Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
ЗВЕЗДОЛЕТЫ
нии также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой
пушке смертельны для людей ; человеческие кости просто не
выдержат подобного ускорения и разрушатся.
Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы,
снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет
испытывать громадные перегрузки, способные повредить и
деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка — антипод лазерного паруса, который набирает
скорость постепенно в течение долгого времени . Ограничения
рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию .
Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам , стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так,
один из проектов предусматривает строительство в открытом
космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстоя ния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную
энергию , а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную
полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света .
При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые
корабли-роботы .
Опасности космического путешествия
Конечно, космическое путешествие — не загородный пикник.
В пилотируемых полетах к Марсу или еще дальше человека
поджидают страшные опасности . Миллионы лет жизнь на Земле развивалась под надежной защитой: озоновый слой предохраняет планету от ультрафиолетовых лучей, магнитное поле
защищает от солнечных вспышек и космической радиации , а
толстая атмосфера прикрывает от метеоров, которые успева-
241
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
ют сгореть в ее толще. Умеренные температуры и колебания
атмосферного давления кажутся нам естественными. Но в глубоком космосе нам придется лицом к лицу столкнуться с тем
фактом, что б льшая часть Вселенной находится в состоянии
хаоса; придется столкнуться со смертельно опасными радиационными поясами и метеоритными роями.
Первая проблема продолжительного космического путешествия, которую необходимо решить, — это невесомость.
Проведенные русскими долговременные исследования невесомости показали, что тело человека в космосе теряет необходимые для жизни минералы и химические вещества гораздо
быстрее, чем ожидалось. Не спасает даже жесткая программа
физических упражнений: после года на орбитальной станции
кости и мышцы русских космонавтов так атрофируются, что
после возвращения на Землю они оказываются в состоянии
только ползать, как младенцы, и то с трудом
5
. Похоже, что
непременными следствиями продолжительного пребывания
в невесомости во время космического перелета являются
атрофия мышц, изнашивание опорно-двигательной системы,
снижение уровня производства красных кровяных телец, снижение иммунного ответа, ослабление сердечно-сосудистой
деятельности.
Полет к Марсу, который может продлиться от нескольких
месяцев до года, находится у самого предела выносливости наших астронавтов. В длительных полетах к ближайшим звездам
эта проблема может оказаться фатальной. Возможно, ради сохранения жизни экипажа звездолетам будущего придется вращаться, создавая за счет центробежных сил искусственное тяготение . Такое требование сильно усложнит проектирование
и поднимет стоимость звездолета.
5 Это сильное преувеличение. Да, после годового или даже полугодового
полета человеку трудно сразу встать и пойти, да и не стоит этого делать,
но уже через несколько дней навыки восстанавливаются как у русских,
так и у американских космонавтов, тем более что они уже 13 лет летают
вместе. — Прим. пер.
242
ЗВЕЗДОЛЕТЫ
Вторая проблема заключается в том, что из-за присутствия
в пространстве метеоритов , движущихся со скоростями в десятки километров в секунду, придется, возможно, оборудовать
космические корабли дополнительной защитой . Тщательное
обследование корпуса шаттлов выявило признаки попадания
нескольких крошечных, но чреватых смертельной опасностью
метеоритов. Очень может быть, что на космических кораблях
будущего придется устраивать специальное помещение для
экипажа и снабжать его двойной защитой.
Уровень радиации в глубоком космосе гораздо выше, чем
предполагалось ранее. Так, за время 11-летнего цикла солнечные вспышки способны послать к Земле громадное количество
смертельно опасной плазмы . Именно это явление не раз вынуждало астронавтов на космической станции искать дополнительной защиты против потенциально опасного налета суб атомных
частиц, а прогулка в открытом космосе в такой момент была
бы смертельной. (Даже во время обычного трансатлантического перелета из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк, к примеру, мы
подвергаемся действию излучения интенсивностью примерно
1 мбэр/ч. За время перелета каждый пассажир получает почти
такую же дозу радиации, как при рентгеновском снимке зуба.)
В глубоком космосе, где нас уже не защищают ни атмосфера
Земли, ни ее магнитное поле , радиация может превратиться
в серьезную проблему .
Временное прекращение жизненных функций
Что бы мы ни говорили о полете к звездам, какие бы проекты
ни разрабатывали, одно обстоятельство остается неизменным:
даже если мы сумеем построить звездолет, на дорогу до ближайших звезд нам потребуются десятилетия, а то и столетия.
Для подобного полета потребуется несколько поколений экипажа, и к месту назначения доберутся лишь потомки тех, кто
отправился в путь.
243
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Одно из решений этой проблемы, фигурирующее в таких
фильмах, как «Чужой» и «Планета обезьян», — подвергнуть
космических путешественников анабиозу ; это означает осторожно и медленно снизить температуру тела до такого уровня,
на котором почти прекращается отправление всех жизненных
функций. Некоторые животные проделывают подобную операцию каждый год во время зимней спячки. Некоторые рыбы и
лягушки спокойно вмерзают в лед, а потом, когда температура
повышается, оттаивают и оживают.
Биологи, занимавшиеся изучением этого интересного явления, считают, что такие животные способны создавать в своем теле естественный «антифриз», который заметно снижает
температуру замерзания воды . У рыб таким естественным антифризом служат определенные протеины, у лягушек — глюкоза.
Обогатив кровь этими протеинами, рыба может жить зимой в
Арктике при температуре –2 °С. Лягушки развили у себя способность поддерживать высокий уровень глюкозы, предотвращая таким образом формирование ледяных кристаллов . Снаружи их тела могут казаться промороженными насквозь, но на
самом деле внутри они не промерзают; все органы сохраняют
способность функционировать, хотя и в замедленном темпе.
Но с млекопитающими все далеко не так просто. При промерзании человеческого тела внутри клеток начинают формироваться кристаллы льда. По мере роста они протыкают и разрушают стенки клетки. (Возможно, знаменитостям, которые
захотели сохранить свои головы и тела после смерти замороженными в жидком азоте, следовало бы еще раз задуматься.)
Тем не менее в последнее время наметился некоторый
прогресс в работе с млекопитающими, которые в природе не
впадают в спячку, — с такими животными , как мыши и собаки.
В 2005 г. ученые из Университета Питсбурга сумели вернуть к
жизни собак после того, как из них полностью выкачали кровь
и заменили ее на специальную очень холодную жидкость. Проведя в состоянии клинической смерти три часа, собаки ожили,
244
ЗВЕЗДОЛЕТЫ
как только им снова запустили сердца. (Хотя большинство собак после этой процедуры остались здоровыми, у некоторых
мозг оказался поврежден.)
В этом же году ученые поместили мышей в камеру, заполненную сероводородом и успешно снизили на 6 часов температуру их тел до 13 °С. Скорость метаболизма мышей упала в
десять раз. В 2006 г. доктора из Главного массачусетского госпиталя в Бостоне ввели мышей и свиней в состояние замедленной жизнедеятельности, или анабиоза, также при помощи
сероводорода.
В будущем подобная процедура, вполне возможно, станет
спасать жизнь пострадавшим в серьезных катастрофах или от
сердечного приступа, т. е. в тех случаях, когда дорога каждая
секунда. Не исключено, что анабиоз даст врачам возможность
«останавливать время », а пациентам — дождаться необходимой помощи. Но пройдут десятилетия, прежде чем эту методику
можно будет применить к астронавтам-людям, тем более что
им, возможно, придется провести в состоянии анабиоза не одно
столетие.
Нанокорабли
Существует еще несколько способов, пока не опробованных
и известных лишь в теории, которые в принципе могут дать
нам возможность добраться до звезд. Одно из многообещающих предложений — отправить к звездам беспилотные зонды, созданные с применением нанотехнологий . Все предыдущее обсуждение основывалось на предположении о том, что
звездо леты непременно должны быть чудовищными машинами, потребляющими громадные количества энергии и способные нести к звездам большой экипаж; примерно так выглядит
звездо лет «Энтерпрайз» в сериале «Звездный путь» .
Но гораздо более реальным представляется другой путь
развития. Разумнее, вероятно, сначала отправить к далеким
245
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
звездам миниатюрные зонды со скоростями, близкими к скорости света . Как мы уже упоминали, в будущем , с развитием
нанотехнологий , должна появиться возможность создавать
крошечные космические корабли , в состав которых войдут машины атомного и молекулярного размеров. К примеру, ионы
обладают чрезвычайно малой массой, поэтому их можно без
труда разогнать до скорости, близкой к скорости света , для
этого будет достаточно обычной сети электропитания, какую
можно найти в любой лаборатории. Чтобы отправить в космос
ионы на почти световой скорости, не нужно строить гигантские реактивные ракеты , достаточно разогнать их при помощи
мощного электромагнитного поля . Это означает, что, если поместить ионизированный нанобот в электрическое поле, его
можно без труда разогнать до околосветовой скорости. После
этого нанобот уже самостоятельно отправится к звездам, ведь
в космосе нет трения и тормозить его будет нечему. Таким способом решаются многие проблемы, неизбежные для крупных
звездолетов . Не исключено, что отправить к ближайшим звездам беспилотные умные корабли-наноботы окажется многократно дешевле, чем строить и запускать громадный звездолет
с экипажем людей.
Нанокорабли можно направить к ближайшим звездам
или, как предложил Джеральд Нордли , отставной инженер
ВВС в области астронавтики, использовать для создания давления на солнечный парус и дополнительного его разгона.
Нордли говорит: «Если целое созвездие кораблей размером с
булавочную головку будет лететь строем и поддерживать между собой связь, их можно будет разгонять буквально карманным фонариком».
Но и у нанозвездолетов могут обнаружиться свои проблемы. Так, в открытом космосе они могут сбиться с курса от
воздействия электрических и магнитных полей . Чтобы предотвратить это, их придется заранее, еще на Земле, заряжать до
высокого потенциала; в этом случае их будет не так-то просто
246
ЗВЕЗДОЛЕТЫ
сбить с пути. Во-вторых, нам, возможно, придется послать не
один миллион кораблей-наноботов, чтобы хоть горстка их могла гарантированно долететь до цели. Может показаться, что
отправлять на исследование ближайших звезд целые рои нанозвездолетов очень расточительно, но звездолеты эти должны
быть дешевыми, а массовое автоматическое производство, вероятно, позволит выпускать их миллиардами; при этом до цели
долетит лишь малая часть запущенных наноботов.
Можно ли сказать, как примерно будут выглядеть нанокорабли? Дэниел Голдин , бывший глава NASA , представлял себе
флотилии космических кораблей размером с банку кока-колы.
Другие говорили о кораблях размером с иголку. Пентагон изучает возможность создания «умной пыли » — мелких пылевидных устройств с крохотными датчиками, которые можно было
бы распылять над полем боя, чтобы непрерывно снабжать
командиров достоверной информацией. Не исключено, что в
будущем такую «умную пыль» можно будет послать к ближайшим звездам.
Скорее всего, электрические схемы пылевидных наноботов будут изготовлены при помощи той же технологии
травления, которая используется в производстве полупроводников ; эта технология позволяет создавать электронные
компоненты размером не больше 30 нм, или приблизительно
150 атомов в поперечнике. Наноботы можно запускать с Луны
при помощи рельсовых пушек — или даже при помощи ускорителей частиц , которые без труда разгоняют элементарные
частицы до около световых скоростей. Наноботы должны быть
настолько дешевыми, что в космос их можно будет запускать
миллионами.
Добравшись до ближайшей звездной системы, наноботы
могли бы сесть на какую-нибудь пустынную луну. Гравитация на
ней небольшая, и наноботы смогут без труда садиться и взлетать.
На мертвой луне, как правило, ничего не происходит, а стабильная обстановка идеальна для создания оперативной базы. Обо-
247
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
сновавшись на спутнике, нанобот сможет построить из местных
материалов нанофабрику и соорудить мощную радиостанцию,
способную направить мощный луч и передать информацию
на Землю. Нанофабрика может быть также рассчитана на производство миллионов копий самого нанобота для подробного
исследования этой звездной системы и полета к ближайшим
звездам. Таким образом, процесс повторится. Автоматическим
звездолетам нет нужды возвращаться обратно; им достаточно
передать на Землю собранную информацию.
Только что описанный нанобот иногда еще называют зондом фон Неймана в честь прославленного математика Джона
фон Неймана, который разработал математический аппарат
самовоспроизводящейся машины Тьюринга . В принципе такие самовоспроизводящиеся космические корабли-наноботы
способны исследовать всю Галактику, а не только близлежащие
звезды. Со временем могла бы образоваться сфера из триллионов таких роботов , которые экспоненциально размножались
бы по мере увеличения радиуса сферы; расширение сферы при
этом шло бы с околосветовой скоростью. За несколько сотен
тысяч лет наноботы внутри этой расширяющейся сферы колонизировали бы всю Галактику.
Очень серьезно к идее нанозвездолетов относится, к примеру , инженер-электрик Брайан Гилкрист из Университета Мичигана. Недавно он получил от Института перспективных концепций NASA грант размером 500 000 долл. на проработку идеи
строительства нанокораблей с двигателем не крупнее бактерии.
Он рассчитывает использовать все ту же технологию травления,
заимствованную из полупроводниковой промышленности, для
создания флотилии из нескольких миллионов нанокораблей.
Двигаться эти корабли будут за счет выбрасывания крошечных
наночастиц размером всего несколько десятков нанометров.
Эти наночастицы предполагается разгонять в электрическом
поле — точно так же, как делается в ионном двигателе. Но каждая наночастица весит в тысячи раз больше иона, поэтому и тяга
248
ЗВЕЗДОЛЕТЫ
у такого двигателя будет значительно больше, чем у обычного
ионного. Таким образом, двигатели нанокораблей будут обладать всеми преимуществами ионных двигателей , но значительно большей тягой. Гилкрист уже начал травить кое-какие детали
для своих нанокораблей. На данный момент ему удается разместить 10 000 отдельных «двигателей» на одном кремниевом
чипе размером в один сантиметр. Первоначально он планирует
разослать свою флотилию по Солнечной системе и таким образом проверить эффективность нанокораблей. Но со временем
они могут составить часть первой земной флотилии, которая
отправится к звездам .
Проект Гилкриста — одно из нескольких футуристических
предложений, которые в настоящее время рассматривает NASA.
После нескольких десятилетий бездействия NASA вновь обратилось к различным проектам межзвездных путешествий — от
вполне реальных до совершенно фантастичных. С начала 1990-х
NASA принимает у себя ежегодный Семинар по исследованиям
в области перспективных космических двигателей, во время
которого несколько команд серьезных инженеров и физиков
разбирают предложенные проекты по косточкам. Еще более
серьезные задачи ставит перед собой программа прорывных физических принципов, цель которой — исследовать загадочный
мир квантовой физики в приложении к идее межзвездных путешествий. Ученые не пришли к единому мнению, но по большей
части их усилия сосредоточены на самых успешных и продвинутых на данный момент проектах: лазерных парусах и различных
вариантах термоядерных двигателей.
Учитывая медленное, но верное продвижение в разработках космических аппаратов, разумно предположить, что первый беспилотный зонд того или иного сорта может отправиться к ближайшим звездам еще в этом столетии или, возможно,
в начале следующего, а значит, путешествие к звездам следует
классифицировать как невозможность I класса.
249
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Однако самый многообещающий, возможно, вариант
звездного корабля предполагает использование антивещества .
В настоящий момент этот проект больше напоминает научную
фантастику , но не будем забывать, что антивещество уже получено на Земле; не исключено, что когда-нибудь такой звездолет
станет самым перспективным вариантом для отправки к звездам первой настоящей экспедиции.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]