В настоящее время ведущий термоядерный реактор на принципе магнитного удержания называется Международным термоядерным экспериментальным реактором (ITER). Он расположен на юге Франции. Эта чудовищная машина по размерам в 10 раз превосходит своего ближайшего конкурента. Реактор весит 5110 т, имеет 11,2 м в высоту и 19,5 м в диаметре, на строительство уже потрачено $14 млрд. Ожидается, что процесс синтеза будет запущен к 2035 г., а в конечном итоге ITER будет производить 500 МВт тепловой энергии (в сравнении с 1000 МВт электрической энергии стандартного блока урановой атомной электростанции). Ученые надеются, что это будет первый термоядерный реактор, который генерирует больше энергии, чем потребляет. Несмотря на серию задержек и перерасход средств, физики, с которыми я разговаривал, уверены, что ITER войдет в историю. Ну что ж, мы достаточно скоро узнаем, так ли это. Нобелевский лауреат Пьер-Жиль де Жен однажды сказал: «Мы говорим, что засунем Солнце в ящик. Отличная идея. Проблема в том, что мы не знаем, как сделать этот ящик».
Другой вариант ракеты «Дедал» может получать энергию от лазерного термоядерного синтеза, при котором мощные лазерные лучи сжимают таблетку обогащенного водородом материала. Этот процесс называют инерциальным удержанием. Он экспериментально воспроизведен в установке National Ignition Facility (NIF) на базе Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии. Тамошняя батарея лазеров — 192 мощнейших луча в трубках длиной около 1,5 км — самая большая в мире. Когда все эти лазерные лучи фокусируются на крохотном образце богатого водородом дейтерида лития, их энергия поджигает поверхность вещества и инициирует мини-взрыв, в результате которого таблетка схлопывается, а ее температура поднимается до 100 млн градусов Цельсия. Запускается реакция синтеза, в ходе которой за несколько триллионных долей секунды высвобождается энергия, обеспечивающая мощность в 500 трлн ватт.
Я видел демонстрацию работы NIF, когда участвовал в съемках документального фильма для канала Discovery/Science. В Ливерморской лаборатории разрабатывается ядерный арсенал США, и посетители проходят серию проверок. Когда я наконец попал внутрь, впечатление было ошеломляющим. В главной камере установки, где сходятся лазерные лучи, легко мог бы разместиться пятиэтажный жилой дом.
Еще в одной версии проекта «Дедал» предлагается применить процесс, сходный с лазерным ядерным синтезом. Вместо лазерного луча для разогревания богатой водородом таблетки используется множество электронных пучков. Если за секунду взрывать 250 таких таблеток, по идее, будет вырабатываться достаточно энергии для разгона космического корабля до скорости, составляющей некоторую долю скорости света. Однако эта конструкция требует создания термоядерного корабля поистине гигантских размеров. В одном из вариантов корабль должен весить 54 000 т и быть длиной около 190 м, при этом его максимальная скорость составит 12 % от скорости света. Корабль настолько огромен, что строить его пришлось бы в открытом космосе.
Идея термоядерного ракетного двигателя выглядит вполне обоснованной, но мы пока не умеем управлять термоядерной энергией[39]. Кроме того, огромные габариты и сложность этих кораблей вызывают сомнения в их реализуемости, по крайней мере в этом столетии. Тем не менее термоядерные ракеты, наряду со световыми парусами, относятся к разряду наиболее перспективных решений.
Звездные корабли на антивеществе
Технологии пятой волны (к которым относятся двигатели на антивеществе (антиматерии), световые паруса, термоядерные двигатели и нанокорабли), возможно, откроют нам потрясающие перспективы. Двигатели на антивеществе, которыми снабжены космические корабли в сериале «Звездный путь», когда-нибудь могут стать реальностью. Они будут использовать величайший источник энергии во Вселенной — прямое превращение материи в энергию при аннигиляции вещества и антивещества[40].
Антивещество (антиматерия) представляет собой противоположность веществу (материи), в частности, в том смысле, что частицы и античастицы обладают противоположным электрическим зарядом. Антиэлектрон имеет положительный заряд, антипротон — отрицательный. В старших классах школы я пытался исследовать антивещество, помещая капсулу с натрием-22, который испускает антиэлектроны, в конденсационную камеру и фотографируя красивые треки, оставленные антивеществом. Затем я построил бетатрон — ускоритель частиц на 2,3 млн электронвольт — в надежде исследовать свойства антивещества.
Когда вещество и антивещество соприкасаются, они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию, так что можно сказать, что эта реакция высвобождает энергию со 100 %-ной эффективностью. Для сравнения: эффективность ядерного оружия составляет всего 1 %; большая часть энергии, содержащейся в водородной бомбе, теряется напрасно.
По идее, конструкция ракеты на антивеществе должна быть довольно простой. Антивещество в ней должно храниться в безопасных контейнерах и постепенно тонкой струйкой подаваться в камеру. Там оно должно соединяться с обычным веществом, взрываться и давать вспышку гамма- и рентгеновского излучения. Высвободившаяся при этом энергия будет выбрасываться через отверстие в реактивное сопло, создавая тягу.
Как отметил Джеймс Бенфорд, ракеты на антивеществе — любимая идея поклонников научной фантастики, но с их строительством могут появиться серьезные проблемы. Во-первых, антивещество хоть и возникает в результате естественных процессов, но лишь в относительно небольших количествах, так что нам пришлось бы производить его в больших количествах для использования в двигателях. Первый атом антиводорода, в котором антиэлектрон обращается вокруг антипротона, был получен в 1995 г. в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Для этого пучок обычных протонов был направлен на мишень из обычного вещества. В результате столкновений было получено несколько частиц-антипротонов. Мощнейшие магнитные поля отделили протоны от антипротонов, разогнав их в противоположных направлениях. Затем антипротоны замедлили, поместили в магнитную ловушку и там соединили с антиэлектронами, чтобы получился антиводород. В 2016 г. физики ЦЕРН, получив антиводород, проанализировали окружающие антипротон антиэлектронные оболочки. Как и ожидалось, обнаружилось точное соответствие между энергетическими уровнями антиводорода и обычного водорода.
В ЦЕРН объявили: «Если бы мы сумели собрать всю антиматерию, которую когда-либо получали в ЦЕРН, и аннигилировать его с материей, мы получили бы достаточно энергии, чтобы питать обычную электрическую лампочку в течение нескольких минут». Для ракеты потребуется гораздо больше антивещества. К тому же антивещество — самая дорогая форма материи в мире. В сегодняшних ценах 1 г антивещества обошелся бы примерно в $70 трлн. Его можно получить (в очень маленьких количествах) только при помощи ускорителей частиц, строительство и эксплуатация которых обходится чрезвычайно дорого. Сооружение Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН — самого мощного ускорителя в мире — стоило более $10 млрд, но он может выдать лишь очень тонкий пучок антивещества. Попытка собрать его в количестве, достаточном для заправки космического корабля, обанкротила бы Соединенные Штаты.
Гигантские современные машины для сталкивания атомов универсальны и используются исключительно как исследовательские инструменты — для производства антивещества они совершенно неэффективны. Частичным
