Текст уведомления здесь

Аукцион гравицап

Восемь космических двигателей разной степени безумности: от научных фантазий до антинаучного бреда

На позапрошлой неделе американский астроном Дэвид Киппинг описал концепцию космического двигателя, использующего для набора околосветовой скорости — барабанная дробь! — черные дыры. Китайские и американские исследовательские группы пытаются разобраться с «невозможным» двигателем EmDrive, а Роскосмос недавно был вынужден комментировать работы над «квантовым двигателем». Что еще есть в этом списке? «Чердак» представляет свой классификатор космических двигателей разной степени футуристичности и безумности.
Добавить в закладки
Комментарии

Все многообразие подобных проектов можно разделить на три типа.

Тип I, научные фантазии. Теоретически возможные с точки зрения физики устройства, которые пока никто не пытался довести до работающего прототипа — по причине, например, их экономической бессмысленности.

Тип II, научная фантастика. Устройства, которые пока бессмысленно обсуждать в деталях, но принципиально не противоречащие законам физики.

Тип III, антинаучный бред. Заведомо бессмысленные прожекты, неспособные работать в принципе.

Тип I: научная фантазия

Тип I, экспонат 1: орион-привод

Первые десятилетия после Второй мировой войны были крайне бурной эпохой в истории техники. Стремительное развитие новых технологий сочеталось со своеобразным отношением к технике безопасности и безудержным оптимизмом в отношении технического прогресса. Космические агентства рисовали планы баз на Луне, планировали полет к Марсу, а многие инженеры были уверены в том, что ракетный двигатель — это стремительно устаревающее изобретение, на смену которому нужно нечто более мощное.

А что в те годы ассоциировалось с мощью и энергией? Конечно, ядерные реакции. В 1950-е годы американцы ездили в специальные турпоездки — смотреть на настоящие ядерные взрывы во время испытаний. Энергия ядерного распада завораживала всех, в особенности инженеров, поэтому идея использовать ядерную бомбу для разгона космического корабля казалась лежащей на поверхности.

Читайте также: Яркие воспоминания. Игры с плутониевыми мячами, ремонт реактора голыми руками и другие страшные истории об атомной юности человечества

27 августа 1957 года, готовя очередной ядерный взрыв (предыдущий провели четыре дня назад), американские исследователи решили посмотреть, что произойдет со стальной плитой, если закрыть ей шахту с зарядом. В 22:35 бомбу мощностью 300 тонн в тротиловом эквиваленте подорвали, и плита массой более ста килограммов исчезла. На одном кадре со скоростной киносъемки ее видно, а на последующем уже нет: по грубым оценкам, она летела со скоростью в 66 км/с — вполне достаточно для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему, если только удастся преодолеть сопротивление атмосферы (на такой скорости столкновение с воздухом принципиально не сильно отличается от попадания в бетонную стену).

Ядерный взрыв, устроенный в рамках тех испытаний. Правда, улетающей в неведомую даль крышки не видноNational Nuclear Security Administration / Nevada Site Office

Раз тяжелую крышку люка можно отправить в космос, то почему бы не запустить таким же образом космический корабль? Просто взрывать у него за кормой ядерные бомбы, закрывая корабль достаточно толстым стальным диском... Эту идею довели до предварительного эскизного проекта. Из него следует, что корабль массой 100 тысяч тонн (против 0,417 тысячи тонн у МКС) сможет долететь до проксимы Центавра за 133 года, потратив в процессе 300 тысяч ядерных бомб мощностью одна мегатонна каждая. Даже на пике гонки вооружений суммарное число ядерных боеприпасов на Земле, правда, было заметно меньше, но авторы идеи и не настаивали на немедленной реализации своего детища.

Бюджетный вариант ядерно-взрывного космолета предполагал всего 4000 тонн массы и скромный запас в 800 ядерных зарядов по 140 тонн в тротиловом эквиваленте. Таким сравнительно простым способом изобретатели предлагали доставить 800 тонн на орбиту Марса, а потом еще и вернуться обратно. Сарказма в словах «бюджетный» и «скромный», кстати, не так уж много, ведь полет с такой полезной нагрузкой на традиционных двигателях не по силам и современной космонавтике.

Рисунок, изображающий корабль с орион-приводомNuclear Pulse Space Vehicle Study Vol III — Conceptual Vehicle Designs and Operational Systems, Fig 2.1, pp 4

Другое дело, что и ядерное оружие в космосе размещать запрещено, а надежность всей системы вызывает вопросы. Проект «Орион» не продвинулся дальше испытаний небольшой модели — на Земле и с обычной взрывчаткой.

Тип I, экспонат 2: солнечный парус и лазер

Солнечный парус — на сегодня вполне реальный, хотя и экзотический, двигатель для космических аппаратов. В его основе лежит эффект давления света: поток фотонов (например, солнечный луч), отражаясь от блестящей поверхности, толкает корабль прочь от Солнца. Таким образом уже удавалось по меньшей мере экономить топливо во время реальных полетов (начиная с «Маринера-10» в 1970-х) и запускать демонстрационные аппараты (например, японский IKAROS).

Японский солнечный парусник IKAROS. Запущен в 2010 году к ВенереAndrzej Mirecki / Wikimedia

Солнечный парус эффективен при достаточно большой площади и хорошем освещении, которое возможно лишь на небольшом расстоянии от Солнца. При определенных условиях подобное устройство могло бы забросить космический аппарат на окраины Солнечной системы быстрее, чем любой из имеющихся в распоряжении инженеров двигатель, набрав без затрат топлива сотни километров в секунду. Поэтому это не столько фантастика, сколько перспективное направление для развития технологий.

Но можно пойти еще дальше. Ведь у нас теперь есть кое-что получше солнечных лучей — например, мощные лазеры.

Лазеры, установленные на Земле (а лучше там, где нет атмосферы, хотя бы на Луне) могут светить в парус и толкать его вперед гораздо сильнее, чем Солнце. Так стартовал вымышленный космический корабль в романе «Фиаско» Станислава Лема, так предлагается посылать межзвездные зонды к проксиме Центавра в проекте Breakthrough Starshot. Этот проект инициирован фондом Юрия Мильнера, который уже раздал значительное число премий в области физики, но дело пока не продвинулось дальше общих концепций. Авторы идеи предполагают, что лазерное ускорение позволит долететь до проксимы всего за 20 лет, однако речь идет не о больших кораблях, а зондах массой всего один грамм.

Реализуемость проекта тоже вызывает вопросы, хотя он не нарушает фундаментальных законов физики. Например, Breakthrough Starshot нужна зеркальная поверхность, которая не расплавится за десять минут под действием лазерного излучения мощностью в несколько гигаватт на квадратный метр.

Тип I, экспонат 3: термоядерный прямоточный двигатель

Космическая среда не является абсолютным вакуумом даже в межзвездном пространстве. На каждый кубический сантиметр межзвездного пространства приходится по меньшей мере с десяток атомов водорода, причем в форме ионов — следовательно, космическую среду можно рассматривать как очень разреженную плазму.

А плазма, как известно, взаимодействует с магнитным полем. Собрав большую систему магнитов, эту плазму можно сфокусировать в более плотный комок и затем поджечь в ней термоядерную реакцию, основанную на слиянии атомов водорода. Термоядерная реакция, в свою очередь, даст энергию для дальнейшего ускорения плазменной струи и, соответственно, формирования реактивной тяги.

Корабль с прямоточным двигателем БассардаИзображение: NASA

Идея межзвездного магнитно-плазменно-термоядерного привода с 1960 года (тогда эту мысль сформулировал американский физик Роберт Бассард) развивалась исключительно теоретически, и многие ученые указали на ряд ее слабых мест. Например, такой привод будет за счет взаимодействия с межзвездной средой испытывать значительную тормозящую силу, а еще он неэффективен на низких скоростях. Сугубо гипотетически при хороших условиях (например КПД в 100% и площади магнитной воронки в миллион квадратных километров) такой корабль мог бы слетать к проксиме лет за пятьдесят, но, как отмечается в одной из недавних публикаций, это «реализуемо силами высокоразвитой цивилизации». К которой мы пока что не относимся. 

Тип II: научная фантастика

Описание проектов выше может произвести впечатление их полной фантастичности, однако это не так. Ядерные бомбы для орион-привода, лазеры и даже термоядерные реакторы (ок, последние в виде прототипа, который пока строится) люди делать умеют. Да, от лазерной указки до массива космических лазеров может пролегать внушительная дистанция, но принципиально во всем перечисленном выше нет ничего невозможного. А смартфон, с которого вы читаете этот текст, еще на памяти вашей прабабушки был абсолютно невероятен с инженерной точки зрения. Шутка ли, вместить радиостанцию, счетную машинку, кинопроектор и под миллиард радиодеталей в карманном устройстве!

Читайте также: Полтора века истории радио за четыре шага. От уравнений и лампового звука к компьютерам и смартфонам

Поэтому во вторую группу мы включили действительно фантастические проекты.

Тип II, экспонат 1: гало-привод

Например, недавно американский астроном Дэвид Киппинг, вполне уважаемый ученый и специалист по экзопланетам, написал статью, где сформулировал концепцию ускорения межзвездного корабля за счет маневрирования у черной дыры.

Его «гало-привод» использует исключительно те эффекты, которые знакомы современной физике, и, более того, повторяет на новом уровне давно известную схему гравитационного маневра. Ее суть заключается в том, что разворот аппарата в гравитационном поле планеты принципиально не отличается от отскока мячика от стенки.

Разные сценарии пролета мимо планеты. Когда корабль тормозит или разгоняется после поворота, он обменивается импульсом с планетойRachelz9999 / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0

Суммарный импульс системы «аппарат + планета» сохраняется: подлетающий к планете корабль не просто разворачивает в нужную сторону — его скорость возрастает так, как если бы он спружинил и отскочил от движущейся навстречу стенки. Подобный маневр используют на практике с самого начала межпланетных полетов: «об планеты» разгонялась практически каждая миссия в дальний космос.

Полет «Вояджера-2», который по пути разгонялся об гравитацию планет-гигантовPhoenix7777 / Wikimedia

Киппинг добавил к классическому приему два момента. Он предложил использовать черную дыру для отталкивания в нужном направлении и написал, что разворот можно осуществлять без обычного движения в гравитационном поле — последнее вблизи черной дыры чревато разнообразными неприятностями вплоть до разрывания в клочья приливными силами. Ученый указал, что направленный под определенным углом мощный пучок света (снова лазеры, нам потребуется еще больше лазеров!) заворачивается вокруг черной дыры и возвращается обратно, поэтому можно взять тот же парус и посветить на самих себя.

Фундаментальные законы физики не нарушаются — корабль получает импульс не из пустоты, а от двигающегося навстречу массивного тела. Вот только где взять столь мощные лазеры, как эффективно справится с их излучением и как долететь до черной дыры?

Впрочем, сам Киппинг честно пишет, что лишь фантазировал о далеком будущем или гипотетических цивилизациях. И основным его занятием является изучение экзопланет, а не космические полеты.

Тип II, экспонат 2: фотонный двигатель

Любимое детище советской (и не только) фантастики. Прототип есть почти в каждом доме, а у автовладельцев таковых минимум два: фотонная ракета — это, в общем-то, фонарь-переросток. Схема действия проста: параболический отражатель собирает излучение от некоторого источника и направляет назад, и все тот же закон сохранения импульса толкает нас вперед к звездам. Соперничать с фотонным двигателем по части скорости создаваемой «реактивной струи» не может ничто, но это не делает его автоматически оптимальным решением.

Яркость источника света (или иного электромагнитного излучения) для создания мало-мальски разумной тяги должна быть запредельно высока. У Стругацких такие корабли летали за счет термоядерной реакции и использовали фантастически прочные суперэффективные зеркала, но для повторения этого в реальности требуются материалы, на фоне которых паруса проекта Breakthrough Starshot покажутся даже не фантиками от шоколадок, а вовсе рыбьей чешуей.

В «Стране багровых туч» космический корабль «Хиус» лихо взлетал с Земли, садился на Венере и затем не менее лихо стартовал прямо из болота в условиях сплошной облачности. Как при этом поддерживалась термоядерная реакция, неясно, и это меньшая из технических проблем: уже сейчас ясно, что ни к концу XX века, ни к концу XXI столетия мы такого не увидим.

Одним из возможных способов создать такой поток света кроется в использовании антиматерии, но и с ней у нас пока больше вопросов, чем ответов. Ее надо как-то получить, сохранить и контролируемо столкнуть с обычным веществом для аннигиляции. И не промахнуться с мощностью, ведь нужен двигатель, а не бомба.

Тип II, экспонат 3: варп-приводы в ассортименте

Когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), идея о деформируемом четырехмерном пространстве-времени быстро вышла за пределы узкого круга теоретиков. Все потому, что математики подумали, что раз уж это пространство-время можно мять, складывать и комкать, то почему бы во Вселенной не быть коротким путям из одного места в другое.

Порталы. Червоточины. Тоннели в гиперпространстве. За математиками за эту идею ухватились писатели, и еще в довоенные годы («Империя» Клиффорда Саймака, например) фантастическая проза стала пестрить межзвездными кораблями и телепортаторами. Потом к делу подключились сценаристы, и искривление пространства узнали даже те, кто никогда не интересовался космосом. Авторы, у которых в будущем человечества не упоминались проколы пространства-времени, стали редкостью: если уж не полноценный полет, то уж хотя бы сверхсветовая связь появлялась даже у ценителей реализма и упора на гуманитарную составляющую (хайнский цикл Урсулы Ле Гуин).

Разумеется, нашлись и те, кто попытался придумать реальный варп-привод (от to warp — искривлять). Например в 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре предложил концепцию устройства, которое сжимает пространство с одной стороны корабля и растягивает — с другой. Формально все законы физики были соблюдены, но вот затраты энергии на такую манипуляцию по самым оптимистичным оценкам потребуют «энергетического эквивалента массы Юпитера».

Проще говоря, нужно взять самую крупную планету Солнечной системы и полностью превратить ее массу в энергию. Тогда, возможно, нам и получится отправить куда-то аппарат массой аж 700 кг — правда, потребуется еще найти немного отрицательной массы. Все верно, нужно нечто такое, что имеет отрицательную массу. Где ее брать и существует ли она вообще, науке неизвестно. Проблему того, как быть с тем, что при торможении корабль Алькубьерре дает вспышку, выжигающую все перед собой, на этом фоне можно уже записать во второстепенные — сначала бы разогнаться, а там, возможно, и оружие против пришельцев потребуется.

Тип III: буйные фантазии

Фотонный двигатель и даже пузырь деформированного пространства вокруг корабля Алькубьерре могут быть нереализуемы в силу целого ряда физических эффектов. Но они хотя бы не посягают на основы: импульс и энергия сохраняются, пересмотра существующих физических теорий не требуется. Да, найти абсолютный отражатель или отрицательную массу затруднительно, но гипотетически они существовать могли бы: мы не знаем законов Вселенной, которое бы такое запрещали.

Двигатели второй группы столь же реальны, как единороги. Гипотетически лошадь с одним витым рогом жизнеспособна, но на практике их не существует. А вот третья группа собрала уже по-настоящему невозможные и сумасшедшие проекты.

Тип III, экспонат 1: EmDrive или ведро киловатт

Устройство под названием EmDrive дошло даже до испытаний, проводившихся китайскими и американскими исследователями. Автор, британский инженер Роджер Шойер, утверждает, что в замкнутой полости с медными стенками можно создать стоячую электромагнитную волну, которая как-то («за счет взаимодействия с виртуальной квантовой плазмой») создаст тягу без излучения вовне. По мнению тех физиков, которые разбирали теоретические построения Шойера, изобретатель просто противоречит сам себе, а серия опытов показала тягу в пределах погрешности опыта.

Рэндалл Монро, создатель комикса xkcd, по этому поводу выпустил стрип, который довольно точно передает мнение многих экспериментаторов: «Постойте, вы закачиваете в эту коробку 20 киловатт мощности и она лишь немного отклоняется в сторону?» Высокая электрическая мощность приводит к тому, что EmDrive действительно движется, но вовсе не за счет каких-то нетривиальных и способных работать в космосе эффектов. Так, при первой попытке испытать устройство его отклонил в сторону поток нагретого воздуха (20 киловатт — это десять масляных обогревателей на полной мощности), а при повторении опыта в вакуумной камере ученые обнаружили, что в дело вступает сила, обусловленная взаимодействием электрического тока в проводах с магнитным полем Земли. Исключать все возможные силы в сценарии «мы подключили мощную нагрузку» было делом весьма сложным, и некоторые исследователи даже заявили о выделении некоего непонятного эффекта, но ряд других ученых указал (1, 2) на то, что эксперименты все-таки не были проведены должным образом. В режиме, когда двигатель потреблял десятки ватт и разные побочные эффекты проявлялись не столь явно, EmDrive выдавал, по оптимистичным оценкам, считанные десятки микроньютонов. Это немногим больше силы комара, и зафиксировать такую тягу в лабораторных условиях весьма непросто.

Ученые, работавшие с EmDrive, лишний раз попрактиковались в постановке сложных и тонких опытов, но летательный аппарат это определенно двигать не может. Если бы микроволны в замкнутой полости и вправду могли давать такую тягу, которая способна поднять корабль на орбиту (а Шойер в итоге делал и такие заявления), то этот эффект наверняка бы заметили раньше. В конце концов, с микроволнами работают СВЧ-печи, радары, сотовые телефоны, Wi-Fi, и экспериментов в этой области поставлено предостаточно.

Тип III, экспонат 2: двигатель Леонова (не того, который космонавт)

Второе, еще более безумное, устройство недавно отметилось в российских профильных новостях. 11 марта «Военно-промышленный курьер» написал о том, что Роскосмос якобы составит техническое задание на испытание некоего «квантового двигателя», и ведомству срочно пришлось выпускать опровержение: дескать, мы ничего такого не заказываем и максимум готовы испытать то, что нам принесут.

Но даже формулировку «сформировано техническое задание на экспериментальную проверку достоверности тех явлений, о которых заявляет автор» ряд сторонних экспертов вроде Вадима Лукашевича (авиационный инженер по образованию и популяризатор космонавтики, создатель сайта, посвященного советским «Буранам») подверг резкой критике — может, следом Роскосмосу стоит испытать ковер-самолет или лампу Алладина? Ему вторил научный журналист и член комиссии РАН по борьбе с лженаукой Александр Сергеев, который счел само рассмотрение подобных заявок «позорным».

Принцип работы, по словам автора идея, Владимира Леонова, выглядит так:

Нами установлено, что по космическому пространству «разлита» колоссальная энергия в виде глобального электромагнитного поля с очень мелкой дискретностью (квантованностью), о котором ранее ничего не было известно. Это глобальное поле открыто мной в 1996 году как пятая фундаментальная сила (суперсила) в виде сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ). Его носителем является квант пространства-времени (квантон), размеры которого на десять порядков меньше атомного ядра, но он концентрирует энергию, намного превышающую ядерную.

Эта риторика — сообщение о прорыве в области фундаментальной физики от самоучки, который при этом путается в базовых терминах («кварк» Леонова вовсе не то же самое, что «кварк» физиков; с «квантом» дела обстоят аналогично) — хорошо знакома многим секретарям научных заведений, получающих подобные предложения едва ли не ежедневно. Типаж таких изобретателей встречается в «Сказке о тройке» Стругацких:

Высочайшие достижения нейтронной мегалоплазмы! — провозгласил он. — Ротор поля наподобие дивергенции градуирует себя вдоль спина и там, внутре, обращает материю вопроса в спиритуальные электрические вихри, из коих и возникает синекдоха отвечания.

Сам изобретатель утверждает, что изобрел не только принципиально новый космический двигатель, но также реактор холодного термоядерного синтеза, антигравитационный лазер и объемное телевидение. Правда, все представленные им доказательства сводятся даже не к гипотетическим статьям (как у Алькубьерре), а к фотографиям, где пластиковые канализационные трубы, донышки от огнетушителей и ржавые водопроводные трубы собраны в различных причудливых сочетаниях. 

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы