Как лететь с Земли до звезд

Борис Штерн
«Троицкий вариант — Наука» № 22(316), 3 ноября 2020 года

Борис Штерн

Тема межзвездного перелета нереспектабельна для физика: это, скорее, область литературы, точнее, научной фантастики. Однако меня вдохновил пример Фримена Дайсона, который всю жизнь пускался во всякие нереспектабельные мероприятия (включая проект межзвездного корабля) и при этом более-менее сохранил свою репутацию. Собственно, я подошел к этой теме как раз через научную фантастику, написав книгу «Ковчег 47 Либра», дошедшую до довольно большой читательской аудитории (во многом благодаря пиратам). Теперь я попытался подойти к задаче чуть более серьезно и сделать ряд сопутствующих оценок хотя бы на коленке. Результаты изложил в виде серии коротких роликов, ради которых запустил свой канал на «Трубе».

Эти ролики мало кто смотрел (меньше 2000 просмотров). Наверно, стоит кратко изложить их содержание в виде тезисов для тех, кто предпочитает экономить время, хотя, конечно, в видео добавляется некая толика драматизма и веселья.

Названия подзаголовков соответствуют названиям роликов.

1. Зачем лететь

Есть сильное подозрение, что мы очень одиноки во Вселенной. Это уже обсуждалось в «ТрВ-Наука», причем в дискуссии участвовали очень серьезные люди. Оценки различались, но консенсус был очевиден: развитая жизнь на Земле появилась в результате цепи нескольких крайне маловероятных событий. Вероятно, жизнь, по крайней мере развитая выше уровня анаэробных бактерий, — редчайший феномен. Если бы Галактика кишела жизнью, в межзвездном перелете не было бы смысла. Но, скорее всего, мы будем одну за другой обнаруживать планеты, пригодные для жизни, но мертвые от сотворения.

Если это действительно так, земная жизнь уникальна и бесценна. Тогда у человечества появляется величайшая цель — распространить этот феномен, запустить цепь последовательных колонизаций планет и, значит, открыть для жизни перспективу на космологические времена. Вот для этого и надо прикинуть, возможен ли в принципе межзвездный перелет, причем такой, который может доставить жизнь через жуткую пропасть во много световых лет. Сколько именно световых лет потребуется преодолеть?

2. Куда лететь

К сожалению, ближайшая экзопланета — Проксима Центавра b — почти наверняка не пригодна для обитания, как и планеты системы Траппист-1, как и другие сравнительно близкие планеты у красных карликов. И не только потому, что они попадают в приливное замыкание (всё время смотрят одной стороной на звезду или световые сутки равны двум орбитальным периодам той планеты). Главная неприятность — огромная магнитная активность красных карликов. Проксима Центавра b получает дозу рентгена и потока ветра в сотни раз больше, чем Земля. Самое тяжелое — эрозия атмосферы (что и случилось с Марсом). Единственная защита — сильное магнитное поле, но вряд ли оно может существовать у медленно вращающейся планеты.

Для пригодных для жизни планет остается всего полтора звездных класса — G и яркая половина класса K (оранжевые карлики). Впрочем, таких звезд больше 10%. Из многотысячной коллекции «Кеплера» всего несколько планет находятся в их зоне обитаемости, все на расстоянии около тысячи световых лет от нас.

Дело в том, что против благоприятных земель работает очень сильный эффект селекции. «Кеплер» их в принципе видит, но он проработал по основной программе всего три с небольшим года. Этого недостаточно, чтобы уверенно зафиксировать земли с большим периодом обращения — надо накопить несколько транзитов, чтобы выделить сигнал от планеты. Тем не менее, народ сумел оценить величину эффекта селекции и выдал оценку: около 15–25% звезд класса G имеют землеподобные планеты в зоне обитаемости. Это значит, что ближайший аналог Земли у аналога Солнца находится от нас в 15–20 световых годах, а всего таких планет в Галактике больше миллиарда. Если мы хотим иметь некий выбор, надо заложиться на 30 световых лет. Как и за какое время можно долететь на такое расстояние без нарушения законов физики?

3. На чем лететь

— Не на антивеществе (эффективность производства ~ 10⁻⁹ и вряд ли может быть поднята выше 10⁻⁷).

— Не на гравитационных трюках типа warp engine или кротовой норы: они требуют экзотической материи с отрицательной плотностью энергии в немыслимых количествах.

— Не на новых неведомых физических законах. Новая физика, несомненно, появится, но она не будет иметь никакого отношения ни к средствам передвижения, ни к нашим масштабам вообще. Наши масштабы слишком хорошо изучены, интуиция подсказывает, что здесь не возникнет ничего радикально нового. Упование на будущие открытия сродни упованию на Господа, это отличный повод для отказа от умственных усилий в настоящем.

— Не на звездном парусе, разогнанном сверхмощными лазерами.

— Вряд ли корабли к звездам полетят на неуправляемом термоядерном синтезе (взрыволете). Кроме огромной минимальной массы у метода очень низкая эффективность из-за изотропного разлета продуктов взрыва. Перехватить можно лишь одну четверть импульса разлетающихся продуктов взрыва.

— Есть слабая надежда на управляемый термоядерный синтез, но не в дейтерий-тритиевом варианте, а с помощью реакции дейтерий — гелий-3. Там вместо нейтрона вылетает протон, и все продукты распада можно вытолкнуть в одном направлении. Увы, произведение требуемых температуры плотности и времени удержания для этой реакции на два порядка больше, чем у дейтерий-тритиевой. Поэтому надежда слабая.

— Лететь придется на старом добром уране (²³⁵U). Не потому что это очень эффективное топливо (энергетический выход 0,001 mc² против 0,004 mc² для термояда), а потому что это единственный более-менее реалистичный вариант. Проблем и здесь будет масса, но среди них, кажется, нет безнадежных.

4. Энергетика и сроки

Оптимальная скорость истечения рабочего вещества вычисляется по формуле \(V = c\sqrt{2\frac{E}{mc^2}КПД}\)  , где \(E\) — выделенная энергия, при том что в струю кинули вещество, которое эту энергию выделило. При КПД = 0,25 получаем скорость истечения 7000 км/с. Скорее всего, коэффициент полезного действия будет еще меньше, так как включает в себя неполное сгорание урана, потери при преобразовании энергии и потери в двигателе. Казалось бы, взяв топлива в 10 раз больше, чем весит корабль, можно развить скорость до 5% световой и направить к Альфе Центавра зонд, который долетит туда за время жизни человека — 80 лет.

Увы, не получится. Если зонд весит 10 т (сюда входит вес реактора, радиатора и двигателя), то при разгоне за 30 лет требуется мощность больше 10 ГВт, что само по себе проблематично, но главное — чтобы отвести эту энергию, требуется радиатор площадью 20 га (при минимальной температуре 500 К). Засада всегда находится в неожиданном месте! Поэтому приходится следовать принципу «тише едешь — дальше будешь».

Если срок перелета многократно превышает время человеческой жизни, то, казалось бы, спешить особо некуда. При умеренных параметрах перелета время путешествия за 30 световых лет с торможением составит около 3000 лет: полезная нагрузка порядка 100 т, мощность порядка 150 МВт, площадь радиаторов — 30 соток, тяга двигателей — несколько килограммов, при этом реактор и двигатели работают всё время. Не то чтобы совсем щадящий режим, но выглядит небезнадежно.

Такой срок ставит ограничение на состав пассажиров корабля: никаких активных живых организмов, только семена, споры и замороженные эмбрионы из нескольких клеток.

5. Дизайн и защита

Естественно, нет никакой нужды запихивать реактор, радиаторы и двигатель в один корпус. Это будет, скорее, длинный караван на ниточке: двигатель впереди, за ним в километре энергоблок и отдельно радиаторы, а позади, в десятках километров, — полезная нагрузка. Может быть, еще какие-то «бусинки». Вес «ниточки» при ничтожном ускорении всей системы проблем не представляет, зато отпадает проблема излучения реактора. Но не отпадает проблема космических лучей.

За 3000 лет перелета космические лучи убьют на корабле всё живое за исключением каких-нибудь особо резистивных спор. Нужна защита, именно магнитная, поскольку пассивная защита из вещества неэффективна или же безумно тяжела. Если поместить полезную нагрузку в сверхпроводящий соленоид с магнитным полем, скажем, 10 Тл, радиусом 12 м, то он срежет поток космических лучей с энергией до примерно 20 ГэВ (нужен сверхпроводник примерно на 30 К, поскольку равновесная температура в открытом космосе порядка 20 К). Берем спектр космических лучей выше 20 ГэВ, интегрируем и получаем интенсивность излучения около 0,1 мкЗв/ч — это меньше естественного радиоактивного фона на Земле. Однако за 3000 лет полета всё равно набирается ощутимая доза — 1,6 Зв. С семенами растений и простыми организмами нет проблем: семена всходили, а нематоды оживали после многих тысяч лет пребывания в мерзлоте, где они накопили гораздо большую дозу. Но что произойдет при этом с эмбрионами млекопитающих, я не знаю.

А нельзя ли сделать соленоид гораздо больше, чтобы еще снизить фон? Здесь еще одна засада — прочность материала на разрыв. Магнитное поле будет распирать соленоид, при R = 12 м и Н = 12 Тл сила будет около 6 т на погонный сантиметр обмотки или 10 000 т на всю длину. Чтобы удержать такую силу, нужны тонны самого прочного материала. Но всё равно это гораздо легче пассивной защиты.

Получается, что мощность защиты ограничена и слишком медленно лететь нельзя. Но все-таки есть зазор в параметрах перелета, когда он возможен, хотя и близок к пределу. При расстоянии до ближайших гостеприимных планет, скажем, в сто световых лет этот зазор закрывается.

6. Что там делать

Оптимальная цель — планета с жидкой водой на поверхности и с азотной атмосферой с примесью СО₂. Кислорода там не будет. Значит, надо заняться обустройством планеты (отвратительное слово «терраформирование» предпочитаю не употреблять). Всё, что надо, могут сделать бактерии, а за ними — растения. Тут есть еще одна засада — неокисленное железо. На Земле оно больше миллиарда лет пожирало большую часть биогенного кислорода. Но у нас благодаря эволюции есть гораздо более эффективные организмы, будут и ГМО, еще более мощные по части выделения кислорода, поэтому не придется ждать миллиард лет, но, скорее всего, тысячи лет ждать придется.

Поэтому высокоразвитая жизнь должна быть либо послана вторым кораблем через тысячи лет (если те, кто послал первый корабль, доверяют далеким потомкам), либо дожидаться своей очереди тысячи лет в жидком азоте (если далеким потомкам не доверять, что надежней).

«Активация» первой очереди простых организмов проблем не представляет, выращивание высших животных требует искусственного интеллекта, намного превышающего современный, но это как раз то направление, в котором эволюция еще не закончилась.

Есть масса других узких мест — видимых и пока что скрытых. В целом проблема межзвездного перелета захватывающе интересна, хотя интерес этот пока что чисто академический. Однако можно надеяться, со временем он перестанет быть таковым. Тут такой букет междисциплинарных задач! Собственно, я и пытаюсь, публикуя эти тезисы, записывая ролики, сочинив фантастический роман, подогреть интерес к проблеме, будь она пока хоть трижды академической. Все-таки цель, несмотря на свою отпугивающую сложность, остается великой.