Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

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 (М_к) массы корабля:

М₀/М_к = [1+ v_max/c /1- v_max/c]c/2v_gas,

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 v_g/c ~ 0,1? 0,13.

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

М₀/М_к? ev_max/v_gas

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 v_max = 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 v_g/c = 1, где роль истекающего газа играет свет. На его основе рассмотренный полет 100 тонной кабины в режиме двойного разгона-торможения при v_max/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…