознания (GLOC). Многие авиационные смерти происходят из-за того, что пилоты теряют сознание и разбиваются.

Девять человек погибли из-за дождя, града, обрушившегося на Хайдарабад и другие районы провинции Синд за последние 48 часов. Пилоты, одетые в специальные костюмы с высокой перегрузкой и обученные напрягать мышцы туловища, чтобы кровь не хлестала из головы, все еще могут управлять своим самолетом с нагрузкой около девяти g. «В короткие промежутки времени человеческое тело может выдержать намного больше, чем девять G», — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Аэрокосмической медицинской ассоциации, базирующейся в Александрии, штат Вирджиния. «Но чтобы поддерживать это в течение длительного периода времени, не так уж много людей могут это сделать».

Мы, люди, можем терпеть гораздо более сильные перегрузки без тяжких телесных повреждений хотя бы на мгновение. Рекорд по мгновенным перегрузкам принадлежит Эли Бидингу-младшему, капитану американских ВВС. В 1958 году он проехал на ракетных санях задом наперёд и зафиксировал на нагрудном акселерометре 82,6g, когда сани разогнались примерно до 34 миль в час (55 км/ч) за одну десятую секунды. Бидинг потерял сознание, но пострадал лишь от синяков на спине, что является замечательной демонстрацией гибкости тела.

Правительство Синда объявляет о соляризации правительственных офисов

Выход в космос

Астронавты, в зависимости от их корабля, также испытывают довольно высокие перегрузки — от трех до восьми при взлете и входе в атмосферу соответственно. Эти G-силы в основном являются мягкими перегрузками спереди назад благодаря умной практике привязывать космонавтов к сиденьям, обращенным в направлении их движения. Достигнув постоянной крейсерской скорости около 16 150 миль в час (26 000 км/ч) на орбите, астронавты чувствуют свою скорость не больше, чем пассажиры коммерческого самолета.

Если перегрузки не представляют проблемы для более длительных миссий Ориона, небольшие космические камни — «микрометеороиды» — могут быть. Эти биты размером с зерно могут развивать впечатляющую скорость почти 186 000 миль в час (300 000 км/ч). Для защиты корабля и его экипажа «Орион» имеет защитный внешний слой толщиной от 18 до 30 см, а также другие экраны и продуманное размещение оборудования. «Чтобы мы не потеряли критически важную систему полета, для всего космического корабля мы должны смотреть, под каким углом может прилететь микрометеороид», — говорит Брей.

Безусловно, микрометеороиды — не единственное препятствие для будущих космических миссий, в которых, вероятно, будет задействована более высокая скорость передвижения человека. В миссии на Марс необходимо будет решить другие практические вопросы, в том числе снабжение экипажа продовольствием и повышенный риск развития рака в течение всей жизни из-за воздействия космического излучения. Однако сокращение времени в пути смягчило бы эти проблемы, что сделало бы очень желательным более быстрый подход.

Космические путешествия, новое поколение

Потребность в скорости создаст новые препятствия. Новые корабли НАСА, которые могут поставить под угрозу рекорд скорости «Аполлона-10», по-прежнему будут полагаться на проверенные химические ракетные двигательные установки, используемые с самых первых космических миссий. Но такие системы имеют серьезные ограничения скорости из-за небольшого количества энергии, которую они выделяют на единицу топлива.

Итак, ученые признают, что для достижения значительно более высоких скоростей передвижения людей, направляющихся на Марс и дальше, потребуются новые подходы. «Системы, которые у нас есть сегодня, будут достаточно хороши, чтобы доставить нас туда, — говорит Брэй, — но вы хотели бы увидеть революцию в двигателях».

Эрик Дэвис, старший физик-исследователь Института перспективных исследований в Остине и участник программы НАСА «Прорыв в физике двигателей», шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, описывает три наиболее многообещающих средства — при условии, что традиционная физика — за доведение человечества до разумных скоростей межпланетных путешествий. Короче говоря, это высвобождающие энергию явления деления, слияния и аннигиляции антиматерии.

Первый метод — это расщепление атомов, как это делается в коммерческих ядерных реакторах. Второй, термоядерный синтез, объединяет атомы в более тяжелые атомы — реакция, которая питает Солнце, и технология, которая остается заманчиво недосягаемой; «Всегда на расстоянии 50 лет», как гласит старый девиз отрасли.

«Эти технологии продвинуты, — говорит Дэвис, — но они представляют собой обычную физику и хорошо зарекомендовали себя с самого начала атомной эры». Оптимистично, что различные силовые установки, основанные на концепциях деления и термоядерного синтеза, теоретически могут разогнать судно до 10% скорости света — крутая скорость 62 000 000 миль в час (100 000 000 км/ч).

Насколько быстро мы можем путешествовать в космосе с помощью современных технологий?

Заголовки неба

Заголовки неба

Ваш универсальный магазин космических новостей

Опубликовано 8 февраля 2023 г.

+ Подписаться

Все мы знаем, что нет ничего быстрее скорости света. Это один из основных фундаментальных законов науки. Однако, поскольку мы прогрессируем в науке и технике, никто не может сказать, каковы будут пределы наших возможностей в будущем. Известный английский физик-теоретик, космолог и писатель Стивен Хокинг говорит, что «почти» ничто не может превысить скорость света. Тем не менее, может быть вероятность того, что в будущем мы даже преодолеем скорость света. Что касается путешествий в космосе, то можно сказать, что мы еще далеко не приблизились к скорости света.

В настоящее время самый быстрый космический корабль может развивать скорость до 692 000 километров в час, что все еще меньше скорости света.

Узнайте больше о технологиях космических путешествий по телефону:

James Webb Space Telescope discovered that galaxies in the early universe were surprisingly diverse

.

.

.

.

.

#путешествие во времени #пространство-время #космическая технология #путешествие во времени #speedoflight #space #skyheadlines

• Солнечная вспышка гигантского пятна была замечена невооруженным глазом.

  Давайте посмотрим, как вы это видите
  

  31 мая 2023 г.

• Уэбб наносит на карту и находит следы воды на WASP-18-B
  

  31 мая 2023 г.

• Шлейф водяного пара обнаружен на спутнике Сатурна Энцеладе космическим телескопом НАСА имени Джеймса Уэбба
  

  30 мая 2023 г.

• Голодная черная дыра извергает струю рентгеновских лучей в 60 000 раз горячее Солнца
  

  30 мая 2023 г.

  

• НАСА ищет услуги лунных вездеходов для миссий Artemis
  

  29 мая 2023 г.

• Телескоп Хаббл показал завораживающую дрейфующую галактику на последнем снимке
  

  26 мая 2023 г.

• Комитет по распределению телескопов раскрывает, что наблюдает Уэбб дальше
  

  25 мая 2023 г.

• На Уране обнаружен полярный циклон
  

  25 мая 2023 г.