Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

• Название: Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Юнацтва
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1991
• ISBN: 5-7880-0325-3

На основе обширных данных из астрономии, астрологии, географии, физики, математики, химии, биологии, истории, археологии и других наук автор рассказывает о строении Вселенной, истории человечества, о планетах Солнечной системы и Галактике, о звездах и их эволюции, о возможностях существования внеземных цивилизаций, о перспективах космических исследований, об идее контакта с инопланетянами.

---

Проектирование космического полета начинается с ракеты, автономного устройства с реактивным двигателем. Общие оценки дальности необходимых полетов, проведенные в предыдущей главе, показывают, что лучшее, на что мы можем рассчитывать в поисках жизни — десятки парсеков, а в поисках сколь-нибудь понятных цивилизаций — масштаб всей Галактики. Представляя себе в целом картину полетов в рамках Солнечной системы — картину, которая практически целиком укладывается в рамки ньютоновской механики, попробуем выяснить, какие принципиально новые черты привносит в нее иной масштаб.

И тут-то с самого начала возникают великие трудности — кинематические и особенно энергетические.

Очень распространенное исходное пожелание сводится к тому, что хотелось бы затратить на полет какое-то разумное время. Это сразу исключает из игры нерелятивистские скорости. Двигаясь даже с миллисветовой скоростью (v = 10-3 c[162]), что пока заметно выходит за рамки достигнутого, мы затрачивали бы на преодоление каждого парсека (путешествие к границе Солнечной системы!) порядка 3170 лет, а путешествие к центру Галактики заняло бы более 30 млн. лет. Корабль, который сам по себе собирается двигаться тысячи или миллионы лет в отрыве от Земли вряд ли можно рассматривать как средство связи с далекими цивилизациями — скорее всего его население следует считать особой цивилизацией. Этот важный момент нам не раз еще придется вспомнить.

Существенно изменить положение можно лишь одним путем: приблизив скорость корабля к скорости света. Тогда космонавты сумели бы почти за 3 года добраться до границ Солнечной системы и за несколько десятилетий облететь немалое число звезд. Но тут один за другим начинают выходить из игры все известные виды горючего, они оказываются сугубо неэффективными для разгона ракеты до субсветовых скоростей. Дело в релятивистской связи начальной (М0) и конечной (Мк) массы корабля:

М0/Мк = [1+ vmax/c /1- vmax/c]c/2vgas,

где vmax — максимальная скорость корабля, vgas скорость истечения газа из сопла, с — скорость света. Для химического горючего (даже идеального Н2 + О2!) v/c ~ 10-5, для уранового реактора v/c ~ 0,04, для термоядерного реактора vg/c ~ 0,1? 0,13.

Если планируемая максимальная скорость ракеты и скорость газа малы (vmax/c 1, vgas/c 1), оценку можно вести по более простой формуле (формуле Циолковского):

М0/Мк? evmax/vgas

Она показывает, что химическое топливо полностью теряет эффективность уже для миллисветовых ракет — для разгона 1 тонны полезного груза потребуется стартовая масса М0 ~ е100 ~ 2,7.1043 тонн. Это что-то близкое к массе доброго миллиона галактик!

Рассматривая разгон ракеты до vmax = 0,99 с с помощью уранового и термоядерного горючего, получим соответственно 3,4.1026 тонн и 1,6.109 тонн на каждую тонну полезного груза.

Но ведь кроме разгона при путешествии к далекой звезде потребуется и торможение, а потом еще один цикл разгон-торможение при возвращении на Землю. Из-за этого приходится не умножать результаты на 4, а возводить их в 4-ю степень. Так что даже термоядерная ракета полезной массой всего 100 тонн должна иметь начальную топливную загрузку около 6,6.1038 тонн, то есть порядка галактической массы!

Поэтому единственно разумным вариантом выглядит аннигиляционный двигатель с vg/c = 1, где роль истекающего газа играет свет. На его основе рассмотренный полет 100 тонной кабины в режиме двойного разгона-торможения при vmax/c = 0,99 потребует топливной загрузки порядка 4 млн. тонн. Это сама по себе не особенно страшная величина — такую массу имеет водяная «капля» радиусом около 100 метров.

Двигатель выглядит вполне эффективно, но это далеко не единственная проблема. Нужно еще сконструировать сам реактор (существующий лишь как общая научная идея), придумать способ получения и хранения 2 млн. тонн антивещества, обеспечить высокую концентрацию жесткого излучения, для которого обычные рефлекторы не годятся, устроить многое другое…

Все виды топлива имеют одно серьезное преимущество перед антивеществом — их добыча идет в естественных условиях и выгодна в том плане, что энергозатраты на нее уступают энерговыходу добываемого вещества. Антивещество же приходится производить буквально из энергии, к счастью, мы не имеем его месторождений[163]. На производство 2 млн. тонн антивещества самое малое пришлось бы затратить порядка 4.1026 Дж энергии (с учетом того, что в силу законов сохранения приходится производить примерно одинаковое количество обычного вещества). Установке, полностью использующей всю мощность, перехватываемую Землей у Солнца (2.1017 Вт), пришлось бы непрерывно обслуживать этот проект на протяжении 63 лет и 4 месяцев! И это, не считая огромных потерь, затрат на хранение и транспортировку, наконец, на строительство фантастического ускорителя, способного продуцировать что-то около 2 килограммов элементарных частиц в секунду…

Уже этого рассмотрения достаточно, чтобы убедиться в простом факте: субсветовые скорости движения ракет — удел цивилизаций II типа, то есть пока очень далекая от нас проблема.

Однако непонятно, насколько возникающие трудности преодолимы даже для них.

Чтобы поддерживать в фазе разгона допустимое для космонавтов ускорение, например 2g, необходима колоссальная эффективность двигателя Р » 6.109 Вт/кг[164] (для сравнения укажем, что у современных кораблей с мощными ядерными реакторами она вряд ли доходит до 20, эффективность Солнца как «двигателя» Р€ = 2.10-4 Вт/кг). Но в таком случае полная начальная светимость аннигиляционной ракеты составит L = РМ0 » 2,4.1019 Вт, причем максимум ее спектра будет приходиться на чрезвычайно жесткое излучение[165]. Получается мощная? — лучевая звезда, и она представляет огромную опасность для Земли и всего пространства Солнечной системы. При фокусировке излучения порядка одной угловой секунды ракета даже на расстоянии 100 астрономических единиц дает «зайчик» площадью около 4,5 млрд. км2 (на порядок больше площади Земли) и поток радиации раза в 4 превысит общий поток Солнца в районе земной орбиты! Иными словами, ее старт следует устроить где-то на самых окраинах Солнечной системы, видимо, не ближе одного светового года от Солнца. Ну а транспортировка туда горючего малой скоростью (миллисветовые грузовики?) потребует тысячелетий. Идея же промежуточного старта на двигателях обычного типа наталкивается на другую опасность — допустимо ли монтировать аннигиляционную супербомбу в окрестностях Земли?

Ситуация взаимна. Фотонная ракета не только опасна для окружающей космической среды, но и среда представляет для нее огромную опасность. Если даже предположить идеальные навигационные условия — отсутствие на пути ракеты крупных небесных тел, все равно останется межзвездная среда с плотностью не менее 1 атома водорода в кубическом сантиметре. Это вовсе не страшно для медленных тел, но для релятивистской ракеты космический вакуум будет выглядеть потоком энергичной протонной радиации — словно ее используют в качестве мишени в 6-7-Гэвном ускорителе. При крайне скромном эффективном размере этой мишени порядка 1 км она испытывала бы порядка 1021 соударений в секунду с очень жесткими протонами. Защита от такой радиации эквивалентна непрерывному отводу мощности порядка 1012 Вт, то есть система, практически равная всей энергетике современной Земли, работала бы только на нужды защиты.

Но помимо столь впечатляющих энергетических проблем есть еще кое-что сроки полетов. В релятивистской теории равноускоренного движения возникает естественная константа t= c/a0 (отношение скорости света к ускорению в системе отсчета корабля), характеризующая время разгона до ультрарелятивистских скоростей. При этом времена, измеренные по часам космонавтов (τ) и землян (t), связаны

формулой:

τ (t) = t0 ln [t/t0 + √(t/to)2 + 1] " t                   при   t/t0 « 1

τ (t) = t0 ln [t/t0 + √(t/t0)2 + 1] " t0ln2(t/t0)   при   t/t0 » 1,

где мы выделили предельное поведение зависимости τ от t в самом начале разгона и после его завершения. Соответственно, ускорение, скорость полета и траектория корабля выглядят для земного наблюдателя следующим образом:

a(t) = a0/[1 + (t/t0)2]3/2 = a0(1 – v2/c2)3/2 " a0    при   t/t0 « 1,

a(t) = a0/[1 + (t/t0)2]3/2 = a0(1 - v2/c2)3/2 " 0     при   t/t0 » 1;

v(t) = a0t/[1 + (t/t0)2]1/2 " a0t  при   t/t0 « 1,

v(t) = a0t/[1 + (t/t0)2]1/2 " c     при   t/t0 » 1;

r(t) = r0{[1+ (t/t0)2]1/2 -1} = r0{1/(1 - v2/c2)1/2 -1}  " a0t2/2  при   t/t0 « 1,

r(t) = r0{[1+ (t/t0)2]1/2 -1} = r0{1/(1 - v2/c2)1/2 -1}  " ct         при   t/t0 » 1,