МІЖЗОРЯНІ МАНДРІВКИ

(фрагмент роботи МАН моєї учениці)

Відомий девіз полярних дослідників і першопрохідців: «Боротися і шукати, знайти й не здаватися» цілком і повністю відноситься і до сучасної космонавтики.

По космічним міркам людська раса вельми тендітна і слаба: підвищення температури на 50 градусів, збільшення іонізуючого та ультрафіолетового випромінювання, відсутність води, зменшення кисню в атмосфері-все це веде до її неминучої  загибелі. І немає нічого дивного в тому, що людський розум став шукати можливість існування інших планет і з сприятливими для нашого життя умовами, щоб "розгорнути" на них резервне копіювання . Однак якщо планета і буде знайдена, питання транспортування залишається відкритим.

Мета моєї роботи - розглянути способи і перспективи міжпланетних і міжзоряних подорожей.

Рішення проблеми міжзоряних польотів вимагає величезних ресурсів енергії і пов’язане з винятковими труднощами. Для створення космічного апарату,спроможного в прийнятні терміни здійснювати такі польоти,може знадобитися кілька науково-технологічних революцій. Попри наявні труднощі,здійсненню міжзоряних польотів не перешкоджає жоден з відомих законів фізики. У разі суспільної потреби,що проблему буде рано чи пізно вирішено.

РОЗДІЛ 1

Види двигунів

Наявні сьогодні в розпорядженні людства технології не дозволяють космічним кораблям досягти навіть найближчої зірки на протязі одного людського життя. Наприклад, найближча до Сонця зірка - Проксіма Центавра - розташована на відстані 4,2 світлових роки. До Альфи Центавра (найближчої до нас зоряної системи, в яку входить і Проксима Центравра) 39000000000000 км. Сучасні космічні кораблі зможуть подолати цю відстань за 70 тисяч років. Стає зрозуміло, що ніхто з людей не здатен подолати такі відстані. Звідси і необхідність знайти новий спосіб, щоб відправитися в міжзоряну подорож.

Вчені намагаються розробити нові технології космічних двигунів, але жодна з них, за винятком сонячного вітрила, ще не доведена до рівня експериментальних зразків.

Хімічні двигуни

Єдиною розробленою технологією на сьогоднішній день є ракетний двигун. Його спрощена схема така: горіння в космосі неможливо через відсутність природного окислювача, тому ракета повинна бути забезпечена їм поряд з паливом. Але, на жаль, ККД хімічних ракетних двигунів вкрай низький (в порівнянні з іншими технологіями), тому для міжзоряних перельотів такий "движок" нікуди не годиться.

Ядерні двигуни

Один з найбільш реальних проектів у цій сфері – Orion, проект пілотованого корабля для далеких космічних місій. В рамках проекту було створено два варіанти: перший зореліт мав би загальну масу порядку 40 000 000 тон і досягав би Альфи Центавра за 1800 років. Відповідно, замислювався він як "корабель поколінь". Другий важив близько 400 000 тон і теоретично мав дістатися до точки призначення за 130 років. Однак обмеження корисного навантаження робило другий, більш привабливий варіант непридатним для пілотованих перельотів. Двигун на антиматерії

Суть роботи цього двигуна полягає у взаємодії матерії і антиматерії, після чого відбувається миттєва взаємна анігіляція з виділенням величезної кількості енергії. Цієї енергії вистачить, щоб досягти пункту Б. Але навіть кращий з теоретично можливих двигунів, що працюють на антиматерії, потребують близько десятків залізничних цистерн палива для розгону до крейсерської швидкості і такої ж його кількості  для гальмування в точці призначення. І тут виникає питання: а чому б не працювати з цією технологією? Відповідь проста: вартість виробництва одного грама антиматерії коштуватиме десятки мільярдів доларів. Крім того, саме зберігання антиматерії являє собою порушення наукових законів, оскільки антиматерія не повинна контактувати ні з одним атомом звичайної речовини певну кількість часу, інакше станеться вибух.

Гвинтовий двигун

Концепція міжзоряного двигуна на основі прискорення частинок була ідеєю інженера NASA, Девіда Бернса. Апарат завдовшки 200 м може розігнати космічний корабель близько до швидкості світла. Інженер з Космічного центра Маршала NASA  запропонував альтернативу сучасному ракетному двигуну, що спалює паливо.

«Цей космічний двигун можна використовувати для того, щоб тривалий час утримувати супутники на орбіті без дозаправки. Він може відправляти космічні кораблі на міжзоряні відстані на швидкості близької до швидкості світла». Конструкція двигуна розвиває простий експеримент, який ілюструє роботу третього закона Ньютона – кожній дії завжди є рівна і протилежна протидія. Вантаж, що рухається уздовж прямого стрижня всередині контейнера, змусить ящик переміщатися вперед і назад по вільній від тертя поверхні. Інша справа, якщо замість вантажу використовувати прискорювач частинок, який рухається по спіралі. При русі вперед його маса наростає, і падає, коли він йде назад. Таким чином, коли іонне кільце, що обертається, потрапляє в передню стінку ящика, відбувається рух вперед. Бернс вважає, що якщо гвинтовому двигуну дати достатньо часу і енергії, він зможе досягти, за допомогою прискорювача частинок, потенційно релятивістських швидкостей. Такий двигун буде працювати тільки в середовищі, повністю позбавленого тертя, тобто в космосі. На Землі ж буде потрібно близько 125 МВт, щоб отримати хоча б один ньютон сили. Окрім цього, двигун буде величезним – приблизно 200 м в довжину і 12 м у діаметрі.

Сонячне вітрило

Існують ідеї забезпечення руху космічних кораблів, при якому паливо не використовується. Їх називають сонячним вітрилом (або світлове вітрило, або фотонне вітрило). Випромінювані зірками фотони здатні чинити тиск на фізичні об'єкти. І якщо корабель оснастити великим, ультратонким і легким вітрилом, то тиску сонячного світла буде достатньо для його руху. Крім того, на таке вітрило можна впливати й іншими джерелами випромінювання, наприклад, надпотужним лазером, розміщеним на навколоземній орбіті, який буде постійно спрямований на корабель. Заковика полягає в тому, що для руху корабля необхідне сонячне вітрило розміром з Афганістан.

На сьогоднішній день така ідея реалізована: 24.07.2019 космічний корабель LightSail 2 успішно розгорнув свої сонячні вітрила на орбіті Землі і переміщується під натиском сонячного світла.

Сам парус LightSail 2 становить собою систему з чотирьох менших трикутних вітрил, що при розгортанні утворюють один великий квадрат розміром 32 кв. метри. Після розгортання цей парус можна використовувати для підняття орбіти космічного корабля.

Сонячне вітрило використовує імпульс фотонів, що випромінюються Сонцем, майже аналогічно, як вітрильник вловлює енергію вітру. Легкий парус захоплює фотони, які відбиваються від поверхні і приводять вітрило в рух. Така проста технологія має великий потенціал. У космічному вакуумі це працює, оскільки там відсутній опір руху космічного корабля, тому з часом, коли все більше і більше фотонів відбиваються від вітрила, за рахунок чого швидкість його збільшується. І цей процес відбувається без будь-якого палива і двигунів.

При цьому, принцип зміни напрямку руху космічного корабля полягає в тому, що якщо спрямувати вітрила на Сонце, тоді він полетить від Сонця.

Проте змінивши кут вітрила, космічним кораблем, який їх використовує, можна керувати і він буде рухатися не тільки крізь Сонячну систему, а й може залишити її межі.

Такі вітрила отримують все більше і більше імпульсів під час подорожі, тим самим космічний корабель з сонячним вітрилом може досягати швидкостей, яких ніколи не зможе досягти хімічна ракета. Хоча, на сьогоднішній день очевидно, космічний корабель з сонячним вітрилом не зможуть самостійно подолати гравітаційне тяжіння Землі.

Звичайно, імпульс не може збільшуватися з тією ж швидкістю завжди. Чим далі сонячне вітрило віддаляється від Сонця, тим менше фотонів потрапляє в нього. І хоча рух не сповільниться в порожнечі простору, проте швидкість прискорення корабля буде зменшуватися.

Однак на разі розробляється ідея, згідно з якою лазери можуть бути спрямовані на сонячні вітрила для допомоги їм щодо збільшення прискорення.

Сила лазера прискорюватиме космічний корабель до швидкості близько 60 000 км/с або 20 % швидкості світла.

Альфа Центавра віддалена на відстані 4,37 світлових років, у звʼязку з чим навіть за умови використання лазерів кораблям проекту Breakthrough Starshot знадобиться близько 20 років, щоб до неї дістатися.

Але це зовсім інший і більш амбітний проект, ніж LightSail 2. Крім того, Breakthrough Starshot – це проект російського мільярдера, тоді як LightSail – це публічний некомерційний космічний корабель, побудований на гроші, зібрані ентузіастами.

LightSail 2 – це демонстраційна місія, призначення якої є показати, як навіть маленький сонячний парус може підняти орбіту космічного корабля. Існує ще багато перешкод, які потрібно подолати, щоб розвинути цей напрямок роботи. У майбутньому ця технологія може відіграти важливу роль в дослідженні нашої Сонячної системи.

Електричні  вітрила

Корабель на електричних вітрилах  зможе продовжувати розгін за межами сонячної системи — там, де сонячне вітрило, яке вловлює лише радіацію Сонця, буде вже безсилим.

Вчені підкреслюють, що корабель з електричним вітрилом потребує лише мінімального джерела енергії на борту. Вона буде потрібна лише для того, щоб підтримувати у вітрилах-дротах постійний струм, а також для роботи бортових систем і засобів зв'язку. Однак, поки незрозуміло, як саме повинна функціонувати енергетична система корабля, зокрема, так звана електронна гармата, яка буде заряджати вітрила-дроти.

РОЗДІЛ 2

Проблеми подорожі

Основною проблемою подорожі є навіть не паливо або двигун, а кількість часу, котре воно займе. Без створення технологій занурення людини в тривалий стан анабіозу до зірок необхідно відправляти не корабель, а маленьку планету. Однак є ймовірність, що до місця призначення прилетить вже зовсім інша цивілізація. Проте, фізики-теоретики не відпускають руки. Переміщення в просторі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, неможливо з причини того, що маса суб'єкта буде прагнути до нескінченності згідно формули E = mc2. Однак у відповідності з теорією відносності швидкість світла є максимальною всередині простору-часу; змінюючи ж сам простір-час, можна переміщатися за неорганічною швидкістю. Наприклад, розширення Всесвіту може відбуватися зі швидкістю, набагато перевищуючої  швидкість світла, але при цьому рух всередині самого Всесвіту не може перевищити швидкість світла. Нижче ми опишемо два способи, за допомогою яких теоретично можна "зрізати" дорогу і опинитися в потрібному місці і часу.

РОЗДІЛ 3

Коротка дорога до зірок

3.1 Перший спосіб: через червоточини

Цей спосіб спирається на припущення, що в космосі є «лазівки», існування яких обґрунтували Ейнштейн і Розен в 1935 році. Шанувальникам фантастики ці лазівки відомі під термінами «просторово-часові тунелі», «червоточини», «кротові нори» і так далі. Ці тунелі зв'язують між собою дві точки в просторово-часовому континуумі. Вони дозволяють переміщатися з точки А в точку Б.

Навіть якщо люди коли-небудь зможуть створити науково-інструментальний спосіб виявлення просторово-часових тунелів, і якщо їх існування буде підтверджено експериментально, то можливості визначити, в яку точку нашого Всесвіту приведе ця «кроляча нора», сучасна наука не представляє навіть теоретично.

Сама ідея переміщення за допомогою такого тунелю приваблює фізиків-теоретиків не тільки як спосіб дістатися до зірок протягом  життя одного покоління, але і як науково-практичний виверт, що дозволяє  обійти теоретичну неможливість подорожі в часі. Звичайно, просторово-часовий тунель не може бути повноцінною машиною часу, оскільки мандрівник не може вибирати час, в якому він вийде на іншому кінці тунелю. Проте інших можливостей наука поки не може припустити.

Як виглядають червоточини? Для людини і наявних в нашому розпорядженні приладів вони невидимі, оскільки не випромінюють ні в одному відомому діапазоні. Але, припустимо, людство зробило одне з найбільших відкриттів в історії фундаментальних наук і виявило вхід в червоточину. Як його використовувати? На жаль, корабель з будь-яких відомих сьогодні науці матеріалів теоретично не здатний подорожувати по просторово-тимчасовому тунелю - імовірно, попадання такого об'єкта в червоточину призведе до її зхлопуванню.  У 1988 році американський фізик Кіп Торн висунув гіпотезу, що для подорожей через просторово-часовий тунель необхідна «екзотична матерія». Під настільки легковажною назвою фізики мають на увазі матерію, що володіє «екзотичними» властивостями: так, передбачається, що роль стабілізатора тунелю зможе виконати матерія з негативною масою або щільністю енергії.

Крім оболонки, науці необхідно вирішити таку складну задачу, як запобігання блокування виходу з тунелю, поки всередині нього знаходиться гіпотетичний корабель. Справа в тому, що рухомий об'єкт буде створювати всередині тунелю гравітаційну хвилю, що спотворює простір, що може призвести до передчасного закриття виходу з тунелю. А це означає, що все, що опиниться в цей момент усередині нього, просто зникне з нашого Всесвіту.

Деніел Джафферіс з Гарвардського університету і його колеги побудували теоретичну модель кротові нори, для існування якої не потрібно настільки незвичайних субстанцій. Входом і виходом в таку червоточину, на думку вчених, є дві чорні діри, що знаходяться в стані квантової заплутаності один з одним. Із зовнішнього точки зору подорож через червоточину еквівалентно квантової телепортації з впровадженням заплутаних чорних дір. Правда, зробити таким способом туристичний тур по Галактиці не вдасться.

«Проходження цих червоточини займає більше часу, ніж звичайний рух, тому вони не дуже корисні для космічних подорожей». Втім, фізики і не прагнули винайти міжзоряний транспорт. «Реальний зміст цієї роботи пов'язаний з інформаційною проблемою чорної діри і зв'язками між гравітацією і квантовою механікою».

3.2 Другий спосіб: в Міхурі Алькубьєрре

У 1994 році фізик-теоретик Мігель Алькубьєрре запропонував обійти обмеження швидкості світла, концентрувати свою увагу не на переміщенні людини, а на переміщенні частини самого простору. Для цього навколо космічного корабля необхідно створити просторово-часовий міхур, який буде існувати незалежно від решти всесвіту.

Запропонований фізиком метод переміщення в просторі полягає в ідеї стиснення простору перед кораблем і розтягуванням позаду нього. На кордоні стиснення утворюється так звана хвиля, яку повинен осідлати гіпотетичний корабель. Ця хвиля переміщує в просторі не сам корабель, а якийсь обмежений обсяг неспотвореного простору. По суті, навколо корабля створюється своєрідний просторовий міхур, чиї кордони утворені описаними спотвореннями самої матерії простору. Таким чином, незважаючи на те, що всередині самого міхура світло завжди буде рухатися швидше корабля, сам міхур буде переміщатися крізь звичайний простір швидше світла. Враховуючи той факт, що всередині міхура формально корабель не рухається, на нього не буде діяти перевантаження при прискоренні і гальмуванні.

На жаль, можливість створення подібної технології також пов'язана з використанням екзотичної матерії. І навіть якщо наука зможе (наприклад, завдяки ефекту Казимира) реалізувати «в металі» двигун, здатний викривлювати простір, то для переміщення такого типу космічного корабля буде потрібна величезна кількість енергії.

3.3. Варп-двигун. «Тисячолітній Сокіл»

Фізика «Зоряних війн»: проблеми конструкції Тисячолітнього Сокола

«Тисячолітній сокіл» вигаданий космічний корабель у всесвіті «Зоряних війн», пілотувався Ханом Соло і його помічником Чубоккою. На даний момент це фантастика, бо рівень технологічного розвитку ще дуже малий. Ані таких швидких літальних апаратів, як «Тисячолітній Сокіл», ані таких масивних, як Зірка Смерті, ми поки будувати не вміємо. І що найважливіше – не маємо доступу до джерел енергії, що зробили б такі технології можливими.

Хан Соло на своєму легендарному кораблі «Тисячолітній Сокіл» використовував гіперпросторовий двигун, щоб з надсвітловою швидкістю долати безмежні простори Всесвіту.

Головна проблема — стати швидшим за світло

Питання «чи можемо ми рухатися зі швидкістю більшою за швидкість світла» стане головним каменем спотикання під час будівництва. Річ у тому, що найбільша проблема гіперпросторового стрибка — це маса корабля, людей та вукі у ньому. Якщо виходити з теорії відносності Ейнштейна, будь-які об’єкти, що мають масу, не можуть рухатися зі швидкістю світла. Все через те, що коли вони її сягають, їх маса стає безкінечною. А це означає, що для переміщення необхідно буде безкінечна кількість енергії, навіть більша, ніж знадобилася Зірці Смерті для підриву Альдерана.

Проте, можна піти манівцями, адже в теорії відносності ніщо не забороняє нам згинати простір. Як ви знаєте, простір-час складається з 3-х вимірів простору та одного часу. Найцікавіше, що сам по собі простір не просто може рухатися, однак і рухається швидше за швидкість світла. Приклад — розширення нашого Всесвіту після великого вибуху, процес, що мав швидкість більшу за швидкість світла. Така маленька хитрість дозволила б нам не просто рухатись зі швидкістю світла, проте й обігнати його.

      Звичайно, ми могли б використовувати для подорожей вже готові червоточини в просторі-часі. Але червоточина вигинає простір-час, який виділяє багато енергії. Опинися невелика червоточина неподалік від Сатурна, вона просто б розшматувала його. Тому в конструкції корабля можна використати варп-двигун або двигун викривлення, котрий встановлений в літальних апаратах «Зоряного шляху». Теоретично, він примушує стискатися простір перед зорельотом, в той час як за ним він буде розширюватися. Фактично, зореліт стоятиме на місці, в той час як простір-час буде деформуватися.

Однак є невеличкі проблемки, котрі починаються ще з запуску Сокола. Для старту цього процесу потрібна буде кількість енергії, практично рівна тотальній масі-енергії галактики чи сонячної системи. Ще одна проблема — підтримка цієї енергії.

І найбільші неприємності чекатимуть нас, коли варп-двигун наблизиться до швидкості світла. Фотони з космічного мікрохвильового випромінювання просто прошиють корабель наскрізь. Вони будуть радикально розмиті в напрямку руху корабля, стануть надзвичайно радіоактивними та вб’ють кожного на борту, а сам корабель через проблеми з простором-часом може почати «застрягати». А ще за такого польоту можна «ненароком» врізатись в астероїд чи інше космічне тіло… Ось такий сумний фінал подорожі з варп-двигуном. Від Кайло Рена так точно не втекти.

Проте останні розробки фізиків теоретично подолали цю проблему. Науковці використали доробок фізика Кріса Ван Ден Брека з Національного інституту субатомної фізики в Нідерландах. Дослідник помножив математичну функцію на метрику простору-часу, яка створює варп-двигун. Ерік Девіс з EarthTech International та Джеральд Клівер з Університету Бейлора доопрацювали цю ідею та по суті створили варп-двигун з захисним шаром, що оточуватиме корабель. Він виступатиме щитом для пасажирів.

Звичайно, не можна також не згадати EmDrive, котрий наразі лишається найбільш реальною надією на подорожі з надшвидкістю. Хай там як, але колись і сила тяжіння була також перешкодою для наших польотів, однак ми її подолали.

(кінець уривка)