Міжзоряні польоти: фізичні обмеження та технологічні виклики
- Ігор Сальниченко
- 15 квіт.
- Читати 10 хв
Оновлено: 19 квіт.
Міжзоряні польоти давно засіли в уяві людства, проте реальність диктує надзвичайно суворі обмеження. Відстані до найближчих зір вимірюються світловими роками, а отже, без принципово нових технологій будь-який політ займе неймовірні часові проміжки. Наприклад, найшвидший із побудованих космічних апаратів, Voyager 1, рухається лише з ~0,006% швидкості світла і на подорож до Проксими Центавра (4,24 св.роки) витратив би близько 75 000 років. Навіть уявний двигун на антиматерії – найефективніший з можливих – дістався б туди за десятиліття (а не миттєво), що підкреслює масштаб проблеми [1,2]. Нижче розглянемо ключові фізичні та технологічні причини, чому міжзоряні польоти залишаються фактично неможливими на сучасному етапі розвитку науки.
Обмеження теорії відносності та швидкість світла
Основний фундаментальний бар’єр – це межа швидкості, встановлена спеціальною теорією відносності. Згідно з теорією Айнштайна, жоден об’єкт, що має масу, не може рухатися зі швидкістю світла або швидше. Швидкість світла (~300 000 км/с) є неподоланним бар’єром: наближення до неї потребує все більше енергії, а досягнення c потребувало б нескінченної енергії. Іншими словами, жодна ракета не здатна розігнати корабель до 100% від c, не кажучи вже про подолання цього ліміту. Через це навіть оптимістичні сценарії міжзоряних подорожей передбачають швидкості, значно нижчі за світлову, що призводить до величезних тривалостей польоту [3].
Варто зазначити, що при швидкостях, близьких до світлової, вступають в дію релятивістські ефекти. Зокрема, час для екіпажу на борту йде повільніше завдяки явищу дилатації часу. Наприклад, при 0,99 c бортовий годинник сповільниться приблизно в 7 разів порівняно із земним (γ≈7) – тобто для екіпажу тривала подорож виглядала б коротшою за рахунок релятивістського уповільнення часу. Однак цей ефект має і зворотний бік: жоден спостерігач зовні не побачить корабель, що летить швидше за світло, а для Землі така подорож все одно триватиме десятиліття чи століття. Таким чином, теорія відносності одночасно пропонує цікаві наслідки (наприклад, уповільнення старіння мандрівників) і суворо обмежує максимальну швидкість, не дозволяючи обійти проблему тривалості польоту для зовнішнього світу.
Астрономічні енергетичні витрати для досягнення високих швидкостей
Подолання хоча б частини відстані до зірок за прийнятний час вимагає колосальної швидкості, а отже – колосальних витрат енергії. Енерговитрати зростають астрономічно зі збільшенням швидкості: кінетична енергія пропорційна квадрату швидкості, а з урахуванням релятивістських ефектів – ще більше. Щоб розігнати навіть невеликий апарат до 10% від швидкості світла (~30 000 км/с), потрібна величезна кількість енергії. За оцінками інженера Брайса Кассенті, для відправки хоча б автоматичної станції до найближчої зорі потрібно щонайменше річний обсяг світового енергоспоживання, а швидше за все – у сотню разів більше. Це надзвичайна цифра: сучасна цивілізація просто не генерує стільки енергії, і її неможливо накопичити або вивільнити разовим імпульсом. Кассенті зазначає, що на Землі просто відсутні такі ресурси – довелося б добувати енергоносії по всій Сонячній системі [4].
Інший спосіб усвідомити масштаб проблеми – порівняти з вибухами або добре відомими енерговиділеннями. Так, грам речовини, що рухається з 90% c, має кінетичну енергію, еквівалентну вибуху маленької ядерної бомби(~30 кілотонн у тротиловому еквіваленті). Аби повідомити ще яскравіше: розгін навіть кілограмового апарата до релятивістської швидкості запасає в ньому енергію, співмірну зі сотнями кілотонн TNT. Забезпечити такий запас енергії і спрямувати його на розгін – неймовірно складне завдання. На сьогодні не існує ні настільки потужних джерел енергії, ні достатньо ефективних систем накопичення, щоб виконати подібний маневр. Потрібні принципово нові способи одержання і використання енергії, які виходять далеко за межі сучасних технологій [1].
Міжзоряні польоти та обмежені можливості сучасних двигунів
Навіть якщо б необхідна енергія була доступна, постає питання її реалізації у вигляді рушійної сили. Сьогоднішні ракети та двигуни не в змозі забезпечити таку швидкість польоту чи працювати безперервно протягом десятиліть. Сучасні двигуни занадто слабкі та неефективні для міжзоряних польотів. Хімічні ракети (як у космічних кораблях типу Saturn V або Falcon Heavy) мають обмежену швидкість витіку газу (порядку 3–4 км/с) і можуть розігнати космічний апарат лише до десятків км/с. Іонні або плазмові двигуни більш економічні, але забезпечують малі прискорення і теж дають швидкості порядку сотень км/с максимум при багаторічній роботі. Цього напрочуд мало у порівнянні з потрібними тисячами км/с. Як підсумок, використовуючи найкращі існуючі ракети, ми отримуємо польоти тривалістю десятки тисяч років, що абсолютно не придатне для освоєння навіть найближчих зір [4].
Перехід до ядерних технологій руху також поки не вирішує проблему. Розглядалися екзотичні проекти на кшталт ядерного імпульсного руху (проєкт Orion з вибухами атомних бомб позаду корабля) або термоядерних моторів(проєкт Daedalus та інші, що пропонують використання термоядерних мікровибухів). Теоретично такі установки можуть дати набагато більшу швидкість, ніж хімічні ракети. Згідно з розрахунками, ядерно-імпульсний зореліт міг би досягти ~5–10% c, а вдосконалений термоядерний – до ~0,1 c (10% від швидкості світла). Однак навіть ці фантастичні проекти не наближаються до світлової швидкості, залишаючи час польоту вимірюваним десятиліттями і століттями. До того ж жоден із цих концептів не реалізований на практиці: виникають неймовірні інженерні складнощі – від потреби в гігантській кількості ядерного палива та вибухових пристроїв до проблеми захисту корабля від власних вибухів. Міжнародні угоди (наприклад, Договір про заборону випробувань ядерної зброї в космосі) взагалі не дозволяють здійснювати ядерні вибухи в космосі для руху. Отже, навіть найсміливіші сучасні ідеї двигунів поки що теоретичні і не дають змоги вирішити проблему міжзоряного переміщення [1].
Ще один перспективний напрям – так звані безпаливні або зовнішньо енергозабезпечені методи розгону. Сюди входять сонячні та лазерні вітрила – коли космічний апарат розганяється тиском світла або лазерним променем і не несе запас палива. Проект Breakthrough Starshot пропонує за допомогою потужного наземного лазера розігнати крихітні зонди з світловими вітрилами до ~20% c. Теоретично такі міні-апарати зможуть долетіти до Альфи Центавра приблизно за 20 років. Однак маса їх буде грамового порядку, тобто про пілотований політ чи доставлення значного вантажу не йдеться. Вітрильні технології цікаві для відправки дослідницьких датчиків, але масштабувати їх до рівня космічного корабля з екіпажем наразі неможливо. Таким чином, технологічні бар’єри у створенні двигунів – від низької ефективності традиційних ракет до неперевіреності ядерних і лазерних концепцій – не дозволяють здійснити міжзоряний переліт [1].
Космічна радіація та небезпечне випромінювання
Навіть якщо уявити, що корабель здатен набрати необхідну швидкість, подорож на багато років у глибокому космосі ставить інше запитання: як захистити екіпаж (або чутливу електроніку) від згубного космічного випромінювання. Космічна радіація є одним із найнебезпечніших чинників для здоров’я космонавтів за межами магнітосфери Землі. У відкритому міжзоряному просторі люди втрачають захист, який забезпечує нам атмосфера та магнітне поле планети. Впродовж багаторічного польоту доза опромінення, отримана від галактичних космічних променів і спалахів сонячної активності, може перевищити всі допустимі норми. Це загрожує гострою променевою хворобою в короткостроковій перспективі та підвищеним ризиком раку, катаракти, ураження нервової системи й інших тяжких наслідків у довгостроковій перспективі.
На жаль, ефективних рішень для повного захисту поки не існує. Можна збільшувати товщину стінок корабля або використовувати спеціальні екрани з води, парафіну чи поліетилену (матеріали, багаті на водень, добре послаблюють космічні промені). Однак такий пасивний захист призводить до різкого збільшення маси корабля, що робить його розгін ще складнішим (замкнене коло проблеми маси і палива). Альтернативно пропонуються магнітні або плазмові силові щити, що імітували б земне магнітне поле і відхиляли заряджені частинки. Але ця технологія перебуває в зародковому стані і не гарантує повного блокування особливо енергійних частинок. На високих швидкостях додається ще одна загроза: міжзоряний газ (протони, ядра атомів), з яким зіштовхується корабель. При релятивістських швидкостях навіть розріджені потоки протонів перетворюються на інтенсивне рентгенівське випромінювання при ударі об корпус корабля.
Таким чином, сам рух з великою швидкістю генерує додаткову радіацію, що вимагає ще більшого захисту. Захист екіпажу від радіації на міжзоряному кораблі залишається невирішеним завданням: безпечний для людини політ вимагав би або дуже повільного пересування (десятки тисяч років, що безглуздо), або створення “радіаційного бункера” на борту, що технічно вкрай складно.
Мікрометеорити, пил та зношування матеріалів
Космічний простір не є зовсім порожнім – у міжзоряному середовищі трапляються пилові частинки, крупинки піску, мікрометеорити. На високих швидкостях навіть зіткнення з крихітною порошинкою становить смертельну небезпеку. Лобове зіткнення зі всього лиш піщинкою на релятивістській швидкості може спричинити вибух, рівносильний ядерному – як зазначалося, грам речовини на 0,9 c несе енергію ~30 кт ТНТ. Удар такого “гравчика” по кораблю проб’є будь-яку броню, спричинить величезні руйнування і, найімовірніше, знищить апарат. Для міжзоряного зорельоту потрібен надміцний мікрометеоритний щит спереду, здатний витримувати бомбардування частинками пилу. Пропонуються варіанти багатошарових щитів з металевої піни або електромагнітних полів, що відхиляли б заряджені пилові зерна. Але жоден із цих методів не був випробуваний навіть для менш екстремальних швидкостей. Практично захиститися від зіткнень при 0,1–0,2 cнадзвичайно важко – потрібні товсті шари матеріалу, які знову ж підвищують масу корабля і вимагають більше палива для розгону [1].
Окрім пилових зіткнень, зношування матеріалів відбувається і під впливом інших факторів: космічної радіації, вакууму, циклів нагрівання/охолодження та просто часу. Політ до іншої зорі триватиме десятки років (в кращому випадку), і за цей час системи корабля неминуче виходитимуть з ладу. Електронні компоненти деградують під дією радіації, механічні деталі зношуються через вібрації та мікроудари, резерви хімічних реактивів (наприклад, для систем життєзабезпечення) вичерпуються.
Проблема надійності та ремонту в далекому космосі є одним з ключових технологічних бар’єрів. Як зазначають дослідники, для багаторічної місії потрібен запас компонентів і можливостей для ремонту на борту, адже допомоги з Землі не буде. Фактично корабель має бути одночасно заводом і майстернею, що суттєво ускладнює його проєкт. На сучасному етапі ми не вміємо створювати настільки автономні та надійні системи: навіть на Міжнародній космічній станції, розташованій всього за ~400 км від Землі, постійно потрібні поставки, заміна обладнання та ремонт із допомогою наземних центрів. Уявити корабель, який бездоганно функціонує, скажімо, 50 років у далекому космосі без жодної зовнішньої підтримки – поки на межі фантастики [1].
Футуристичні концепції: варп-двигуни, антиматерія, кріосон
Незважаючи на нинішні перешкоди, науковці та інженери розглядають кілька футуристичних рішень, що могли б у теорії зробити міжзоряні подорожі можливими. Хоча поки що ці ідеї належать більше до царини теорії або наукової фантастики, варто коротко згадати їх:
Варп-двигуни. Концепція варп-рушія (від англ. warp drive) передбачає викривлення простору-часу навколо корабля. Ідея, запропонована Мігелем Алькуб’єрре, полягає в стисканні простору попереду корабля і розширенні позаду, що дозволило б переміщуватися швидше за світло відносно зовнішніх спостерігачів, не порушуючи локально межі c. Це фактично створення “міхура варпу”, в якому корабель летить у локально спокійному просторі, тоді як сам міхур рухається через галактику. Але для реалізації такого двигуна потрібні екзотичні форми матерії та енергії. Розрахунки показали, що метрика Алькуб’єрре вимагає негативної енергії високої щільності – фізичної сутності, існування якої не підтверджено [5]. Первинні оцінки також припускали колосальні енергетичні витрати – еквівалент перетворення маси планети на енергію. Хоча згодом теоретики знаходили шляхи трохи “зменшити” необхідну енергію (наприклад, за рахунок зміни форми варп-поля), усе одно йдеться про величезні величини. На додачу, сама ідея викривлення простору знаходиться на межі сучасної фізики: невідомо, чи взагалі припустимі такі рішення в рамках повної теорії гравітації (можливо, майбутня квантова гравітація забороняє подібні варп-конфігурації простору-часу). На сьогодні варп-двигун залишається гіпотетичною конструкцією. Жодних експериментальних підтверджень чи прототипів не існує, і навіть оптимісти визнають, що для практичної реалізації може знадобитися не одне століття (якщо це взагалі можливо). Отже, варп-рушії поки що належать скоріше до цікавих роздумів теоретиків і образів зі «Зоряного шляху», ніж до інженерних проектів [6].
Антиматерійні ракети. Антиматерія – це речовина, яка при зустрічі зі звичайною матерією повністю анігілює з виділенням колосальної енергії (за рівнянням E=mc²). 1 кг антиматерії при реакції з 1 кг матерії вивільняє ~1,8×10¹⁷ Дж енергії (≈180 петаджоулів), що на кілька порядків більше, ніж вихід навіть від ядерного палива [7]. Тому антиматерійний двигун міг би мати неймовірну ефективність і теоретично розганяти корабель до колосальних швидкостей – розрахунки вказують на можливість досягти 50–80% швидкості світла при використанні чистої анігіляції . Такий апарат міг би дістатися сусідніх зір за кілька років чи десятиліть. Проте, основна проблема – відсутність самої антиматерії в потрібній кількості.
Антиматерія надзвичайно рідкісна у природі; виробляти її можна лише в прискорювачах часток з гігантськими енерговитратами. На сьогодні сумарно створено лише нанограми антиматерії, а вартість її неймовірна – за оцінками NASA, 1 грам антиречовини (антиводню) коштував би близько 62,5 трильйона доларів. Зберігання антиматерії також вкрай складне: потрібно магнітне пасткове поле, щоб античастинки не торкалися стінок. Поки що вдається утримувати лише окремі антипротони або антиатоми, і то на частки секунди. Про створення бака з кілограмами антиматеріалу наразі не може бути й мови. Таким чином, хоча антиматерійний двигун і обіцяє фізично можливий шлях до швидких міжзоряних перельотів, він повністю недосяжний технологічно – ми не маємо ні необхідної кількості палива, ні способу безпечно керувати такими енергіями [1,7].
Кріосон та поколіннєві кораблі. З огляду на те, що навіть за найоптимістичніших сценаріїв подорож до далеких зір триватиме багато років, виникає проблема витривалості екіпажу. Один із популярних у фантастиці підходів – це кріогенний сон або гібернація астронавтів, коли люди на борту вводяться у стан глибокого уповільнення життєвих процесів на більшу частину подорожі. У такому стані (кріосні) екіпаж би не старів або старів дуже повільно і не потребував би багато ресурсів, поки корабель мандрує десятиліттями. Наукові дослідження в цьому напрямку вже ведуться: зокрема, NASA фінансувала проекти зі створення систем торпору (штучної сплячки) для польоту на Марс. Деякі тварини (наприклад, ховрахи, ведмеді) здатні впадати в сплячку, і вчені шукають методи індукувати подібний стан у людей. Перші результати – успішне короткочасне введення в стан гіпотермічної сплячки свиней, собак, а також випробування методик охолодження пацієнтів у медицині – дають певну надію. Проте справжній кріосон людей поки не реалізований. Заморозити й відігріти людське тіло без пошкоджень надзвичайно важко: під час заморожування утворюються крижані кристали, що руйнують клітини. Тому досліджується скоріше режим глибокого охолодження та метаболічної депресії (торпору) без фактичного заморожування. Якщо цю технологію вдасться опанувати, вона могла б розв’язати багато проблем довгого польоту – від забезпечення екіпажу ресурсами до психологічного навантаження часу. Водночас кріогенна сплячка не вирішує жодної з фізичних проблем швидкості або енергії – вона просто дозволила б людям пережити довгу дорогу. Альтернативним підходом є спорудження кораблів поколінь: велетенських космічних колоній, на яких послідовно проживатимуть кілька поколінь людей, поки корабель летить до цілі. Такий корабель мав би замкнуту екосистему, штучну гравітацію, повний цикл відновлення ресурсів – фактично автономний міні-«Світ». Але технологія створення настільки складної біосфери поки відсутня, а етичні й соціальні аспекти (життя багатьох поколінь в ізоляції, що не побачать фінішу експедиції) викликають чимало питань[4,8].
Висновок
Отже, від фізичних констант до інженерних бар’єрів – сукупність факторів наразі робить міжзоряні перельоти надзвичайно складними, якщо не неможливими. Ми обмежені швидкістю світла як граничною швидкістю, і навіть наближення до неї потребує неймовірних енергій. Сучасні технології руху на порядки слабші від потрібного рівня, а тривалість польотів породжує проблеми радіації, надійності та забезпечення життя. Хоча в теорії існують ідеї, як обійти чи пом’якшити ці обмеження – варп-рушії, двигуни на антиматерії, гібернація екіпажу – всі вони перебувають на стадії досліджень або навіть суто спекулятивних припущень. Науково-технічний прогрес продовжується, і можливо, в дуже віддаленому майбутньому людство знайде спосіб дістатися до інших зір. Однак, спираючись на сучасні наукові знання, міжзоряні польоти лишаються не здійсненною мрією – принаймні для найближчих поколінь.
Список використаних джерел:
Interstellar travel // Wikipedia: the free encyclopedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Interstellar_travel
Four Reasons Not to Give Up on Interstellar Travel // Scientific American. URL: Four Reasons Not to Give Up on Interstellar Travel
Will Light-Speed Space Travel Ever Be Possible? // Encyclopaedia Britannica. URL: Will Light-Speed Space Travel Ever Be Possible? | Britannica
Four Reasons Not to Give Up on Interstellar Travel // Scientific American. URL: Four Reasons Not to Give Up on Interstellar Travel
‘Warp drives’ may actually be possible someday, new study suggests // Space.com. URL: 'Warp drives' may actually be possible someday, new study suggests | Space
Alcubierre drive // Wikipedia: the free encyclopedia. URL: Alcubierre drive - Wikipedia
Antimatter // Wikipedia: the free encyclopedia. URL: Antimatter - Wikipedia
Sleeping Their Way to Mars // BBC Future. URL: Sleeping Their Way to Mars
Comments