Возможен ли хокинговский звездный бросок?

Когда мы смотрим на звезды, в надежде, что мы можем посетить их в один прекрасный день, многие утверждают, что межзвездное путешествие невозможно. В конце концов, ближайшая известная звездная система отдалена более чем на 4 световых года от Земли.

Давайте на мгновение задумаемся: свету потребуется 8 минут и 20 секунд, чтобы путешествовать с поверхности Солнца в атмосферу нашей планеты. Поэтому, когда вы смотрите на Солнце знайте, что солнечное тепло, которое вы чувствуете на вашем лице, путешествовало 150 миллионов километров через межпланетное пространство и прибыло на вашу кожу почти на 9 минут позже.

Но свету, чтобы путешествовать от нашего Солнца до Альфа Центавра, ближайшей звездной системы за пределами нашей Солнечной системы, нужно почти четыре с половиной года, чтобы покрыть почти 38 триллионов километров межзвездного пространства. Теперь у нас есть представление об этом масштабе; если мы посылаем космический корабль к Альфе Центавра, используя методы приведения в движение, доступные нам в настоящее время, это заняло бы нас около 80 000 лет. Поэтому не удивительно, что мы ощущаем себя в карантине среди космической пустоты.

Как мы можем видеть, межзвездное путешествие не так просто выполнить и является историческим вызовом и нужно будет предпринять глобальные усилия, чтобы сделать его возможным. И все больше ученых понимают, что, на самом деле, это вполне возможно.

Так что, когда во вторник, в день 55-й годовщины героического запуска Юрия Гагарина в космос, было сделано заявление о "Прорыве Starshot", мир вдруг узнал, что есть группа инженеров, ученых, футурологов и предпринимателей, которые видят будущее, в котором человечество сделает этот важный шаг в глубину неизвестного, посылая флот крошечных роботов-исследователей к этому "невозможному" месту назначения - Альфа Центавра. Более того, британский тяжеловес теоретической физики Стивен Хокинг напрягает усилия, в то время как русский миллиардер Юрий Мильнер вкладывает до $ 100 млн в начало проекта. Известные лица, как Марк Цукерберг находятся в совете директоров, а бывший директор исследовательского центра Эймса НАСА Пит Уорден возглавит проект.

Это, конечно, не первый проект, рассматривающий вопрос о межзвездных путешествиях. Прыжки от звезды к звезде были пищей для сюжетных линий научной фантастики в течение многих десятилетий, но первый заметный план возник в Британском межпланетном обществе в 1970-х годах, что привело к "Проекту Дедал" - чудовищному беспилотному межзвездному кораблю, столь же большому, как Empire State Building . Большая часть массы Дедала возникла из-за огромного количества топлива, которое потребовалось бы для ускорения транспортного средства и его торможения, как только он достигнет места назначения. При изучении межзвездного пространства, Дедал послал мощный сигнал: посылайте большой корабль, или даже не думайте о путешествии.

В этом случае космический корабль будет приводиться в движение сериями ядерных взрывов с помощью метода, придуманного в холодной войне, известного как движения за счет ядерных импульсов. Эта концепция дала многое, главным образом то, что стало прорывной технологией и огромным достижением в области исследования материалов в будущем и которые позволили создать такое транспортное средство.

В настоящее время международная группа ученых и инженеров, продолжили дело Дедала, переосмыслив эту оригинальную попытку в некоммерческой группе Icarus Interstellar, который начался как проект Икара ("сына Дедала"). Икар теперь имеет несколько проектов, все с той же конечной целью: для продвижения человечества к звездам и преодоления технологических и социально-экономических барьеров вдоль пути.

На этом пути было несколько серьезно финансируемых усилий по дальнейшему развитию межзвездных технологий, но это изменилось в 2011 году, когда исследовательское агентство США DARPA и NASA предоставили $ 500 000, чтобы начать "100 летний Starship проект", который возглавляет бывший астронавт НАСА Мэй Джемисон. Но межзвездное сообщество никогда не видело такого огромного финансового подпитки, которую приносит прорыв Starshot - факт, который взволновал членов межзвездного научного сообщества.

"Это потрясающе", - сказал Discovery News Andreas Tziolas, соучредитель и президент Icarus Interstellar.

Ключом к цели Icarus Interstellar является приложение усилий для приведения мира в восторг от межзвездных исследований. В подобных бесчисленных исторических примерах, человечество сияет, когда преодолевает границы и, имея такие высокие цели, может создать прорыв или "прорывные" технологии.

Известные примеры включают в себя космическую гонку, когда политические идеалы вытолкнули США и Советский Союз на орбиту, а затем посадка на Луну в 1969 году. Технологии, разработанные, чтобы получить окончательное военное превосходство созрели, чтобы дать нам космические технологии, которые мы воспринимаем сегодня как должное.

Часто, новые технологии, разработанные по пути к большой цели, имеют приложения, которые могут изначально кажутся бесперспективными, но их непредвиденное применение для достижения этой цели может преобразовать нашу планету, от разработки чистых источников энергии, до нахождения способов, чтобы замедлить и, возможно, повернуть вспять негативные изменения климата.

Обычно исследования в области новых технологий рождены, чтобы решить проблему, и Tziolas удалось выявить серьезные проблемы, с которыми проекту Starshot придется столкнуться практически сразу.

Ключевая идея Starshot заключается в разработке крошечного космического аппарата, который будет использовать лазерный импульс для ускорения его до 20 процентов от скорости света. Конечной целью Starshot является достижение Альфа Центавра в течение одного поколения. Этим космическим аппаратам, получившим название "nanocraft", нужно будет путешествовать в 1000 раз быстрее, чем самому быстрому космическому кораблю, построенный человечеством. New Horizons - космический аппарат НАСА, который пролетел мимо Плутона в 2015 году, прорвался через внешнюю Солнечную систему со скоростью 740000 миль в день. Космический аппарат Voyager-1 летел еще быстрее, покрывая почти миллион миль в день. Хотя на Альфа Центавра с такой скоростью, как New Horizons и Voyager-1, не добраться до места назначения в течение десятков тысяч лет.

Интересно отметить, что Voyager-1 сейчас межзвездный зонд, который оставил магнитный пузырь гелиосферы нашего Солнца и в настоящее время является единственным межзвездным космическим кораблем. Но учитывая, что космический аппарат с атомным двигателем был запущен в 1977 году и потратил почти 4 десятилетия только, чтобы достигнуть межзвездного пространства, мы должны двигаться быстрее. Гораздо быстрее.

И команда Starshot понимает это и пошла по пути миниатюризации, с тем, чтобы построить флот крошечных космических аппаратов весом не более грамма каждый. Конечно, упаковка всех приборов, необходимых для эксплуатации и управления таким управляемым взглядом небольшим космическим кораблем, в такой ограниченной массе, может показаться глупостью, но вся эта научно-исследовательская работа сдвинет парадигму от большинства других межзвездных концепций. Это будут крошечные роботы, оснащенные камерами, датчиками и навигационным оборудованием, прикрепленными к тонкому и легкому парусу, который будет использовать силу мощного наземного лазера, чтобы лететь из Солнечной системы к Альфа Центавра.

Но, как указывает Tziolas, хотя лазерная технология быстро идет вперед, трудно представить, из какого материала будут построены nanocraft. Даже если их лазерные паруса отразят большую часть лазерной энергии, которая попадает на них, там будет огромная проблема нагрева. Откровенно говоря, то nanocraft будет сжигаться гипотетическим 100-гигаваттным лазером, если тепло не будет эффективно излучаться. Но чтобы излучать тепло, nanocraftу потребуются радиаторы, которые будут увеличивать массу.

"При отсутствии охлаждающей жидкости, вы должны излучать (тепло) обратно в космос, и единственный способ, чтобы сделать это - использование микроволн, и единственный способ, чтобы действительно сделать это - увеличить площадь поверхности", - сказал Tziolas. "Таким образом, вам нужны радиаторы, которые предназначены для излучения тепла, и которые добавляет вес... радиаторами, скорее всего, будут металлические листы".

Может быть, это одна из тех проблем, где рождаются новые технологии? Могут быть разработаны ультра-легкие, высокотемпературные, легко охлаждаемые материалы, которые могли бы иметь огромное количество приложений в космосе и промышленности. Кто знает.

Предполагая, что эти nanocraft могут быть запущены и отправлены за пределы Солнечной системы, они должны быть очень прочными и отказоустойчивыми. Но 20 лет - долгое время в пространстве, и хотя межзвездная среда довольно пустая по меркам Солнечной системы, эти транспортные средства могут столкнуться с чем-нибудь, даже мельчайшие зерна пыли вдоль его 20-летнего пути могут повлиять на любой компонент, подобно тому, как высокоскоростная пуля, разбивает фарфоровую чашку. Давайте не будем забывать, что эти nanocraft будут путешествовать на уровне 20 процентов от скорости света - это более 215 миллионов километров в час. Несмотря на то, что они маленькие, будут ли они нуждаться в защите? Возможно, но это еще увеличит их вес, в конечном счете, замедляя их.

В соответствии с текущим планом, провал миссии будет смягчен путем отправки огромного количества nanocraft на миссию. Хотя многие nanocraft могут умереть на своем пути, возможно, некоторые прибудут к месту назначения.

Итак есть гайки и болты для соединения. Это необходимые вещи, чтобы отправить крошечный космический корабль к другой звезде, но что толку, если мы не можем увидеть картины? Этим nanocraft нужны передатчики для отправки домой данных, но, насколько мощными эти передатчики должны быть?

"По моему мнению, большая проблема заключается в коммуникации", - сказал Роберт Фриланд, заместитель руководителя проекта Икар. "Несколько членов команды проекта Icarus провели несколько месяцев в прошлом году при проектировании системы связи для судна Икар. Следует признать, что скорость передачи данных для Икара на несколько порядков выше, чем у этого проекта, потому что Икар предназначен для полного замедления в системе Альфа Центавра и создания станции для долгосрочных, детальных наблюдений".

Freeland указывает, что nanocraft Starshot предназначены для простого пролета мимо Альфа Центавра, не выходя на орбиту - ключевое преимущество, чтобы делать их маленькими и легкими. Во время пролёта, им нужно будет провести быстрый ряд наблюдений, а затем через некоторое время отправить данные домой. Но ослабление (потеря качества сигнала) на огромном межзвездном расстоянии может стать проблемой с маломощным передатчиком, упакованным в таком крошечном корабле.

"Если это так, то появляются доводы в пользу более крупных зондов, с более крупными блоками питания", - добавил он. "Дайте мне килограмм полезной нагрузки, и проблема становится немного проще. Но повышение полезной нагрузки в 1000 раз потребует некоторого сочетания большего лазера, большего паруса, большего времени ускорения, или более низкую максимальную скорость".

Тогда проблемы, кажется, быстро размножаются.

А как насчет навигации? Конечно, nanocraft может иметь крошечные камеры, которые могут выступать в качестве звездных пеленгаторов, ориентируя их на правильный путь, но, как мы узнаем, когда они достигают Альфа Центавра? Если делать моментальные снимки гипотетических планет, вращающихся вокруг звезды, то как эти зонды узнают, где (и когда), это нужно делать? Всегда имейте в виду, что нужно около 4-х лет для nanocraft, чтобы отправить обратно данные, и мы должны послать команду "встреча" за 4 года до того, как зонды достигнут Альфа Центавра! Возможно, перед запуском, мы будем иметь космические телескопы, которые уже точно определят экзопланеты в системе Альфа Центавра, и эти нанозонды будут иметь какой-то искусственный интеллект, чтобы помочь им выработать свои орбиты по прибытии.

А как насчет практических вопросов наличия мощного лазера на Земле, светящего через атмосферу? Может это опасно для природы, воздушного движения и (возможно) космических полетов? Возможно, мы должны были бы пересмотреть план размещения этого лазера на Земле, возможно, мы должны найти способ его базирования в космосе. Как насчет Луны?

Проблемы и очевидные запреты имеются в большом количестве, но, по крайней мере, это начало. Впервые, как представляется, есть глобальный интерес к достижению звезд, и это начинает сопровождаться значительным количеством денег, которые будут использоваться, чтобы сделать огромные достижения в фундаментальной межзвездной науке. В конечном итоге миссия Starshot не может даже называться планом, это стартовая точка, но межзвездная наука нуждается в такого рода инвестициях, по крайней мере, чтобы проверить теорию и работать с возникающими проблемами.

"Мы должны с чего-то начать... интерес к межзвездной разведке, это то, за что мы боролись ", - сказал Tziolas. "Это одна из задач Icarus Interstellar, сделать межзвездное исследование обычным явлением для повышения осведомленности".

Такие группы, как Икар, будут выявлять проблемы, и вырабатывать решения, по пути находя новые технологии, которые могли бы изменить наш образ жизни. Как всплеск коммерческих космических интересов в США поддерживает доставку грузов на Международную космическую станцию и запуски спутников на орбиту, возможно, мы видим, развитие промышленности в передовых двигательных технологиях, которые могут привлечь бизнес и вдохновляют детей, чтобы приступить к образованию в области науки и техники.

Но есть несколько основных причин, по которым человечество должно быть мотивировано, чтобы плыть в межзвездных морях. Стивен Хокинг является откровенным сторонником направления человечества к звездам, в случае, если наша планета потерпит неудачу в будущем. "Земля является прекрасным местом, но это не может длиться вечно", - сказал он в пресс-релизе Starshot. "Рано или поздно, мы должны смотреть на звезды. Прорыв Starshot - очень захватывающий первый шаг на этом пути".