К звездам - на "бесконечной" антиматерии. Новые детали смелой идеи
Icarus Interstellar – это организация энтузиастов, которая готовит амбициозный проект: первый межзвездный полет. По замыслам участников данного проекта, исторический полет беспилотного зонда от Земли к одной из близлежащих звезд и обратно им удастся подготовить к 2100 году.
В настоящее время разрабатываются несколько технологий межзвездных путешествий: на термоядерной или лазерной тяге, солнечном парусе. Однако одной из самых интересных и перспективных концепций является возвращаемая ракета на антиматерии – VARIES фонда Icarus Interstellar.
Звезды рядом?
Необычность данного проекта, запущенного в разработку в конце 2011 года, в производстве топлива. Схема полета VARIES в принципе проста: ракета, использующая в качестве топлива антиматерию, будет питаться от солнечных панелей и лазерного луча с Земли или спутников. Затем она отправится к далекой звезде, исследует ее, с помощью солнечных панелей накопит энергию для обратного полета и вернется к Земле.
Исследователи изучили множество проектов межзвездных путешествий, включая расчеты по таким известным программам, как корабль Daedalus весом 55 тыс. тонн. Однако с использованием достижимых в ближайшем будущем технологий и в сроки, сопоставимые с карьерой ученого, можно реализовать только миссию VARIES. Полет VARIES, например, к звезде Проксима Центавра и возвращение аппарата на Землю будут гигантским достижением в освоении космоса и займут всего около 50 лет.
Беспилотный корабль, оснащенный гигантскими солнечными панелями, сможет слетать к другой звезде и пользуясь ее светом выработать антиматерию для возвращения к Земле
На сегодняшний день дальше всех земных космических аппаратов улетел зонд Voyager 1, запущенный в 1977 году. Однако он движется со скоростью всего 17 км/сек, и даже до ближайшей к нам звезде Проксима Центавра ему лететь более 70 тыс. лет. Недавно в НАСА начали разработку зонда Solar Probe Plus, который с помощью семи гравитационных маневров и солнечного паруса достигнет огромной по нынешним меркам скорости - 201 км/сек. Но даже этот зонд расстояние в 4 световых года преодолеет за почти 6,5 тыс. лет – слишком долго для того, чтобы такая миссия имела хоть какое-то значение.
Решить проблему скорости и запаса топлива может только использование антиматерии. По соотношению вес/выделяемая энергия антивещество находится в абсолютных лидерах в сравнении с любым другим видом топлива. Кроме того, реакция происходит спонтанно, в результате простого соприкосновения антиматерии и обычной материи, поэтому не нужны никакие сложные громоздкие системы для ее инициирования.
Аннигиляции антипротонов - это процесс взаимодействия на уровне кварковой структуры ядра. Протон состоит из пары кварков с зарядом +2/3 и одного кварка с зарядом -1/3. Антипротон, соответственно, его полная противоположность: пара антикварков -2/3 и один антикварк с зарядом +1/3. Когда антипротон аннигилирует, выделяется энергия в 1,88 гигаэлектронвольт. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию заряженных и нейтральных пионов. Затем пионы распадаются с выделением гамма-фотонов, которые и создают реактивную тягу. Для двигателей VARIES реакция протон/антипротон предпочтительнее, чем электрон/позитрон, поскольку промежуточные частицы можно направить в нужную сторону с помощью магнитного поля. В свою очередь, аннигиляция электрон/позитрон сразу дает мощную вспышку гамма-лучей, которые распространяются во все стороны и могут попросту разрушить корабль.
К сожалению, в настоящее время создание антипротонов является очень сложным делом - ежегодный объем мирового производства антипротонов составляет около 10 нанограмм. К тому же, пока большое количество любой антиматерии сложно хранить, а ведь даже несколько сотен грамм антивещества представляют огромную опасность и способны мгновенно испарить сам зонд и все вокруг в радиусе нескольких километров.
В проекте VARIES данная проблема решена кардинально: антипротонно-позитронное топливо будет вырабатываться непосредственно на борту космического аппарата.
Топливо бесконечно?
Заправляться VARIES будет благодаря использованию квантового эффекта, известного как швингеровское образование электрон-позитронных пар.
Согласно выводам современной теоретической и экспериментальной физики, мироздание представляет собой набор квантовых полей. Даже вакуум не является абсолютной пустотой, а ведет себя как простой гармонический осциллятор, т.е. испытывает колебания и постоянно рождает виртуальные частицы. Это следствие принципа неопределенности Гейзенберга – основы современной квантовой механики. Согласно ему, в вакууме всегда появляются виртуальные частицы, в том числе заряженные, а также пары материя/антиматерия. Лауреат Нобелевской премии физик Юлиан Швингер доказал, что достаточно сильное электрическое поле может создавать электрон-позитронные пары прямо из вакуума самого пространства. Таким образом, космический корабль теоретически может получать топливо прямо из окружающей среды - космоса.Разработчики VARIES планируют использовать для этого мощный лазерный луч, "ломающий" вакуум и вызывающий его поляризацию, т.е. образование пары электрон/позитрон. Для этого требуется создать мощнейшее электрическое поле, за короткое время существования позитрона "выхватить" его и направить в хранилище или непосредственно в ракетный двигатель.
Разумеется, для создания мощнейшего электрического поля требуется энергия. Излучать энергию планируется с помощью сверхкороткого (одна квинтиллионная доля секунды) лазерного импульса, благо прогресс в этой области идет семимильными шагами. В частности, совсем недавно в лаборатории NIF получен импульс мощностью 500 трлн. тераватт и длительностью 23 миллиардных долей секунды. Проблема хранения антиматерии теоретически тоже решаема: сегодня физики уже умеют удерживать ее в течение 1000 секунд в специальных магнитных бутылках.
Мощные лазеры на свободных электронах с помощью сверхкоротких импульсов добудут антиматерию непосредственно из вакуума
Также существует проблема производства энергии, необходимой для генерации мощных лазерных импульсов. Дело в том, что производство антиматерии из вакуума подчиняется законам сохранения энергии и требует столько же энергозатрат, сколько даст последующая аннигиляция. Разработчики VARIES видят два пути решения этой проблемы. Первый предполагает использование больших солнечных панелей и лазерного излучателя, который даст необходимый избыток энергии и позволит накопить топливо при старте из Солнечной системы. На разгон и торможение VARIES будет использовать запасы антиматерии, сгенерированные в процессе кружения вокруг нашего Солнца. После достижения главной цели, Проксимы Центавра, зонд будет изучать чужую звездную систем, одновременно с помощью солнечных панелей вырабатывая энергию для лазеров и накапливая антиматерию на обратную дорогу. Схема эта довольно сложна в реализации, поскольку зонду потребуется "тащить" на себе тяжелые панели и надеяться, что у Проксимы Центавра они все еще будут работать.
Более надежным выглядит идея предварительного накопления антивещества на борту VARIES еще в пределах Солнечной системы, где энергию кораблю будут поставлять с Земли микроволнами, лазером или с помощью сбрасываемых солнечных панелей. Накопив достаточный запас антивещества, VARIES стартует к чужой звезде, перейдя с внешнего питания на свои запасы топлива. Данная схема позволяет реализовать как "полноценный", так и "половинчатый" полет с разворотом на полпути к звезде, однако накопление и длительное хранение большого количества антивещества пока остается очень сложной технической проблемой.
Двигатель реален?
Антивещество обладает максимально возможной плотностью энергии (90 МДж/мкг) и идеально подходит для межзвездных миссий, поскольку ничтожное количество топлива выделяет гигантское количество энергии.
Однако чрезмерная плотность энергии одновременно является и серьезной проблемой. Аннигиляция одного грамма материи сравнима с взрывом мощной ядерной бомбы – совладать с такой энергией и превратить ее в реактивную тягу, мягко говоря, непросто.
В двигателе VARIES генерация антиматерии из вакуума производится с помощью сверхкоротких импульсов лазера на свободных электронах (который сейчас как раз разрабатывается Пентагоном для военных целей). Антиматерия поступает в магнитные бутылки – "топливные баки" зонда. Для создания тяги антиматерия направляется в сопла двигателя с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре -173 градуса Цельсия. Самые "упрямые" частицы и гамма-лучи, преодолевшие магнитное поле, будут улавливаться специальным антирадиационным щитом, скорее всего, вольфрамовым. Генерация антиматерии, ее хранение и создание реактивной тяги являются самыми сложными техническими задачами. К счастью, решить их возможно – никакие законы физики этому не противоречат.
С энергией для лазеров и магнитов серьезных технологических проблем и вовсе нет. По расчетам ученых, для получения 10 кг антипротонов в течение 1 года при расстоянии 1 астрономическая единица от звезды (расстояние от Земли до Солнца) потребуется лишь 2088 кв. км солнечных панелей. То есть даже при очень низкой эффективности преобразования солнечного света в электричество (около 0,01%) понадобится солнечная панель около 45х45 км. На первый взгляд это много, однако при использовании надувных конструкций создание такой панели осуществимо и при современных технологиях.
Правда, открытым остается все тот же вопрос долговечности панелей, которым придется не менее 50 лет мчаться сквозь космос с гигантской скоростью.
Пока сами инициаторы проекта затрудняются определить полезную нагрузку и срок путешествия своего космического зонда. Слишком много технологических барьеров предстоит преодолеть. Однако весьма отрадно, что эти барьеры не выглядят фантастикой, как полет на Луну во времена Римской империи. Сегодня ученые видят реальные пути для реализации амбициозной идеи межзвездного полета. Возможно, именно корабль VARIES кардинально расширит горизонт человечества и откроет совершенно новую страницу в истории нашей цивилизации.
Михаил Левкевич
Поделиться