Циолковский развил концепцию светового паруса — космического корабля, использующего для разгона давление солнечного света. Но история солнечного паруса развивалась очень неравномерно. В НАСА этот проект никогда не рассматривался как приоритетный. Экспериментальные аппараты Планетарного общества «Космос-1» (2005 г.) и разработанный НАСА «НаноСэйл-Д» (NanoSail-D, 2008 г.) погибли при неудачных пусках. «НаноСэйл-Д2» в 2010 г. вышел на низкую околоземную орбиту. Единственную успешную попытку отправить солнечный парус за пределы орбиты Земли осуществили в 2010 г. японцы: их аппарат IKAROS развернул парус размером 14×14 м и двигался за счет давления солнечного света. Через полгода он достиг Венеры, доказав таким образом принципиальную возможность использования солнечных парусов.
Тем не менее, несмотря на неуверенное развитие, идея солнечного паруса не умирает. Европейское космическое агентство рассматривает возможность запуска солнечного паруса Gossamer, который должен будет вывести с орбиты часть космического мусора — тысячи искусственных объектов, которые беспорядочно носятся в околоземном пространстве.
Не так давно я брал интервью у Джеффри Лэндиса — ученого НАСА и выпускника Массачусетского технологического института, работающего не только над солнечным парусом, но и над марсианской программой. Он и его жена Мэри Турзилло пишут научно-фантастические романы и получают за них литературные премии. Я спросил, как ему удается совмещать такие разные миры — мир, который населяют скрупулезные ученые с хитроумными формулами, и другой, населенный фанатами космоса и исследователями НЛО. Он ответил, что научная фантастика тем и хороша, что позволяет ему свободно рассуждать и фантазировать о далеком будущем. Физика, сказал он, не позволяет оторваться от земли.
Специализация Лэндиса — световой парус. Он предложил для полета к альфе Центавра корабль, который представлял бы собой световой парус из сверхтонкого материала, по структуре напоминающего алмаз, размером несколько сотен километров в поперечнике. Этот гигантский корабль будет весить, скажем, 1 млн т, а ресурсы на его строительство и разгон придется собирать со всей Солнечной системы: в частности, для этого потребуется несколько лазерных батарей в окрестностях Меркурия. Чтобы корабль смог остановиться в пункте назначения, его предполагается оборудовать большим «магнитным парашютом», поле в котором генерировалось бы проволочной петлей диаметром 100 км. Атомы водорода в космическом пространстве проходили бы сквозь эту петлю и порождали трение, которое за несколько десятилетий постепенно замедлило бы световой парус. Путешествие к альфе Центавра и обратно заняло бы 200 лет, так что в экипаже сменилось бы несколько поколений. Хотя такой корабль физически реализуем, его строительство обошлось бы очень дорого, и Лэндис признал, что на его сборку и испытания могло бы уйти от 50 до 100 лет. Пока ученый участвует в проекте лазерного паруса Breakthrough Starshot.
Ионные двигатели
Помимо лазерной тяги и солнечных парусов, имеется множество других потенциальных способов приводить в движение звездные корабли. Чтобы иметь возможность сравнивать эти способы, введена концепция «удельного импульса», который равен тяге ракеты, умноженной на время работы ее двигателей. (Удельный импульс измеряется в секундах.) Чем дольше работают двигатели ракеты, тем больше ее удельный импульс, исходя из которого можно вычислить конечную скорость ракеты.
Вот простая табличка, в которой указаны удельные импульсы нескольких типов ракет. Я не включил сюда некоторые варианты, такие как лазерная ракета, солнечный парус и ракета с прямоточным термоядерным двигателем; формально они имеют бесконечный удельный импульс, поскольку их двигатели могут работать неограниченно долгое время.
Обратите внимание: химические ракеты, двигатели которых работают всего по несколько минут, имеют самое низкое значение удельного импульса. За ними в списке располагаются ионные двигатели, которые могут быть эффективны в полетах к близлежащим планетам. Ионные двигатели работают на газе, к примеру на ксеноне, «сдирая» электроны с его атомов и превращая последние в ионы (заряженные фрагменты атомов), а затем ускоряют эти ионы при помощи электрического поля. Внутренности ионного двигателя в принципе напоминают внутренности телевизора, где электрическое и магнитное поля направляют в нужное место пучок электронов.
Тяга ионных двигателей мучительно мала — зачастую она измеряется в десятках граммов, и, когда вы включаете такой двигатель в лаборатории, ничего на первый взгляд не происходит. Но в космосе такой аппарат со временем может набрать скорость, превосходящую максимальную скорость химических ракет. Ионные двигатели сравнивают с черепахой, которая бежит наперегонки с зайцем, в роли которого в данном случае выступают химические ракеты. Конечно, заяц может развить огромную скорость, но ненадолго, всего на несколько минут, на большее ему не хватает выносливости. Черепаха, с другой стороны, движется медленнее, но может ползти сутками и потому соревнование на длинную дистанцию выиграет. Ионные двигатели могут работать по несколько лет подряд, и, значит, ракеты с ними имеют значительно более высокий удельный импульс по сравнению с химическими ракетами.
Чтобы повысить мощность ионного двигателя, можно было бы ионизировать газ при помощи микроволн или радиоволн, а затем разгонять ионы при помощи магнитных полей. Такой вариант двигателя называется плазменным, и в теории он может сократить время полета на Марс с девяти месяцев до менее чем 40 дней — по крайней мере, так говорят его поклонники, — но на данный момент эта технология находится еще в стадии разработки. Один из ограничивающих факторов плазменного двигателя — большое количество электроэнергии, необходимое для создания плазмы, так что для межпланетных экспедиций может потребоваться атомная станция.
НАСА изучает и строит ионные двигатели уже несколько десятилетий. К примеру, Deep Space Transport, который в 2030-х гг., возможно, понесет наших астронавтов к Марсу, использует ионную тягу. Ближе к концу этого столетия ионные двигатели, скорее всего, будут использоваться для межпланетных экспедиций. И хотя для срочных задач, пожалуй, лучше подходят все же химические ракеты, ионные двигатели станут верным и надежным вариантом в тех случаях, когда время не играет особой роли.
Выше ионного двигателя в рейтинге удельных импульсов стоят более спорные системы тяги. Мы поговорим о каждой из них ниже.
Столетний космический корабль
В 2011 г. DARPA и НАСА организовали интереснейший симпозиум под названием 100 Year Starship («Столетний космический корабль»). В нем приняли участие ведущие ученые, которые могли бы составить примерный план межзвездных путешествий на следующее столетие. Проект был организован «старой гвардией» космической отрасли — неформальной группой пожилых физиков и инженеров. Многим из них уже за 70, и они хотят, чтобы их коллективное знание помогло человечеству добраться до звезд. Тем более что сами они работают над этим уже несколько десятилетий.
Лэндис тоже принадлежит к «старой гвардии». Но среди этих людей есть и необычная пара —
