Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
Могут ли межзвездные перелеты превратиться из несбыточной мечты в реальную перспективу?
Ученые всего мира говорят, что человечество все дальше продвигается в освоении космоса, появляются все новые открытия и технологии. Однако о межзвездных перелетах людям приходится пока еще только мечтать. Но так ли недостижима и нереальна эта мечта? Чем располагает человечество сегодня и каковы перспективы на будущее?
По оценкам специалистов, если прогресс не застопорится на месте, то на протяжении одного или двух веков, человечество сможет исполнить свою мечту. Сверхмощный телескоп «Кеплер» в свое время позволил астрономам обнаружить 54 экзопланеты, где не исключено развитие жизни, а сегодня уже подтверждено существование 1028 таких планет. Эти планеты, обращающиеся вокруг звезды за пределами Солнечной системы, находятся на таком отдалении от центральной звезды, что на их поверхности возможно поддержание воды в жидком состоянии.
Однако получить ответ на главный вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной — пока невозможно из-за гигантских расстояний до ближайших планетных систем. Множество экзопланет, на расстояние ста и менее световых лет от Земли, а также громадный научный интерес, который они вызывают, заставляют взглянуть на идею межзвездных перелетов совершенно по-иному.
Полет к другим планетам будет зависеть от разработки новых технологий и выбора способа, который необходим для достижения такой далекой цели. А пока выбор еще не сделан.
Для того чтобы земляне смогли преодолевать невероятно огромные космические расстояния, причем за сравнительно короткий срок, инженерам и космологам придется создать принципиально новый двигатель. Говорить о межгалактических перелетах пока рано, но человечество могло бы исследовать – Млечный путь, галактику, в которой находится Земля и Солнечная система.
Галактика Млечный путь насчитывает около 200 – 400 миллиардов звезд, вокруг которых по своим орбитам движутся планеты. Ближе всех к Солнцу находится звезда под названием Альфа Центавра. Расстояние до нее примерно сорок триллионов километров или 4,3 световых года.
Ракете с обычным двигателем придется лететь до нее примерно 40 тысяч лет! Пользуясь формулой Циолковского легко подсчитать, что для того, чтобы разогнать космический аппарат с реактивным двигателем на ракетном топливе до скорости в 10% от скорости света, нужно больше горючего, чем его имеется на всей Земле. Поэтому говорить о космической миссии при современных технологиях, это полный абсурд.
Как считают ученые, будущие космические звездолеты смогут летать с использованием термоядерного ракетного двигателя. Реакция термоядерного синтеза позволяет производить энергию на единицу массы в среднем почти в миллион раз больше, чем при химическом процессе сгорания.
Как раз поэтому в 1970 годах группа инженеров совместно с учеными разработали проект гигантского межзвездного корабля с термоядерной двигательной установкой. Беспилотный космический корабль Дедал предполагалось оборудовать импульсным термоядерным двигателем. Небольшие гранулы должны были вбрасываться в камеру сгорания и воспламеняться пучками мощных электронных лучей. Плазма, как продукт термоядерной реакции, вылетающая из сопла двигателя, придает тяговое усилие кораблю.
Предполагалось, что Дедал должен был лететь к звезде Барнарда, путь до которой составляет шесть световых лет. Громаднейший космический корабль добрался бы до нее за 50 лет. И хотя проект не был осуществлен, до сегодняшнего дня нет более реального технического проекта.
Другим направлением в технологии создания межзвездных кораблей является солнечный парус. Использование солнечного паруса рассматривается сегодня как самый перспективный и реалистичный вариант звездолёта. Превосходство солнечного парусника в том, что на борту не нужно топливо, а это значит, что намного возрастет полезная нагрузка по сравнению с другими космическими кораблями. Уже сегодня существует возможность постройки межзвездного зонда, где давление солнечного ветра будет основным источником энергии корабля.
О серьезности намерений освоения межпланетных полетов говорит проект, который разрабатывается с 2010 года в одной из основных научных лабораторий НАСА. Ученые работают над проектом по подготовке в течение ближайших ста лет пилотируемого полета к другим звездным системам.
В процессе верстки исправлены регистры чисел и опечатки в формулах. Приведены в читаемый вид таблицы.
Люди уже давно мечтают о полетах через космическое пространство к другим звездам, о путешествиях по другим мирам и встречах с неземным разумом. Фантасты исписали горы бумаги, пытаясь представить, как это будет происходить, они выдумали разнообразную технику, способную осуществить эти мечты. Но пока это только фантазии. Попробуем представить, как такой полет может выглядеть в реальности. Из сказанного следует, что отклонить налетающие частицы межзвездной среды не получится, и звездолету придется принимать их своим корпусом. Это приводит к некоторым требованиям к конструкции звездолета: впереди него должен находиться экран (например, в виде конической крышки), который будет защищать основной корпус от воздействия космических частиц и излучений. А за экраном должен находиться радиатор, отводящий тепло от экрана (и одновременно служащий вторичным экраном), прикрепленный к основному корпусу звездолета термоизолирующими балками. Необходимость такой конструкции объясняется тем, что налетающие атомы имеют большую кинетическую энергию, они будут глубоко внедряться в экран и, тормозясь в нем, рассеивать эту энергию в виде теплоты. Например, при скорости полета 0,75
с энергия протона водорода будет примерно 500
Мэв - в единицах ядерной физики, что соответствует 8·10 -11
Дж. Он будет внедряться в экран на глубину нескольких миллиметров и передаст эту энергию колебаниям атомов экрана. А таких частиц будет налетать около 2·10 10
атомов и столько же молекул водорода в секунду на 1
см 2 ,то есть каждую секунду на 1
см 2 поверхности экрана будет поступать 4.8
Дж энергии, переходящей в теплоту. А проблема в том, что в космосе отводить эту теплоту можно только путем излучения электромагнитных волн в окружающее пространство (воздуха и воды там нет). Это значит, что экран будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое электромагнитное излучение не сравняется с поступающей от налетающих частиц мощностью. Тепловое излучение телом электромагнитной энергии определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергия, излучаемая за секунду с 1
см 2 поверхности равна q=sТ 4
где s
=5.67·10 -12
Дж/см 2 К 4 -постоянная Стефана, а Т
- температура поверхности тела. Условием установления равновесия будет sТ 4 =Q
где Q
- поступающая мощность, то есть температура экрана будет Т=(Q/s) 1/4
. Подставляя в эту формулу соответствующие значения, найдем, что экран будет нагреваться до температуры 959
о К = 686
о С. Понятно, что при больших скоростях эта температура будет еще выше. Это значит, например, что экран нельзя делать из алюминия (его температура плавления всего 660
о С), и его нужно термоизолировать от основного корпуса звездолета - иначе будут недопустимо греться жилые отсеки. А для облегчения теплового режима экрана к нему необходимо присоединить радиатор с большой поверхностью излучения (можно из алюминия), например в виде клеточной системы продольных и поперечных ребер, при этом поперечные ребра будут одновременно выполнять функцию вторичных экранов, защищая жилые отсеки от осколков и тормозного излучения попадающих в экран частиц и т.п. Но защита от атомов и молекул - не главная проблема межзвездного полета. Астрономы, наблюдая поглощение света от звезд, установили, что в межзвездном пространстве имеется значительное количество пыли. Такие частицы, сильно рассеивающие и поглощающие свет, имеют размеры 0.1-1
микрон и массу порядка 10 -13
г, а их концентрация много меньше концентрации атомов и равна примерно r
=10 -12
1/см 3 Судя по их плотности (1
г/см 3) и показателю преломления (n
=1.3
) они представляют собой в основном снежные комочки, состоящие из смерзшихся космических газов (водорода, воды, метана, аммиака) с примесью твердых углеродных и металлических частичек. Видимо, именно из них образуются ядра комет, имеющие такой же состав. И хотя это должны быть довольно рыхлые образования, при околосветовых скоростях они могут нанести большой вред. Как видно, энергия тела резко растет с приближением v к скорости света c: Так, при скорости 0.7
с пылинка с m=10 -13
г имеет кинетическую энергию 3.59
Дж (см. Таблицу 1) и попадание ее в экран эквивалентно взрыву в нем примерно 1
мг тротила. При скорости 0.99
с эта пылинка будет иметь энергию 54.7
Дж, что сравнимо с энергией пули, выпущенной из пистолета Макарова (80
Дж). При таких скоростях получится, что каждый квадратный сантиметр поверхности экрана непрерывно обстреливается пулями (причем разрывными) с частотой 12
выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Таблица 1 Энергетические соотношения
Обозначения: Е р
- кинетическая энергия протона в Мэв К
- кинетическая энергия 1 Кг вещества в Дж Т
- тротиловый эквивалент килограмма в тоннах тротила. Для оценки последствий удара частицы в поверхность можно использовать формулу, предложенную специалистом по этим вопросам Ф.Уипплом (,стр.134), согласно которой размеры образовавшегося кратера равны где d
- плотность вещества экрана, Q
- его удельная теплота плавления. Но здесь то нужно иметь в виду, что на самом деле мы не знаем, как пылинки будут воздействовать на материал экрана при таких скоростях. Эта формула справедлива для небольших скоростей удара (порядка 50
км/с и менее), а при оклосветовых скоростях воздействия физические процессы удара и взрыва должны протекать совсем иначе и гораздо интенсивнее. Можно только предполагать, что в силу релятивистских эффектов и большой инерции материала пылинки взрыв будет направлен вглубь экрана, по типу кумулятивного взрыва, и приведет к образованию гораздо более глубокого кратера. Приведенная формула отражает общие энергетические соотношения, и мы допустим, что она годится для оценки результатов удара и для околосветовых скоростей. d
=0.00126·Е
1/3
метров При v
=0.1
c получим Е
=0.045
Дж и d
=0,00126·0.356=0.000448
м=0.45
мм. Легко найти, что пройдя путь в 1
световой год, экран звездолета встретит n=rs
=10 -12 ·9.46·10 17 =10 6
пылинок на каждый см 2 ,и каждые 500
пылинок сроют слой 0.448
мм экрана. Значит, после 1
светового года пути экран будет стерт на толщину 90
см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5
метров и массу около 2.25
тысячи тонн. При больших скоростях дело будет обстоять еще хуже: Таблица 2 Толщина Х
титана, стираемого за 1
световой год пути Как видно, при v/c
>0.1
экран должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн). Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны. Рассмотренное абразивное действие космической пыли на самом деле не исчерпывает всего спектра воздействий, которым подвергнется звездолет во время межзвездного полета. Очевидно, что в межзвездном пространстве есть не только пылинки, но и тела других размеров и масс, однако астрономы не могут непосредственно наблюдать их из-за того, что хотя их размеры больше, но самих их меньше, так что они не дают ощутимого вклада в поглощение света звезд (рассмотренные ранее пылинки имеют размер порядка длины волны видимого света и поэтому сильно его поглощают и рассеивают, и их достаточно много, поэтому астрономы в основном их и наблюдают). Ф(М
)=Ф(1)/M
1.1
Наиболее достоверные результаты по этому вопросу получены по измерениям микрократеров, образовавшихся на поверхностях космических аппаратов (,стр.195), они тоже дают k
=1.1
в интервале масс от 10 -6
до 10 5
г. Для меньших масс остается предполагать, что это распределение выполняется и для них. Для величины потока частиц массивнее 1
г различные измерения дают значения 10 -15
1) 2·10 -14 1/м 2 с, и поскольку величина потока связана с пространственной плотностью тел соотношением Ф=rv
, то отсюда можно найти, что концентрация в космосе тел с массой более М
дается формулой r(М
)=r 1 /М
1.1
где параметр r 1
можно найти приняв среднюю скорость спорадических метеорных частиц равной v
=15
км/с (как это видно из измерений П.Миллмана), тогда r 1 =Ф(1)/v
получается равной в среднем 5·10 -25
1/см 3. Библиография
1. Новиков И.Д. Теория относительности и межзвездные перелеты - М.:Знание,1960
Иван Александрович Корзников
Реальности межзвездных полетов
Расстояния между звездами так велики, что свет от одной звезды до другой распространяется годами, а он движется с очень большой скоростью с
=299 793 458
м/с. Для измерения этих расстояний астрономы используют специальную единицу - световой год, она равна расстоянию которое проходит свет за 1
год: 1
св. год = 9.46·10 15
метров (это примерно в 600
раз больше размеров солнечной системы). Астрономы подсчитали, что в сфере радиусом 21.2
световых лет вкруг Солнца имеется 100
звёзд, входящих в 72
звездные системы (двойные, тройные и т.д. системы близких звезд). Отсюда легко найти, что на одну звездную систему в среднем приходится объем пространства 539
кубических световых лет, а среднее расстояние между звездными системами составляет примерно 8.13
световых лет. Реальное расстояние может быть и меньше - так, до ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра 4.35
св. л, но в любом случае межзвездный перелет представляет собой преодоление расстояния по крайней мере в несколько световых лет. А это значит, что скорость звездолета должна быть не меньше, чем 0.1
с - тогда перелет займет несколько десятков лет и может быть осуществлен одним поколением астронавтов.
Таким образом, скорость звездолета должна быть больше 30 000
км/с. Для земной техники это пока недостижимая величина - мы едва освоили скорости в тысячу раз меньше. Но допустим, что все технические проблемы решены, и наш звездолет имеет двигатель (фотонный или какой угодно другой), способный разогнать космический корабль до таких скоростей. Нас не интересуют детали его устройства и функционирования, для нас здесь важно только одно обстоятельство: современная наука знает только один способ разгона в космическом пространстве - реактивное движение, которое основано на выполнении закона сохранения импульса системы тел. И важно здесь то, что при таком движении звездолет (и любое другое тело) именно перемещается в пространстве, физически взаимодействуя со всем, что в нем находится.
Фантасты в своих фантазиях придумали разнообразные "гиперпространственные скачки" и "субпространственные переходы" от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области пространства, но все это, по представлениям современной науки, не имеет никаких шансов на осуществление в реальности. Современная наука твердо установила, что в природе выполняются определенные законы сохранения: закон сохранения импульса, энергии, заряда и т. д. А при "гиперпространственном скачке" получается, что в некоторой области пространства энергия, импульс и заряды физического тела просто исчезают, то есть эти законы не выполняются. С точки зрения современной науки это значит, что такой процесс не может быть осуществлен. Да и главное - непонятно, что это вообще такое, это "гиперпространство" или "субпространство", попав в которое, физическое тело перестает взаимодействовать с телами в реальном пространстве. В реальном мире существует лишь то, что себя проявляет во взаимодействии с другими телами (собственно, пространство и есть отношение существующих тел), и это значит, что такое тело фактически перестанет существовать - со всеми вытекающими последствиями. Так что все это - бесплодные фантазии, которые не могут быть предметом серьезного обсуждения.
Итак, допустим, что имеющийся реактивный двигатель разогнал звездолет до необходимой нам субсветовой скорости, и он с этой скоростью перемещается в космическом пространстве от одной звезды к другой. Некоторые аспекты такого полета уже давно обсуждаются учеными (, ), но они рассматривают в основном различные релятивистские эффекты такого движения, не обращая внимания на другие существенные аспекты межзвездного полета. А реальность такова, что космическое пространство - не абсолютная пустота, оно представляет собой физическую среду, которую принято называть межзвездной средой. В ней есть атомы, молекулы, пылинки и другие физические тела. И со всеми этими телами звездолету придется физически взаимодействовать, что при движении с такими скоростями превращается в проблему. Рассмотрим эту проблему подробнее.
Астрономы, наблюдая радиоизлучение из космической среды и прохождение через нее света нашли, что в космическом пространстве имеются атомы и молекулы газов: в основном это атомы водорода Н
, молекулы водорода Н 2
(их по количеству примерно столько же, как и атомов Н
), атомы гелия Не
(их в 6
раз меньше, чем атомов Н
), и атомы других элементов (больше всего углерода С, кислорода О
и азота N
), которые в сумме составляют около 1
% всех атомов. Обнаружены даже такие сложные молекулы, как СО 2 , СН 4 , НСN , Н 2 О, NH 3 , НСООН
и другие, но в мизерных количествах (их в миллиарды раз меньше, чем атомов Н
). Концентрация межзвездного газа очень мала и составляет (вдали от газопылевых облаков) в среднем 0,5-0,7
атомов на 1
см 3 .
Понятно, что при движении звездолета в такой среде этот межзвездный газ будет оказывать сопротивление, тормозя звездолет и разрушая его оболочки. Поэтому было предложено обратить вред в пользу и создать прямоточный реактивный двигатель, который, собирая межзвездный газ (а он на 94
% состоит из водорода) и аннигилируя его с запасами антивещества на борту, получал бы таким образом энергию для движения звездолета. По проекту авторов впереди звездолета должен находиться ионизирующий источник (создающий электронный или фотонный луч, ионизирующий налетающие атомы) и магнитная катушка, фокусирующая получившиеся протоны к оси звездолета, где они используются для создания фотонной реактивной струи.
К сожалению, при детальном рассмотрении оказывается, что этот проект неосуществим. Прежде всего, ионизирующий луч не может быть электронным (как настаивают авторы) по той простой причине, что звездолет, испускающий электроны, сам будет заряжаться положительным зарядом, и рано или поздно поля, создаваемые этим зарядом, нарушат работу систем звездолета. Если же использовать фотонный луч, то тогда (впрочем, как и для электронного луча) дело упирается в маленькое сечение фотоионизации атомов. Проблема в том, что вероятность ионизации атома фотоном очень мала (поэтому воздух не ионизируется мощными лучами лазеров). Количественно она выражается сечением ионизации, которое численно равно отношению числа ионизированных атомов к плотности потока фотонов (числу налетевших фотонов на 1
см 2 за секунду). Фотоионизация атомов водорода начинается при энергии фотонов 13.6
электронвольт=2.18·10 -18
Дж (длина волны 91.2
нм), и при этой энергии сечение фотоионизации максимально и равно 6.3·10 -18
см 2 (,стр.410). Это значит, что для ионизации одного атома водорода требуется в среднем 1.6·10 17
фотонов на см 2 за секунду. Поэтому мощность такого ионизирующего луча должна быть гигантской: если звездолет движется со скоростью v
то за 1
секунду на 1
см 2 его поверхности налетает rv
встречных атомов, где r
- концентрация атомов, что в нашем случае околосветового движения составит величину порядка rv
=0.7·3·10 10 =2·10 10
атомов в секунду на 1
см 2 . Значит, поток ионизирующих фотонов должен быть не меньше n=
2·10 10 / 6.3·10 -18 =3·10 27
1/см 2 ·с. Энергия, которую несет такой поток фотонов будет равна е
=2.18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9
Дж/см 2 ·с.
К тому же, кроме атомов водорода, на звездолет будет налетать столько же молекул Н 2
, а их ионизация происходит при энергии фотонов 15.4
эв (длина волны 80.4
нм). Это потребует увеличения мощности потока примерно в два раза, и полная мощность потока должна быть е
=1.3·10 10
Дж/см 2 . Для сравнения можно указать, что поток энергии фотонов на поверхности Солнца равен 6.2·10 3
Дж/см 2 ·с, то есть звездолет должен светить в два миллиона раз ярче Солнца.
Поскольку энергия и импульс фотона связаны соотношением Е=рс
, то этот поток фотонов будет иметь импульс р=еS/с
где S
- площадь массозаборника (порядка 1000
м 2), что составит 1.3·10 10 ·10 7 / 3·10 8 =4.3·10 8
Кг·м/с, и этот импульс направлен против скорости и тормозит звездолет. Фактически получается, что впереди звездолета стоит фотонный двигатель и толкает его в обратном направлении - ясно, что такой тяни-толкай далеко не улетит.
Таким образом, ионизация налетающих частиц слишком накладна, а другого способа концентрации межзвездных газов современная наука не знает. Но даже если такой способ будет найден, то прямоточный двигатель все равно себя не оправдает: еще Зенгер показал (,стр.112), что величина тяги прямоточного фотонно-реактивного двигателя ничтожна и он не может быть использован для разгона ракеты с высоким ускорением. Действительно, полный приток массы набегающих частиц (в основном атомов и молекул водорода) составит dm=3m p Srv
=3·1.67·10 -27 ·10 7 · 2·10 10 =10 -9
Кг/с. При аннигиляции эта масса будет выделять максимум W=mc
2 = 9·10 7
Дж/с, и если вся эта энергия уйдет на формирование фотонной реактивной струи, то прирост импульса звездолета за секунду будет составлять dр=W/c
=9·10 7 /3·10 8 =0.3
Кг·м/с, что соответствует тяге в 0.3
ньютона. Примерно с такой силой давит на землю маленькая мышка, и получается, что гора родила мышь. Поэтому конструирование прямоточных двигателей для межзвездных полетов не имеет смысла.
При таких скоростях начинают сильно проявляться релятивистские эффекты, и кинетическая энергия тела в релятивистской области определяется выражением 
v/c
1/(1-v 2 /c 2) 1/2
E p
K
T
0.1
1.005
4.73
4.53·10 14
1,09·10 5
0.2
1.020
19.35
1.85·10 15
4,45·10 5
0.3
1.048
45.31
4.34·10 15
1,04·10 6
0.4
1.091
85.47
8.19·10 15
1,97·10 6
0.5
1.155
145.2
1.39·10 16
3,34·10 6
0.6
1.25
234.6
2.25·10 16
5,40·10 6
0.7
1.40
375.6
3.59·10 16
8,65·10 6
0.8
1.667
625.6
5.99·10 16
1,44·10 7
0.9
2.294
1214
1.16·10 17
2,79·10 7
0.99
7.089
5713
5.47·10 17
1,31·10 8
0.999
22.37
20049
1.92·10 18
4,62·10 8
По видимому, лучшим материалом для экрана является титан (в силу его небольшой плотности и физических характеристик), для него d
=4.5
г/см 3 , а Q
=315
КДж/Кг, что дает
. . .
v/c
E
d
мм
X
м
0.1
0.045
0.448
0.9
0.2
0.185
0.718
3.66
0.3
0.434
0.955
9.01
0.4
0.818
1.178
16.4
0.5
1.39
1.41
27.6
Но о телах в далеком космосе можно получить представление по тем телам, которые мы наблюдаем в солнечной системе, в том числе вблизи Земли. Ведь, как показывают измерения, солнечная система движется относительно соседних звезд примерно в направлении Веги со скоростью 15.5
км/с, а значит, она каждую секунду заметает все новые и новые объемы космического пространства вместе с его содержимым. Конечно, не все вблизи Солнца пришло извне, многие тела изначально являются элементами солнечной системы (планеты, астероиды, многие метеорные потоки). Но астрономы не раз наблюдали например, полет некоторых комет, которые прилетели из межзвездного пространства и туда же улетели. Значит, там имеются и очень крупные тела (массой в миллионы и миллиарды тонн), но они встречаются очень редко. Понятно, что там могут встретиться тела практически любых масс, но с разной вероятностью. И чтобы оценить вероятность встречи с различными телами в межзвездном пространстве нам нужно найти распределение таких тел по массам.
Прежде всего нужно знать, что происходит с телами когда они находятся в солнечной системе. Это вопрос хорошо изучен астрофизиками , и они нашли, что время жизни не слишком крупных тел в солнечной системе очень ограничено. Так, мелкие частички и пылинки с массами менее 10 -12
г просто выталкиваются за пределы солнечной системы потоками света и протонов от Солнца (что видно по хвостам комет). Для более крупных частичек результат оказывается обратным: в результате так называемого эффекта Пойнтинга-Робертсона они падают на Солнце, постепенно опускаясь к нему по спирали за время порядка нескольких десятков тысяч лет.
Это значит, что наблюдаемые в солнечной системе спорадические частицы и микрометеориты (не относящиеся к ее собственным метеорным потокам) попали в нее из окружающего космоса, так как ее собственные частицы такого типа давно исчезли. Поэтому искомую зависимость можно найти по наблюдениям спорадических частиц в самой солнечной системе. Такие наблюдения давно ведутся, и исследователи пришли к выводу (,), что закон распределения космических тел по массам имеет вид N(M)=N 0 /M i
Непосредственные измерения для спорадических метеоров в интервале масс от 10 -3
до 10 2
г (,стр.127) дают для плотности потока метеоров с массой более М
грамм зависимость
Из полученного распределения можно найти, что концентрация частиц, массы которых больше 0.1
г в среднем равна r
(0.1)=r 1
· (10) · 1.1=6.29·10 -24
1/см 3 , а это значит, что на пути в 1
световой год звездолет встретит на 1
см 2 поверхности n=rs
=5.9·10 -6
таких частиц, что при общей площади S
=100
м 2 =10 6
см 2 составит не менее 5
частиц массивнее 0.1
г на все поперечное сечение звездолета. А каждая такая частица при v
=0.1
c имеет энергию более 4.53·10 10
Дж, что эквивалентно кумулятивному взрыву 11
тонн тротила. Даже если экран такое выдержит, то дальше произойдет вот что: поскольку вряд ли частица ударит точно в центр экрана, то в момент взрыва появится сила, поворачивающая звездолет вокруг его центра масс. Она, во-первых, слегка изменит направление полета, а, во-вторых, повернет звездолет, подставив его бок встречному потоку частиц. И звездолет будет быстро искромсан ими, а если на его борту имеются запасы антивещества, то все завершится серией аннигиляционных взрывов (или одним большим взрывом).
Некоторые авторы высказывают надежду , что от опасного метеорита можно уклониться. Посмотрим, как это будет выглядеть на субсветовой скорости v
=0.1
c. Метеорит весом 0.1
г имеет размер около 2
мм и энергию, эквивалентную 10.9
тонн тротила. Попадание его в звездолет приведет к фатальному взрыву, и придется от него уклоняться. Допустим, что радар звездолета способен обнаружить такой метеорит на расстоянии х
=1000
км - хотя непонятно, как это будет осуществляться, так как с одной стороны, радар должен находиться перед экраном, чтобы выполнять свою функцию, а с другой стороны - за экраном, чтобы не быть уничтоженным потоком набегающих частиц.
Но допустим, тогда за время t = x/v
= 0.03
секунды звездолет должен среагировать и отклониться на расстояние у
= 5
м (считая диаметр звездолета 10
метров). Это значит, что он должен приобрести в поперечном направлении скорость u=y/t
- опять же за время t
, то есть его ускорение должно быть не меньше a=y/t 2
= 150
м/с 2 . Это ускорение в 15
раз больше нормального, и его не выдержит никто из экипажа, да и многие приборы звездолета. И если масса звездолета составляет около 50 000
тонн, то для этого потребуется сила F= am
= 7.5·10 9
ньютон. Такую силу на время в тысячные доли секунды можно получить только произведя на звездолете мощный взрыв: при химическом взрыве получается давление порядка 10 5
атмосфер=10 10
Ньютон/м 2 и оно будет способно свернуть звездолет в сторону. То есть, чтобы уклониться от взрыва нужно звездолет взорвать...
Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями, порядка 0.01
с и менее. Это значит, что колонизация иных миров может происходить медленными темпами, так как каждый перелет будет занимать сотни и тысячи лет, и для этого нужно будет посылать к другим звездам большие колонии людей, способные существовать и развиваться самостоятельно. Для такой цели может подойти небольшой астероид из смерзшегося водорода: внутри него можно устроить город подходящих размеров, где будут жить астронавты, а сам материал астероида будет использоваться в качестве топлива для термоядерной энергетической установки и двигателя. Других путей освоения дальнего космоса современная наука предложить не может.
Во всем этом есть только один положительный аспект: вторжение полчищ агрессивных инопланетян Земле не грозит - это слишком сложное дело. Но обратная сторона медали заключается в том, что и добраться до миров, где есть "братья по разуму" не удастся в течении ближайших нескольких десятков тысяч лет. Поэтому наиболее быстрым способом обнаружения инопланетян является установление связей с помощью радиосигналов или каких-либо других сигналов.
__________________________________________________
[ оглавление ]
2. Перельман Р.Г. Цели и пути освоения космоса - М.:Наука,1967
3. Перельман Р.Г. Двигатели галактических кораблей - М.: изд. АН СССР,1962
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика - М.:Атомиздат,1976
5. Зенгер Е., К механике фотонных ракет - М.: изд. Иностранной литературы,1958
6. Закиров У.Н. Механика релятивистских космических полетов - М.:Наука,1984
7. Аллен К.У. Астрофизические величины - М.:Мир,1977
8. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики - М.:Наука,1971
9. Физические величины (Справочник) - М.:Энергоатомиздат,1991
10. Бурдаков В.П., Зигель Ф.Ю. Физические основы космонавтики (физика космоса) - М.:Атомиздат,1974
11. Спитцер Л. Пространство между звездами - М.:Мир,1986.
12. Лебединец В.М. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль - Л.: Гидрометеоиздат,1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдение - М.:Наука,1987
14. Акишин А.И.,Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов - М.:Знание,1983
Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov
Как, не разобравшись во всех этих вещах, приступать к созданию искусственного интеллекта?
Но мысль об этом вошла уже в сознание. Пожалуй, самой популярной среди самых любопытных и предприимчивых стала задача создания искусственного интеллекта. Надо думать, это дело пойдет. Появятся и более понятные трудности. Если передавать личность на галактические расстояния, то придется создавать антенны с размерами порядка километров и передатчики с мощностью порядка 100 млн. кВт. Тем самым для реализации такого способа галактических путешествий необходимо создать приемные и передающие станции (например, в радиодиапазоне), развезти их (например, с помощью автоматических космических аппаратов) к возможным пунктам назначения (как правило, невдалеке от какой-либо звезды - для обеспечения приемопередающих станций энергией). При этом можно развозить приемопередающие станции, а можно только технологию, минимальный набор инструментов и роботов для изготовления их на месте назначения. Скорости космических аппаратов, которые уже летают в Солнечной системе, составляют десятки километров в секунду. Возможно достижение скоростей порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Но это означает, что время "развозки" станций по Галактике составит миллионы и даже сотни миллионов лет. Доставка станций с такими скоростями даже к ближайшим звездам, находящимся от нас на расстояниях десятков световых лет, потребует тысячелетий и десятков тысячелетий. За это время может быть утерян интерес к самому предприятию. Можно представить и другой путь осуществления звездных путешествий: выйти на связь с другими цивилизациями, передать им информацию о строительстве приемопередающей станции, пригодной для приема "наших" людей, информацию, необходимую для изготовления материального носителя для "нашего" человека, пакет информации с "нашим" путешественником, наладить с ними обмен информацией. Размышления о звездных полетах позволяют выделить несколько перспективных направлений работ, которые целесообразно проводить в ближайшие десятилетия. К ним относятся: создание все более и более крупных радиотелескопов с выходом на размеры порядка километров, разработка космических роботов, конструкции и идеологии космических "маяков", исследование возможности создания искусственного интеллекта, поиск выходных каналов связи других цивилизаций в Солнечной системе. Эти направления работ хорошо коррелируют с современными нуждами человечества. Работы по искусственному интеллекту связаны с решением задачи создания достаточно эффективных роботов, которые могли бы заменить людей в опасных производствах, помогли бы нам в освоении акваторий и подводного мира, в строительстве. Создание космических роботов - созревшая задача. Они будут более эффективны при работах в открытом пространстве, чем человек в скафандре. А работы в открытом пространстве, скорее всего, будут расширяться в ближайшие десятилетия. Строительство больших радиотелескопов позволит вести наиболее эффективные исследования Вселенной.
Что делать?
Не претендуя на исчерпывающее освещение задач космических работ в ближайшие десятилетия, сделаю попытку представить те цели, на которых, по моему мнению, имеет смысл сосредоточить усилия: 1. Низкоорбитальные системы унифицированных спутников экологического контроля, исследования природных ресурсов, метеорологических Наблюдений с наземными автоматизированными центрами обработки информации и автоматизированной системой доставки результатов абонентам. 2. Орбитальные станции как базы для экспериментальных и строительных работ, создаваемых по схеме станция - облако. 3. Орбитальные заводы для производства сверхчистых материалов, биологических препаратов и проведения других производственных процессов, которые будут рентабельны или целесообразны на орбите. 4. Автоматические космические аппараты международной спутниковой системы наблюдения и контроля поверхности суши, морей, океанов, воздушного пространства и подводной обстановки с системой выдачи информации абонентам. 5. Системы радиотелескопов, выводимых на околоземные и околосолнечные орбиты и работающие в единой радиоинтерферометрической схеме. 6. Орбитальные астрофизические обсерватории, работающие в различных спектральных диапазонах. 7. Автоматические аппараты для доставки на Землю проб грунта и атмосферы Марса (если в результате этих работ окажется необходимым осуществление экспедиции на Марс, то придется разрабатывать и создавать соответствующие средства пилотируемой экспедиции). 8. Многоразовые дешевые (стоимость доставки на орбиту порядка сотни долларов за килограмм) транспортные корабли для транспортных операций Земля - орбита. 9. Дешевые многоразовые транспортные средства для транспортных операций низкая орбита - геостационарная орбита - низкая орбита. 10. Космические роботы для работ в открытом пространстве на орбитах спутников Земли.Межзвёздный полёт -- путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. Чаще всего под межзвёздным полётом понимают пилотируемое путешествие, иногда с возможной колонизацией внесолнечных планет.
Строительство эскадры межзвездных кораблей начнется в точках Лагранжа системы Земля-Луна (точки гравитационного равновесия). Материалы по большей части могут доставляться с лунных баз - например контейнеры с ними выстреливаются электромагнитными пушками и улавливаются специальными станциями-ловушками в районе строительства. Двигатель для межзвездного корабля должен иметь тот же порядок мощности, что и вся мощность, потребляемая человечеством на сегодняшний день. Основываясь на предвидимых технологиях и ресурсных возможностях, можно дать абрис будущих межзвездных перелетов.
При рассмотрении космического корабля любого назначения удобно разделить его на две части - двигательную установку и полезную нагрузку. Под двигательной установкой принято понимать не только собственно двигатели, но и баки с топливом, необходимые силовые конструкции. Для проблематики межзвездных перелетов именно двигательная установка является ключевым фактором, определяющим осуществимость проекта. Однако проблемы создания двигательной установки выходят за рамки настоящего рассмотрения. Сейчас для нас важно то, что существуют технологии, которые в ходе своего развития могут стать приемлемыми для осуществления межзвездных перелетов. Здесь на первом месте технологии использования инерциального термоядерного синтеза для ракетного движения. На американской установке NIF (National Ignition Facility) для исследования лазерного термоядерного синтеза стоимостью 3,5 миллиардов долларов уже получены результаты, говорящие о том, что ракетный двигатель на данном принципе может быть создан. Еще более мощная установка такого типа строится у нас под Саровом. Эти установки мало похожи на ракетные двигатели, но если их условно "разрезать" пополам, избавиться от фундаментов, стенок и многого ненужного в космосе оборудования, мы получим ракетный двигатель, который может быть доведен и до межзвездного варианта. Не вдаваясь в детали, отметим, что такие двигатели по необходимости будут большими, тяжелыми и очень мощными. Двигатель для межзвездного корабля должен иметь тот же порядок мощности, что и вся мощность, потребляемая человечеством на сегодняшний день. Располагая таким двигателем (а если такого двигателя нет, то и говорить не о чем), можно более свободно себя чувствовать, рассматривая параметры полезной нагрузки. По аналогии, если для велосипедиста лишние 50 кг уже ощутимы, то тепловоз и лишние 50 тонн не заметит.
Вооружившись таким пониманием, мы можем попробовать представить первую межзвездную экспедицию. При этом придется использовать результаты расчетов и оценок, которые сделаны, но здесь, по понятным причинам, воспроизведены быть не могут.
Строительство эскадры межзвездных кораблей начнется в точках Лагранжа системы Земля-Луна (точки гравитационного равновесия). Материалы по большей части могут доставляться с лунных баз - например контейнеры с ними выстреливаются электромагнитными пушками и улавливаются специальными станциями-ловушками в районе строительства.
Один корабль - это сотни тысяч тонн полезной нагрузки, миллионы тонн - двигатели, десятки миллионов тонн - топливо. Цифры могут напугать, но, чтобы не сильно пугаться, их можно сравнить с другими крупными строительствами. Давным-давно за 20 лет была построена пирамида Хеопса весом более 6 миллионов тонн. Или уже в наши времена -- в Канаде в 1965 году был построен остров "Норт-Дам". Только грунта потребовалось 15 миллионов тонн, а постройка заняла всего 10 месяцев. Самый большой морской корабль -- Knock Nevis -- имел водоизмещение 825 614 тонн. Строительство в космосе имеет свои специфические трудности, но имеет и некоторые преимущества, например, облегчение силовых элементов из-за невесомости, практическое отсутствие ограничений по массе и размерам (на Земле достаточно большая конструкция просто раздавит сама себя).
Примерно 95% массы межзвездного корабля составит термоядерное топливо. Вероятно, в его качестве будут использоваться бороводороды, топливо -- твердое, баки не нужны, что очень улучшает характеристики корабля и облегчает его постройку. Набирать бороводороды лучше не системе Земля-Луна, а где-нибудь подальше от Солнца, в системе Сатурна, например, чтобы избежать потерь на сублимацию. Время строительства можно оценить в несколько десятков лет. Срок не так уж и велик, а кроме того, теми же строителями параллельно будут вестись и другие работы в рамках освоения Солнечной системы. Строительство лучше начинать с сооружения жилых блоков корабля, в которых и поселятся строители и другие специалисты. Заодно, за время строительства и накопления топлива будет в течение десятилетий проверена стабильность работы замкнутой системы жизнеобеспечения.
Замкнутая система жизнеобеспечения - наверное, второй по сложности вопрос после проблемы двигателей. Один человек потребляет примерно 5 кг воды, еды и воздуха в сутки, если все брать с собой, потребуется больше 200 тысяч тон припасов. Решение - повторное использование ресурсов, так как это происходит на планете Земля.
В полной мере масштаб межзвездных расстояний перелетов можно ощутить, только если заняться рассмотрением средств осуществления таких полетов. Конечно, такое рассмотрение не имеет целью "ощутить расстояние". Не может оно рассматривается и как проектирование конкретной конструкции межзвездных кораблей. Исследование вопросов межзвездных перелетов сегодня носит инженерно-теоретический характер. Нельзя доказать невозможность осуществления межзвездных перелетов, но и никому не удалость доказать их осуществимость. Выход из ситуации не прост - надо предложить такую конструкцию межзвездных кораблей, которая была бы воспринята инженерно-научным сообществом, как реализуемая.
Полеты одиночных межзвездных кораблей, являющиеся правилом в фантастической литературе, исключаются, возможен перелет только эскадры кораблей, примерно с десяток аппаратов. Это требование безопасности, а кроме того - и обеспечение разнообразия жизни за счет общения между экипажами разных кораблей.
Поле завершения строительства эскадры она перемещается к запасенным запасам топлива, стыкуется с ними и направляется в полет. По всей видимости, разгон будет очень медленным и в течение года-двух более мобильные аппараты смогут забросить на корабли то, что позабыли, и снять с борта передумавших.
Перелет продлится 100-150 лет. Медленный разгон с ускорением примерно в сотую долю земного в течение десятка лет, десятки лет полета по инерции, и несколько более быстрое, чем разгон, торможение. Быстрый разгон существенно сократил бы время перелета, но он не возможен из-за неизбежно большой массы двигательной установки.
Перелет не будет столь насыщен космическими приключениями, как описано в фантастической литературе. Внешних угроз практически нет. Облака космической пыли, завихрения пространства, провалы во времени - вся эта атрибутика угрозы не представляет ввиду ее отсутствия. Даже тривиальные метеориты крайне редки в межзвездном пространстве. Основная внешняя проблема - галактическое космическое излучение, космические лучи. Это изотропный поток ядер элементов, имеющих большую энергию и, следовательно, высокую проникающую способность. На Земле от них нас защищает атмосфера и магнитное поле, в космосе, если полет длительный, надо принимать специальные меры, экранировать жилую зону корабля так, чтобы доза космического излучения не сильно превышала земной уровень. Здесь поможет простой конструктивный прием - запасы топлива (а они очень большие) располагаются вокруг жилых отсеков и экранируют их от радиации большую часть времени перелета.
Сможем ли мы на самом деле добраться до неведомых планет за пределами Солнечной системы? Как это вообще возможно?
Фантасты и кинематографисты, конечно, молодцы, хорошо поработали. В красочные истории, где человек покоряет самые дальние уголки космоса, действительно хочется верить. К сожалению, прежде чем эта картинка станет явью, нам придется преодолеть немало ограничений. Например, законы физики, какими мы их видим сейчас.
Но! В последние годы появилось несколько волонтерских и финансируемых частными лицами организаций (Фонд Tau Zero , проект Icarus , проект Breakthrough Starshot), каждая из которых ставит целью создание транспорта для межзвездных полетов и приблизить человечество к покорению Вселенной. Их надежду и веру в успех укрепляют позитивные новости, например, на орбите звезды Проксима-Центавра планеты размером с Землю.
Создание межзвездного космического аппарата станет одной из тем для обсуждения на Всемирном саммите BBC Future «Идеи, которые меняют мир» в Сиднее в ноябре. Сможет ли человек отправиться в другие галактики? И если да, то какие виды космических кораблей нам для этого понадобятся?
Куда бы нам отправиться?
А куда лететь не стоит? Во Вселенной звезд больше , чем песчинок на Земле — около 70 секстиллионов (это 22 нуля после семерки) — и, по оценкам ученых, миллиарды из них имеют на орбитах от одной до трех планет в так называемой «зоне Златовласки»: на них не слишком холодно и не слишком жарко. В самый раз .
С самого начала и до сих пор лучшим претендентом для первого межзвездного полета является наш ближайший сосед — тройная звездная система Альфа Центавра. Она находится на расстоянии 4,37 световых лет от Земли. В этом году астрономы Европейской южной обсерватории обнаружили планету размером с Землю, вращающуюся вокруг красного карлика Проксима Центавра из этого созвездия. Масса планеты, названной Проксима b, как минимум в 1,3 раза больше земной, и она имеет очень короткий период обращения вокруг своей звезды - всего 11 земных дней. Но все равно эта новость чрезвычайно взволновала астрономов и охотников за экзопланетами, ведь температурный режим Проксимы b подходит для существования воды в жидком виде, а это - серьезный плюс к возможной обитаемости.
Но есть и недостатки: мы не знаем, имеет ли Проксима b атмосферу, и, учитывая ее близость к Проксима Центавра (ближе, чем Меркурий к Солнцу), она, вероятно, будет подвергаться воздействию выбросов звездной плазмы и радиации. И она так заперта приливными силами, что всегда обращена к звезде одной стороной. Это, конечно, может полностью изменить наши представления о дне и ночи.
И как мы туда попадем?
Это вопрос на 64 триллиона долларов. Даже на максимальной скорости, которую позволяют развить современные технологии, нам до Проксимы Б 18 тысяч лет. И высока вероятность, что добравшись до цели мы встретим там… наших потомков в Земли, которые уже колонизировали новую планету и забрали всю славу себе. Поэтому глубокие умы и бездонные карманы ставят себе амбициозную задачу: найти более быстрый способ пересекать огромные расстояния.
Breakthrough Starshot - это космический проект с бюджетом в размере 100 миллионов долларов, он финансируется российским миллиардером Юрием Мильнером. Breakthrough Starshot сосредоточился на создании крошечных беспилотных зондов со световыми парусами, подгоняемых мощным наземным лазером. Идея в том, что космический аппарат достаточно малого веса (едва ли 1 грамм) со световым парусом можно будет регулярно ускорять мощным световым лучом с Земли примерно до скорости в одну пятую от скорости света. Такими темпами нанозонды достигнут Альфа Центавра примерно за 20 лет.
Разработчики проекта Breakthrough Starshot рассчитывают на миниатюризацию всех технологий, ведь крошечный космический зонд должен нести с собой камеру, подруливающие устройства, источник питания, средства связи и навигационное оборудование. Все для того, чтобы по прибытии сообщить: «Смотрите, я здесь. А она совсем не вертится». Миллер надеется, что это сработает и заложит основу для следующего, более сложного этапа межзвездных передвижений: путешествия человека.
А что же варп-двигатели?
Да, в сериале Star Trek это все выглядит очень просто: включил варп-двигатель и полетел быстрее скорости света. Но все, что мы в настоящее время знаем о законах физики, говорит нам: путешествия со скоростью выше скорости света, или даже равной ей, невозможны . Но ученые не сдаются: NASA вдохновилось другим захватывающим двигателем из научной фантастики и запустило проект NASA Evolutionary Xenon Thruster (сокращено NEXT) — ионный двигатель, который сможет ускорять космические корабли до скорости 145 тысяч км/ч, используя лишь одну фракцию топлива для обычной ракеты.
Но даже на таких скоростях мы не сможем улететь далеко от Солнечной системы за одну человеческую жизнь. Пока мы не разберемся, как работать с пространством-временем, межзвездные путешествия будет протекать очень, очень медленно. Возможно, уже пора начать воспринимать то время, которое галактические странники проведут на борту межзвездного корабля, просто как жизнь, а не как поездку на «космическом автобусе» от пункта А к пункту Б.
Как мы выживем в межзвездном путешествии?
Варп-двигатели и ионные моторы - это, конечно, очень круто, но во всем этом будет мало проку, если наши межзвездные странники погибнут от голода, холода, обезвоживания или отсутствия кислорода еще до того, как покинут пределы Солнечной системы. Исследователь Рейчел Армстронг утверждает, что нам пора задумываться о создании настоящей экосистемы для межзвездного человечества.
«Мы переходим от индустриального взгляда к экологическому видению реальности», — заявляет Армстронг.
Армстронг — профессор экспериментальной архитектуры в Университете Ньюкасла в Великобритании — говорит о таком понятии как «worlding»: «Это о пространстве обитания, а не только о дизайне объекта». Сегодня внутри космического корабля или станции все стерильно и выглядит как промышленный объект. Армстронг считает, что вместо этого мы должны подумать об экологической составляющей космических судов: о растениях, которые мы сможем выращивать на борту, и даже о видах почв, которые возьмем с собой. В будущем, как она предполагает , космолеты будут выглядеть как гигантские биомы, полные органической жизни, а не сегодняшние холодные, металлические ящики.
А мы не можем просто проспать всю дорогу?
Криосон и гибернация - это, конечно хорошее решение довольно неприятной проблемы: как сохранить людей живыми во время путешествия, которое длится гораздо дольше, чем сама человеческая жизнь. По крайней мере, в кино так делают . И в мире полно крио-оптимистов: Фонд продления жизни Алькор хранит множество крио-консервированных тел и голов людей, которые надеются, что наши потомки научатся безопасно размораживать людей и избавляться от неизлечимых ныне заболеваний, но в настоящее время таких технологий не существует.
В фильмах типа «Интерстеллар» и в книгах наподобие «Seveneves» Нила Стивенсона озвучивается идея отправить в космос замороженные эмбрионы, которые могли бы пережить даже самый длительный полет, потому что ни есть, ни пить, ни дышать им не нужно. Но это поднимает проблему «курицы и яйца»: кто-то ведь должен ухаживать за этим зарождающимся человечеством в несознательном возрасте.
Так это все реально?
«С самого зарождения человечества мы смотрели на звезды и обращали к ним наши надежды и страхи, тревоги и мечты», — говорит Рэйчел Армстронг .
С запуском новых инженерных проектов, таких как Breakthrough Starshot, «мечта становится реальным экспериментом».
