Возможны ли космические путешествия

Могут ли новые технологии сделать космические путешествия реальностью?

То, что долгое время считалось научной фантастикой, сегодня – обычное дело. Так, совсем недавно в режиме реального времени весь мир наблюдал за потрясающим космическим шоу – запуск пилотируемого корабля Crew Dragon на МКС. Сегодня может показаться, что первый полет человека в космос был очень давно, но если посмотреть на скорость развития технологий, то она ошеломляет: первая в истории ракета с целью изучить параметры воздушной среды, была запущена всего 83 года назад! За это время в мире появился интернет, а еще ракеты Falcon9 от SpaceX, которые возвращаются и садятся автоматически. Так может, технологии будущего сделают реальностью космические путешествия?

Межзвездные путешествия

Кто из нас в детстве не мечтал о межзвездных путешествиях? Да что там, не знаю как вы, а я до сих пор мечтаю, что в один прекрасный день рядом с домом приземлится летающая тарелка и пригласит на экскурсию по бескрайней Вселенной. Стоит ли удивляться, ведь межзвездные путешествия – главный продукт научно-фантастических сериалов. Так или иначе, по мере развития технологий – от знаменитых песелей Boston Dynamics и прекрасного робота Софии, до более продвинутых ракет и космических зондов – возникает вопрос: стоит ли надеяться, что когда-нибудь мы колонизируем звезды? Или, если отбросить эту далекую мечту, сможем ли мы отправить на чужие планеты космические зонды и с их помощью увидеть, что там происходит?

Правда заключается в том, что межзвездные путешествия и исследования технически возможны. Нет такого закона физики, который бы это прямо запрещал. Но это не означает, что человечество скоро изобретет подобные технологии. Межзвездные путешествия — это настоящая головная боль и на нашем веку люди точно не полетят колонизировать другие звезды. Но есть и хрошие новости – мы уже достигли статуса межзвездных исследований. Несколько космических аппаратов движутся к краю Солнечной системы, а покинув ее уже никогда не вернутся. Миссии NASA Voyager, Pioneer и New Horizons начали свое долгое путешествие вовне.

Согласитесь, звучит отлично: у нас есть межзвездные космические зонды, которые работают. Но проблема в том, что они никуда не спешат. Каждый из этих бесстрашных межзвездных исследователей движется со скоростью десятков тысяч км в час. Они не движутся в направлении какой-то определенной звезды, потому что их миссии были предназначены для исследования планет внутри Солнечной системы. Но если бы какой-нибудь из этих космических аппаратов направлялся к нашему ближайшему соседу, Проксиме Центавре, находящейся всего в 4 световых годах от Земли, они достигли бы ее примерно за 80 000 лет.

Скоро люди вернутся на Луну, но положит ли это конец теориям лунного заговора?

Все это очень здорово, но вряд ли бюджет NASA рассчитан на такие сроки. Кроме того, к тому времени, когда зонды достигнут чего-то интересного, их приборы перестанут работать и в конечном итоге будут просто лететь через пустоту. На самом деле это своеобразный успех: предки человека не были похожи на ребят, способных запустить в космос роботизированные аппараты с золотыми пластинами на борту.

Скорость имеет значение

Чтобы сделать межзвездные полеты более «разумными», зонд должен двигаться очень быстро. Примерно на одну десятую скорости света. При такой скорости космический аппарат может достичь Проксимы Центавра за несколько десятилетий, а через несколько лет отправить снимки обратно – и все это в пределах человеческой жизни. Неужели так глупо хотеть, чтобы тот же самый человек, который начал миссию, закончил ее?

Но движение на таких скоростях требует огромного количества энергии. Один из вариантов заключается в том, чтобы содержать эту энергию на борту космического корабля в качестве топлива. Но если так, то дополнительное топливо добавляет массу, что делает его еще более трудным для разгона до нужных скоростей. Существуют проекты и эскизы атомных космических аппаратов, которые пытаются достичь именно этого, но если мы не хотим начать строить тысячи и тысячи ядерных бомб только для того, чтобы поместить их в ракету, нам нужно придумать что-то еще.

Зонд Вояджер 2 вышел за пределы гелиосферы

Как пишет издание Discover, возможно, одна из самых многообещающих идей заключается в том, чтобы сохранить источник энергии космического корабля неподвижным и каким-то образом транспортировать эту энергию к космическому кораблю по мере его перемещения. Один из способов сделать это – с помощью лазеров. Излучение хорошо переносит энергию из одного места в другое, особенно на огромные расстояния в космосе. Затем космический корабль может захватить эту энергию и двигаться вперед.

Но когда речь заходит о том, чтобы заставить космический корабль двигаться с требуемой скоростью, сам лазер, мощностью в 100 гигаватт, на много порядков мощнее любого лазера, который мы когда-либо проектировали. А космический аппарат, масса которого не должна превышать массы скрепки для бумаги, должен включать в себя камеру, компьютер, источник питания, схему, оболочку, антенну для связи с домом и идеально отражающим световым парусом. Настоящее путешествие начнется после ускорения до одной десятой скорости света. В течение 40 лет этот маленький космический корабль должен будет выдержать все испытания межзвездного пространства. И хотя подобные технологии сегодня кажутся чем-то из разряда научной фантастики, нет такого закона физики, который бы запрещал его существование. Вопрос заключается в следующем: готовы ли мы потратить достаточно денег, чтобы выяснить, можно ли построить подобный корабль?

Источник

Все за сегодня

Политика

Экономика

Наука

Война и ВПК

Общество

ИноБлоги

Подкасты

Мультимедиа

Наука

Forbes (США): можем ли мы добиться межзвездных полетов, используя только известную нам физику?

С тех пор, как человек впервые взглянул в ночное небо, мы мечтаем посетить другие миры и увидеть Вселенную. И хотя наши ракеты на химическом топливе уже достигли множества планет, лун и прочих тел Солнечной системы, космический аппарат, удалившийся на самое большое расстояние от Земли, Вояджер 1, преодолел только 22,3 миллиарда километров. Это всего лишь 0,056% расстояния до ближайшей известной нам звездной системы. При использовании современных технологий путь до другой звездной системы займет порядка 100 тысяч лет.

Однако нет никакой необходимости действовать так, как мы делали всегда. Эффективность отправки аппаратов с большой массой полезной нагрузки, даже с людьми на борту, на беспрецедентные расстояния во Вселенной, можно значительно повысить, если использовать правильные технологии. Если говорить точнее, существуют четыре перспективные технологии, способные доставить нас к звездам за гораздо меньший срок. Вот они.

1). Ядерные технологии. К настоящему моменту в человеческой истории все аппараты, запущенные в космос, имеют одну общую черту: двигатель на химическом топливе. Да, ракетное топливо — это особая смесь химических веществ, призванная обеспечить максимальную тягу. Тут важно словосочетание «химические вещества». Реакции, дающие энергию двигателю, опираются на перераспределение связей между атомами.

Это в корне ограничивает наши действия! Подавляющее большинство массы атома приходится на его ядро — 99,95%. Когда начинается химическая реакция, вращающиеся вокруг атомов электроны перераспределяются и обычно выделяют в виде энергии около 0,0001% от общей массы атомов, участвующих в реакции, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна: E=mc2. Это значит, что на каждый килограмм массы топлива, которое загружается в ракету, во время реакции вы получаете энергию, эквивалентную примерно 1 миллиграмму.

Контекст

Слишком много Марса! Почему не изучают другие миры? (NYT)

Forbes: как Вселенная сделала наше существование возможным?

SA: квантовое туннелирование — поможет ли оно нам проходить сквозь стены?

Aeon: существует ли темная материя?

Однако, если использовать ракеты на ядерном топливе, ситуация будет резко отличаться. Вместо того, чтобы опираться на изменения в конфигурации электронов и связях атомов друг с другом, вы можете высвободить сравнительно огромное количество энергии, влияя на то, как связаны ядра атомов между собой. Когда вы расщепляете атом урана, бомбардируя его нейтронами, он излучает намного больше энергии, чем какая-либо химическая реакция. 1 килограмм урана-235 может выделить количество энергии, эквивалентное 911 миллиграммам массы, что почти в тысячу раз эффективней, чем химическое топливо.

Мы могли бы сделать двигатели еще эффективней, если бы овладели ядерным синтезом. Например, системой инерциального управляемого термоядерного синтеза, с помощью которого можно было бы синтезировать водород в гелий, такая цепная реакция происходит на Солнце. Синтез 1 килограмма водородного топлива в гелий превратит 7,5 килограммов массы в чистую энергию, что почти в 10 тысяч раз эффективней, чем химическое топливо.

Идея в том, чтобы получить одинаковое ускорение для ракеты на значительно больший период времени: в сотни или даже тысячи раз дольше, чем сейчас, что позволило бы развить в сотни или тысячи раз большую скорость, чем обычные ракеты сейчас. Такой метод сократил бы время межзвездного полета до сотен или даже десятков лет. Это перспективная технология, которой мы сможем воспользоваться уже к 2100 году, в зависимости от темпов и направления развития науки.

2). Пучок космических лазеров. Эта идея лежит в основе проекта «Breakthrough Starshot», получившему известность несколько лет назад. За пришедшие годы концепция не потеряла привлекательности. Тогда как обычная ракета несет топливо с собой и расходует его на ускорение, ключевая идея этой технологии — пучок мощных лазеров, которые придадут космическому кораблю необходимый импульс. Другими словами, источник ускорения будет отделен от самого корабля.

Эта концепция одновременно и захватывающая, и во многих смыслах революционная. Лазерные технологии успешно развиваются и становятся не только более мощными, но и высоко коллимированными. Получается, если мы создадим схожий с парусом материал, который будет отражать достаточно высокий процент лазерного света, можно будет использовать лазерный выстрел, чтобы космический корабль развил колоссальные скорости. «Звездолет» массой

1 грамм предположительно достигнет скорости

20% скорости света, что позволит ему долететь до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра всего за 22 года.

Конечно, для этого мы должны будем создать огромный пучок лазеров (около 100 км2), и сделать это нужно в космосе, хотя тут больше проблема в стоимости, а не в технологиях или науке. Однако существует ряд проблем, которые нужно преодолеть, чтобы быть способными осуществить такой проект. Среди них:

• ничем не поддерживаемый парус будет вращаться, требуется какой-то (неразработанный еще) стабилизирующий механизм;
• отсутствие возможности затормозить, когда будет достигнута точка назначения, так как нет никакого топлива на борту;
• даже если получится масштабировать аппарат для перевозки людей, человек не сможет выжить при огромном ускорении- значительном перепаде скоростей за короткий промежуток времени.

Возможно, когда-нибудь технологии смогут доставить нас к звездам, но успешного метода, как человеку достичь скорости равной

20% скорости света, пока не существует.

3). Топливо на основе антиматерии. Если мы все же хотим везти топливо с собой, можно сделать его самым эффективным из возможных: в его основе будет лежать аннигиляция частиц и античастиц. В отличие от химического или ядерного топлива, где только часть имеющейся на борту массы конвертируется в энергию, аннигиляция частиц и античастиц использует 100% массы и частиц, и античастиц. Возможность конвертировать все топливо в энергию, идущую на импульс — высший уровень эффективности топлива.

В применении этого метода на практике по трем основным направлениям возникают трудности. Конкретно:

• создание стабильной нейтральной антиматерии;
• возможность изолировать ее от обычной материи и точно ее контролировать;
• производить антиматерию в достаточно больших количествах, необходимых для межзвездного полета.

К счастью, над первыми двумя проблемами уже работают.

В Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), где расположен Большой адронный коллайдер, есть огромный комплекс, известный как «фабрика антиматерии». Там шесть независимых команд ученых исследуют свойства антиматерии. Они берут антипротоны и замедляют их, заставляя позитрон связываться с ними. Так создаются антиатомы или нейтральная антиматерия.

Статьи по теме

NRK: на этих планетах идет дождь из алмазов

Марсианские миссии: почему сегодня рано, а завтра поздно? (Forbes)

Le Figaro: опубликована самая детальная карта Вселенной

Scientific American: темная материя может таиться на низкоэнергетических рубежах

Они изолируют эти антиатомы в емкости с меняющимися электрическим и магнитным полями, которые удерживают их на одном месте на расстоянии от стенок контейнера, сделанного из материи. К настоящему моменту, середина 2020 года, им успешно удалось изолировать и поддержать в стабильности несколько антиатомов на протяжении часа за раз. В течение нескольких следующих лет ученым удастся контролировать перемещения антиматерии в пределах гравитационного поля.

Эта технология не будет доступна нам в ближайшем будущем, но может оказаться, что наш самый быстрый способ межзвездных путешествий — ракета на антиматерии.

4). Звездолет на темной материи. Этот вариант, безусловно, опирается на предположении о том, что какая-либо частица, ответственная за темную материю, ведет себя как бозон и является его собственной античастицей. В теории темная материя, являющаяся собственной античастицей, имеет маленький, но не нулевой, шанс аннигилировать с любой другой столкнувшейся с ней частицей темной материи. Высвободившуюся в результате столкновения энергию мы потенциально можем использовать.

Существует возможное свидетельство этому. В результате наблюдений установлено, что Млечный путь и другие галактики имеют необъяснимый избыток гамма-излучения, идущего из их центров, где концентрация темной энергии должна быть самой высокой. Всегда существует вероятность, что этому имеется простое астрофизическое объяснение, например, пульсары. Однако возможно, что это все же темная материя аннигилирует сама с собой в центре галактики и тем самым дает нам невероятную идею — звездолет на темной материи.

Преимущество этого метода заключается в том, что темная материя существует буквально везде в галактике. Это значит, нам не придется везти топливо с собой в путешествие. Вместо этого «реактор» темной энергии может просто делать следующее:

• брать любую темную материю, которая находится рядом;
• ускорять ее аннигиляцию или позволять ей аннигилировать естественным путем;
• перенаправлять полученную энергию, чтобы получить импульс в любом желаемом направлении.

Человек мог бы контролировать размер и мощность реактора, чтобы достигнуть нужных результатов.

При отсутствии необходимости иметь топливо на борту отпадут многие из проблем космических путешествий, управляемых двигательными установками. Вместо этого мы будем способны достигнуть заветную мечту любого путешествия — неограниченное постоянное ускорение. Это даст нам самую немыслимую способность — возможность достигнуть любого места во Вселенной за время одной человеческой жизни.

Если мы будем ограничивать себя существующими ракетными технологиями, то нам понадобится как минимум десятки тысяч лет на путешествие от Земли к ближайшей звездной системе. Однако значительные продвижения в технологии двигателей уже близки, они сократят время в пути до одной человеческой жизни. Если мы сможем справиться с использованием ядерного топлива, пучка космических лазерных лучей, антиматерии или даже темной материи, мы исполним собственную мечту и станем космической цивилизацией без использования нарушающих физику технологий, таких как варп-двигатель.

Существует множество потенциальных способов превратить научно обоснованные идеи в осуществимые, реальные технологии двигателей следующего поколения. Вполне возможно, что к концу века космический корабль, который пока еще не изобретен, займет место Новых горизонтов, Пионера и Вояджера как самых далеких от Земли рукотворных объектов. Наука уже готова. Нам осталось заглянуть за рамки наших сегодняшних технологий и осуществить эту мечту.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Источник