Звездолеты на антиматерии

При этом ныне полным ходом идет разработка еще одного способа путешествий к звездам. Американцы разрабатывают MStar — проект аннигиляционного корабля, способного летать в 50 раз быстрее, чем нынешние межпланетные корабли и зонды. Как полагают исследователи, двигатели, использующие в качестве топлива антиматерию, могут обеспечить существенно лучшие энергетические параметры корабля, чем ядерные или термоядерные реакции. «Причем, в отличие от разнообразных „прокалывателей пространства и времени“, аннигиляционный двигатель вполне можно построить в ближайшие десятилетия», — уверяют современные ученые.

И их уверенность можно понять: теоретические и даже практические работы в этом направлении уже ведутся. Так, например, сотрудники Университета Пенсильвании в сотрудничестве с НАСА уже работают над проектами космических кораблей, использующих энергию аннигиляции.

Суть реакции аннигиляции, как известно, заключаются в следующем. Практически каждой элементарной частице соответствует ее античастица: например, электрон имеет отрицательный заряд, а вот позитрон — положительный. При этом, если столкнуть частицу с античастицей, происходит взрыв такой силы, что мало никому не покажется. Известно, к примеру, что в 0,1 г антивещества скрыто столько же энергии, сколько в топливных баках шаттла.

Дело за малым: получить антивещество, научится его хранить и использовать где и когда нужно.

^{Один из проектов звездолета на антиматерии}

Что до получения, то антиматерию уже успешно создают в таких лабораториях, как Fermilab в Чикаго и CERN в Швейцарии. Однако годовая наработка антивещества исчисляется в нанограммах (при цене 10 триллионов долларов за грамм). Понятное дело, этого крайне мало даже для лабораторных опытов, не говоря уже о межпланетных путешествиях.

Еще хуже обстоит дело с хранением. В наиболее простых магнитных ловушках антиматерию удается удерживать в лучшем случае несколько секунд… Правда, сравнительно недавно появились данные, что 100 миллиардов античастиц удалось сохранять уже в течение недели. А меньшее количество — так и вообще месяцы.

Конечно, этого мало для межпланетного, а тем более для межзвездного путешествия. Однако выход из положения все же есть. Сотрудники Университета Пенсильвании разработали два проекта звездолетов, в которых аннигиляция может быть использована совместно с ядерной и термоядерной реакциями. Такой гибрид, оказалось, сулит массу выгод. Например, выяснилось, что добавление небольшого количества антивещества в рабочую зону реакции расщепления позволяет намного полнее использовать потенциал традиционного ядерного (расщепляющегося) топлива. При этом, как оказалось, цепочки превращений адронов, мюонов и пионов протекают несколько иначе, повышая КПД процесса.

Первый тип двигателя, который использует этот эффект, называется Antiproton catalyzed microfission (ACMF), то есть «микрореакция расщепления катализируемая антипротонами». Его удельный импульс — 13,5 тысячи с. Много это или мало, можно судить по такому факту: срок перелета по маршруту Земля — Марс при использовании такого двигателя можно сократить в шесть раз.

При этом придуманному в Пенсильвании пилотируемому кораблю ICAN-II, оснащенному двигателем ACMF, для 40-суточного перелета к Марсу потребовалось бы всего 140 нг (нанограммов) антивещества и несколько тонн обычного ядерного горючего (урана). Такое количество антивещества уже можно было бы произвести в разумные сроки.

Миниатюрные ядерные заряды (размером с мячики для гольфа) подрывались бы в «камере сгорания» корабля совместно с микроскопическими количествами антивещества. При этом тяга, судя по расчетам, существенно бы возросла. И к Марсу можно было бы отправить 800-тонным корабль, груженный всем необходимым. Причем на красную планету десантировался бы спускаемый аппарат с традиционным химическим двигателем.

Такой же корабль двигателем ACMF способен доставить межпланетную экспедицию и к Юпитеру. При этом на все путешествие, включая дорогу туда и обратно, а также трехмесячное обследование самого Юпитера и его спутников, ушло бы 1,5 года.

Второй вариант гибридного аннигиляционного двигателя называется Antiproton Initiated Microfission/fusion (AIM). Здесь в зоне реакции идет и расщепление, и синтез, то есть используется и тремоядерная реакция. Главное горючее тут — дейтерий плюс тритий либо дейтерий плюс гелий-3. Удельный импульс AIM — 61 тысяча с.

На основе этого двигателя разработан эскизный проект беспилотного и сравнительно легкого (примерно 30–40 т) корабля AIMStar, который будет способен улететь на 10 тысяч астрономических единиц от Солнца и приблизиться к облаку Орта на окраине Солнечной системы всего за 50 лет, из которых пять лет уйдет на разгон. Максимальная скорость корабля составит 0,003 от скорости света, или 900 км/с. (Для сравнения — у нынешних ракет на жидком химическом топливе реально достижимая скорость 15–25 км/с). Причем для полета к границам нашей планетной системы зонду AIMStar потребуется от 30 до 130 мкг антивещества.

Ну а в дальнейшем, по мере накопления опыта по строительству «баков» для антивещества в виде криогенных электромагнитных ловушек, а также по мере накопления запасов самого антивещества, можно будет подумать и о посылке аннигиляционного корабля к звездам.

Звездные «зонтики»

Впрочем, посылка в иные миры термоядерного или аннигиляционного звездолета — не единственный способ прорваться к звездам. Международной группой ученых предложен оригинальный проект космического корабля «Старвисп» для полета к ближайшим к Земле звездам, сообщает английский журнал New Scientists. В основе этого проекта лежит известная идея об использовании на космических аппаратах в качестве движителя солнечного паруса, приводимого в действие давлением солнечного света. Новое в проекте заключается в том, что в качестве источника фотонов используется не Солнце, а мощные квантовые генераторы микроволнового или оптического диапазона.

Конструктивно «Старвисп» представляет собой парус-сетку шестиугольной формы размером 1 км и весом 20 г. Сетка состоит из большого количества шестиугольных ячеек из тончайшей проволоки. В узлах пересечения ячеек (таких пересечений больше 10 триллионов) расположены микросхемы, обладающие развитой логикой и образующие в целом суперкомпьютер параллельного действия. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечный фотоэлемент.

Ввиду своей хрупкости корабль «Старвисп» должен будет монтироваться в космосе, например за орбитой Марса или в окрестностях того же Юпитера.

«Двигатель» корабля представляет собой мазер, создающий луч микроволнового излучения мощностью 20 ГВт. Мазер устанавливается на спутнике, который в течение всего полета корабля остается на околоземной орбите. Питание мазера осуществляется от солнечных батарей, также размещенных на спутнике.

^{Система Эпсилон Эридана. Компьютерная модель НАСА}

Радиолуч, созданный мазером, фокусируется и направляется на корабль специальной системой типа линзы Френеля. Размер этой системы огромен — 50 тысяч км в поперечнике. Состоит она из чередующегося набора концентрических колец, сделанных из проволочных ячеек, и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подбираются таким образом, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, оказались в одной фазе в фокусе линзы. Микросхемы в узлах пересечения ячеек паруса управляют их электропроводимостью так, чтобы обеспечить максимальное отражение микроволнового излучения от паруса.

Сфокусированный на парусе луч приведет корабль в движение с ускорением 155 g. При таком ускорении, создаваемом в течение недели, корабль достигнет скорости, равной 20 % скорости света.

Через 17 лет корабль пройдет три четверти пути к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра, расстояние до которой составляет 4,3 светового года. Центр управления включит тогда радиолуч и направит его к кораблю. Этот луч достигнет корабль примерно через четыре года и переключит все 10 триллионов микросхем в режим работы фотоприемников. При этом образуется огромный искусственный «глаз», который сможет наблюдать объекты, находящиеся в системе звезды Проксима Центавра. Затем, используя синхронизирующие сигналы, заложенные в микроволновом излучении, парус переключится в режим работы в качестве антенны, с помощью которой получаемые изображения будут передаваться на Землю.

Для более тщательного обследования интересных объектов (в том числе и планет, если он и окажутся у звезды) предложен более тяжелый корабль «Старлайт» с улучшенной системой получения изображений и набором научного оборудования. Парус диаметром 3,6 км для этого корабля будет изготовлен из алюминиевой пленки толщиной 16 нм, которая отражает 82 % падающего на нее света. Масса паруса и собственно космического корабля составит 1000 кг.

Парус будет приводиться в действие излучением лазера мощностью 65 ГВт, который может размещаться или на околоземной орбите, или на близкой гелиоцентрической орбите, где плотность потока солнечного излучения больше. Среди возможных типов излучателей рассматриваются лазеры на двуокиси углерода с длиной волны 10,6 мкм или лазеры на йоде с солнечной накачкой с длиной волны 1,315 мкм.

Линза Френеля диаметром 1000 км для фокусировки и наведения луча на парус «Старлайта» разместится между орбитами Сатурна и Урана. Корабль под действием света получит ускорение 0,36 м/с (0,04 g). За три года воздействия такого лазерного излучения корабль приобретет скорость, равную 2 % скорости света, и удалится от Солнца на расстояние в 0,17 светового года. В тот момент, когда диаметр ускоряющего луча составит 3,8 км, лазер выключится.

Через 40 лет после старта корабль достигнет окрестностей звезды Проксима Центавра и с помощью бортовой научной аппаратуры начнет поиск планет вокруг звезды.

Для полета человека к более удаленным звездам, например к звезде эпсилон Эридана, находящейся на расстоянии 10,8 светового года, предлагается проект еще более тяжелого корабля «Супер Старлайт» массой 75 800 т. Его парус и линза Френеля должны иметь диаметр 1000 км.

Чтобы экипаж мог долетать до этой звезды и вернуться обратно в течение человеческой жизни, скорость корабля должна быть близка к скорости света. Если использовать связку лазеров мощностью 43 000 ТВт (43 х 1015 Вт), то можно придать кораблю ускорение, равное 1/6 g, и достичь за 1,6 года скорости 150 000 км/с, при которой полет до звезды займет 20 лет. На этой скорости начнут сказываться релятивистские эффекты (увеличение массы корабля на 13 % и растяжение времени для членов экипажа), а также доплеровский сдвиг частоты и энергии лазерного луча. И поэтому для того, чтобы обеспечить постоянство заданного ускорения к концу разгонного участка, необходимо будет увеличить мощность лазеров до 75 000 ТВт.

Парус корабля в начале полета будет состоять из трех концентрических колец: внешнего (диаметром 1000 км) тормозного кольца; промежуточного (диаметром 320 км) кольца встречи; внутреннего (диаметром 100 км) кольца возвращения (на нем будет находиться модуль экипажа).

Когда корабль подойдет к звезде на расстояние 0,4 светового года, от него отделится тормозное кольцо и отойдет вперед по полету от оставшейся части корабля, которая образует ступень встречи с планетой. Эта ступень развернется отражающей стороной от направления на Солнечную систему к тормозному кольцу, чтобы луч лазера (включенный опять за 10,4 года до этого момента и достигший теперь корабля) отразился от тормозного кольца и попал на ступень встречи. Этим обеспечится ее торможение до полной остановки за время воздействия луча, равное 1,6 года.

Таким образом, для достижения звезды Эпсилон Эридана потребуется 23,2 года по земным часам и 20,5 лет по бортовым.