Forbes назвав перспективні технології для міжзоряних польотів

З тих пір, як людина вперше глянув в нічне небо, ми мріємо відвідати інші світи і побачити Всесвіт, пише для Forbes

І хоча наші ракети на хімічному паливі вже досягли безлічі планет, лун і інших тіл Сонячної системи, космічний апарат, що віддалився на найбільшу відстань від Землі, Вояджер 1, подолав лише 22,3 мільярда кілометрів. Це всього лише 0,056% відстані до найближчої відомої нам зоряної системи. При використанні сучасних технологій шлях до іншої зоряної системи займе близько 100 тисяч років.

Однак немає ніякої необхідності діяти так, як ми робили завжди. Ефективність відправки апаратів з великою масою корисного навантаження, навіть з людьми на борту, на безпрецедентні відстані у Всесвіті, можна значно підвищити, якщо використовувати правильні технології. Якщо говорити точніше, існують чотири перспективні технології, здатні доставити нас до зірок за набагато менший термін. Ось вони.

1). Ядерні технології. До теперішнього моменту в людській історії все апарати, запущені в космос, мають одну спільну рису: двигун на хімічному паливі. Так, ракетне паливо - це особлива суміш хімічних речовин, покликана забезпечити максимальну тягу. Тут важливо словосполучення «хімічні речовини». Реакції, що дають енергію двигуну, спираються на перерозподіл зв'язків між атомами.

Це в корені обмежує наші дії! Переважна більшість маси атома доводиться на його ядро - 99,95%. Коли починається хімічна реакція, що обертаються навколо атомів електрони перерозподіляються і зазвичай виділяють у вигляді енергії близько 0,0001% від загальної маси атомів, що беруть участь в реакції, згідно знаменитому рівняння Ейнштейна: E = mc2. Це означає, що на кожен кілограм маси палива, яке завантажується в ракету, під час реакції ви отримуєте енергію, еквівалентну приблизно 1 міліграму.

Однак, якщо використовувати ракети на ядерному паливі, ситуація буде різко відрізнятися. Замість того, щоб спиратися на зміни в конфігурації електронів і зв'язках атомів один з одним, ви можете вивільнити порівняно величезна кількість енергії, впливаючи на те, як пов'язані ядра атомів між собою. Коли ви розщеплює атом урану, бомбардуючи його нейтронами, він випромінює набагато більше енергії, ніж будь-яка хімічна реакція. 1 кілограм урану-235 може виділити кількість енергії, еквівалентну 911 мілілітрах маси, що майже в тисячу разів ефективніше, ніж хімічне паливо.

Ми могли б зробити двигуни ще ефективніше, якби оволоділи ядерною синтезом. Наприклад, системою инерциального керованого термоядерного синтезу, за допомогою якого можна було б синтезувати водень в гелій, така ланцюгова реакція відбувається на Сонці. Синтез 1 кілограма водневого палива в гелій перетворить 7,5 кілограмів маси в чисту енергію, що майже в 10 тисяч разів ефективніше, ніж хімічне паливо.

Ідея в тому, щоб отримати однакову прискорення для ракети на значно більший період часу: в сотні або навіть тисячі разів довше, ніж зараз, що дозволило б розвинути в сотні або тисячі разів більшу швидкість, ніж звичайні ракети зараз. Такий метод скоротив би час міжзоряного польоту до сотень або навіть десятків років. Це перспективна технологія, якої ми зможемо скористатися вже до 2100 року, в залежності від темпів і напрямки розвитку науки.

2). Пучок космічних лазерів. Ця ідея лежить в основі проекту «Breakthrough Starshot», який отримав популярність кілька років тому. За прийшли роки концепція не втратила привабливості. Тоді як звичайна ракета несе паливо з собою і витрачає його на прискорення, ключова ідея цієї технології - пучок потужних лазерів, які додадуть космічному кораблю необхідний імпульс. Іншими словами, джерело прискорення буде відділений від самого корабля.

Ця концепція одночасно і захоплююча, і в багатьох сенсах революційна. Лазерні технології успішно розвиваються і стають не тільки більш потужними, але і високо коллімірованним. Виходить, якщо ми створимо схожий з вітрилом матеріал, який буде відображати досить високий відсоток лазерного світла, можна буде використовувати лазерний постріл, щоб космічний корабель розвинув колосальні швидкості. «Зореліт» масою ~ 1 грам бути досягне швидкості ~ 20% швидкості світла, що дозволить йому долетіти до найближчої до нас зірки Проксіми Центавра всього за 22 роки.

Звичайно, для цього ми повинні будемо створити величезний пучок лазерів (близько 100 км2), і зробити це потрібно в космосі, хоча тут більше проблема у вартості, а не в технологіях або науці. Однак існує ряд проблем, які потрібно подолати, щоб бути здатними здійснити такий проект. Серед них:

- нічим не підтримуваний вітрило буде обертатися, потрібно якийсь (неопрацьований ще) стабілізуючий механізм;

- відсутність можливості загальмувати, коли буде досягнута точка призначення, так як немає ніякого палива на борту;

- навіть якщо вийде масштабувати апарат для перевезення людей, людина не зможе вижити при величезному ускореніі- значному перепаді швидкостей за короткий проміжок часу.

Можливо, коли-небудь технології зможуть доставити нас до зірок, але успішного методу, як людині досягти швидкості рівній ~ 20% швидкості світла, поки не існує.

3). Паливо на основі антиматерії. Якщо ми все ж хочемо везти паливо з собою, можна зробити його найефективнішим з можливих: в його основі буде лежати анігіляція частинок і античастинок. На відміну від хімічного або ядерного палива, де тільки частина наявної на борту маси конвертується в енергію, анігіляція частинок і античастинок використовує 100% маси і частинок, і античастинок. Можливість конвертувати всі паливо в енергію, що йде на імпульс - вищий рівень ефективності палива.

У застосуванні цього методу на практиці за трьома основними напрямками виникають труднощі. конкретно:

- створення стабільної нейтральної антиматерії;

- можливість ізолювати її від звичайної матерії і точно її контролювати;

- виробляти антиматерію в досить великих кількостях, необхідних для міжзоряного польоту.

На щастя, над першими двома проблемами вже працюють.

У Європейській організації з ядерних досліджень (CERN), де розташований Великий адронний коллайдер, є величезний комплекс, відомий як «фабрика антиматерії». Там шість незалежних команд вчених досліджують властивості антиматерії. Вони беруть антипротона і уповільнюють їх, змушуючи позитрон зв'язуватися з ними. Так створюються антиатоми або нейтральна антиматерія.

Вони ізолюють ці антиатоми в ємності з мінливими електричним і магнітним полями, які утримують їх на одному місці на відстані від стінок контейнера, зробленого з матерії. До теперішнього моменту, середина 2020 року, їм успішно вдалося ізолювати і підтримати в стабільності кілька антиатомів протягом години за раз. Протягом декількох наступних років вченим вдасться контролювати переміщення антиматерії в межах гравітаційного поля.

Ця технологія не буде доступна нам в найближчому майбутньому, але може виявитися, що наш найшвидший спосіб міжзоряних подорожей - ракета на антиматерії.

4). Зореліт на темної матерії. Цей варіант, безумовно, спирається на припущенні про те, що будь-яка частка, відповідальна за темну матерію, поводиться як бозон і є його власною античастинкою. В теорії темна матерія, що є власною античастинкою, має маленький, але не нульовий, шанс аннигилировать з будь-якої іншої зіткнулася з нею часткою темної матерії. Вивільнену в результаті зіткнення енергію ми потенційно можемо використовувати.

Існує можливе свідчення цьому. В результаті спостережень встановлено, що Чумацький шлях і інші галактики мають незрозумілий надлишок гамма-випромінювання, що йде з їх центрів, де концентрація темної енергії повинна бути найвищою. Завжди існує ймовірність, що цього є просте астрофізичної пояснення, наприклад, пульсари. Однак можливо, що це все ж темна матерія анігілює сама з собою в центрі галактики і тим самим дає нам неймовірну ідею - зореліт на темної матерії.

Перевага цього методу полягає в тому, що темна матерія існує буквально всюди в галактиці. Це означає, нам не доведеться везти паливо з собою в подорож. Замість цього «реактор» темної енергії може просто робити наступне:

- брати будь-яку темну матерію, яка перебуває поруч;

прискорювати її аннигиляцию або дозволяти їй аннигилировать природним шляхом;

- перенаправляти отриману енергію, щоб отримати імпульс в будь-якому бажаному напрямку.

Людина могла б контролювати розмір і потужність реактора, щоб досягти потрібних результатів.

При відсутності необхідності мати паливо на борту відпадуть багато з проблем космічних подорожей, керованих руховими установками. Замість цього ми будемо здатні досягти заповітну мрію будь-якої подорожі - необмежене постійне прискорення. Це дасть нам саму немислиму здатність - можливість досягти будь-якого місця у Всесвіті за час одного людського життя.

Якщо ми будемо обмежувати себе існуючими ракетними технологіями, то нам знадобиться як мінімум десятки тисяч років на подорож від Землі до найближчої зоряної системи. Однак значні просування в технології двигунів вже близькі, вони скоротять час у дорозі до одного людського життя. Якщо ми зможемо впоратися з використанням ядерного палива, пучка космічних лазерних променів, антиматерії або навіть темної матерії, ми виконаємо власну мрію і станемо космічної цивілізацією без використання порушують фізику технологій, таких як двигун викривлення.

Існує безліч потенційних способів перетворити науково обгрунтовані ідеї в здійсненні, реальні технології двигунів наступного покоління. Цілком можливо, що до кінця століття космічний корабель, який поки ще не винайдено, займе місце Нових горизонтів, Піонера і Вояджера як самих далеких від Землі рукотворних об'єктів. Наука вже готова. Нам залишилося зазирнути за рамки наших сьогоднішніх технологій і здійснити цю мрію.