science Валерий Родиков К звездам под радиопарусом ru rusec lib_at_rus.ec LibRusEc kit 2007-06-12 Tue Jun 12 03:11:51 2007 1.0

Родиков Валерий

К звездам под радиопарусом

НЕВЕДОМОЕ: БОРЬБА И ПОИСК

ВАЛЕРИЙ РОДИКОВ

К звездам под радиопарусом

Фантасты давно побывали на планетах у чужих солнц и познакомились с их обитателями. Но на самом деле с планетами в других мирах нет ясности: существующими методами пока невозможно достоверно обнаружить планеты даже у ближайших к нам звезд.

Однако ученые уверены, что планеты вращаются вокруг многих звезд, только лететь туда очень далеко. Сможем ли мы устремиться к ним?

По прогнозу, сделанному в начале 80-х годов, ракетная техника к 2000 году позволит запустить космический аппарат, скорость которого в момент, когда он покинет Солнечную систему, будет составлять около 100 километров в секунду. Но даже при такой скорости полет до ближайшей звезды займет около 10 тысяч лет.

Летящая ныне американская станция "Вояджер-2", запущенная в августе 1977 года, достигнет планеты Нептун, которая находится от нас на расстоянии в 10 тысяч раз дальше, чем Луна, в августе 1989 года. Ну а до ближайшей к Солнцу звезды проксима Центавра еще в 10 тысяч раз дальше: она удалена от нас на 40 триллионов километров или на 4,3 световых года. Когда "Вояджер-2" выйдет из Солнечной системы, его скорость будет равна 16 километрам в секунду, и, чтобы долететь до ближайшей звезды, ему потребуется 80 тысяч лет...

Как превозмочь эту даль? Проекты фотонных ракет, суперкораблей со сменой поколений космонавтов практически неосуществимы.

Но возникли новые идеи. По всей вероятности, к ближайшей нам звезде проксиме Центавра первым полетит автоматический корабль под парусом. Попутным ветром для него будут сверхвысокочастотные (сокращенно СВЧ) радиоволны, или иначе - микроволновое излучение.

Со школьной скамьи мы знаем, что солнечный свет оказывает давление. Выдающийся опыт русского физика П. Н. Лебедева, поставленный в 1899 году, показал, что солнечные лучи вращают лопасти вертушки созданного ученым прибора. Сомнений больше не было: световое давление - не теоретическая иллюзия из уравнений Максвелла, оно действительно существует.

Это послужило в свое время источником многих гипотез, в том числе модной и поныне идеи панспермии. Шведский ученый Сванте Аррениус попытался объяснить возникновение жизни на Земле пришествием мельчайших зародышей и спор простейших организмов с других миров. Он полагал, что они могут выталкиваться за пределы планетных систем световым давлением.

Были и совсем курьезные идеи. Одна французская газета писала, что давление солнечных лучей оказывает наилучшее массирующее действие на человеческое тело, и чем южнее, тем массаж эффективнее. Сам Лебедев, узнав об этой газетной заметке, шутя заметил, что истинная популярность научного открытия начинается тогда, когда слава о нем распространяется за круги специалистов и дебатируется в среде профанов.

В 1920-х годах К. Э. Циолковский и Ф. А. Цандер высказали идею космического паруса, движимого солнечным светом. Потом эта мысль перекочевала на страницы научно-фантастических книг, а затем и в технические проекты инженеров.

Как же выглядит солнечный парус? По одному из проектов, в космосе на расстоянии ста тысяч километров от Земли развертываются 12 пластиковых лепестков общей площадью 600 тысяч квадратных метров наподобие гигантского цветка подсолнуха, вращающегося вокруг своей оси. Огромные лепестки сделаны из алюминизированного пластика толщиной 2,5 микрона. Они образуют что-то вроде двух шестилопастных винтов, надетых на одну ось.

Длина каждой лопасти-лепестка 6250 метров, а ширина 8 метров.

Гигантская поверхность, обращенная к Солнцу, служит двигателем космолета. Солнечный парус наиболее эффективен при полетах в направлении от Солнца, но как и морской парусник, он может плыть и против "ветра", навстречу Солнцу. Такой корабль сможет привести на Землю образцы марсианских пород, по всей видимости, до конца столетия.

Но на солнечном ветре к звездам не уедешь. Чем дальше от Солнца, тем слабее его лучи. Это ограничивает применение парусников пределами Солнечной системы. А нельзя ли создать мощный источник света и надуть им паруса межзвездной каравеллы? И такой прибор для излучения света есть - это лазер.

В США ведутся работы по созданию лазеров с большой мощностью излучения, но, к сожалению, они предназначаются для "звездных войн". А ведь их энергией можно бы наполнить паруса космического корабля.

Для первого знакомства с миром соседней звезды лучше подойдет не луч лазера, а сверхвысокочастотный радиолуч. Радиоволны, как и свет, тоже "давят", они со светом из одной "породы" - электромагнитных излучений. По теории, давление электромагнитных волн пропорционально энергии их кванта, то есть энергии тех элементарных доз излучения, из которых складывается электромагнитный поток.

Энергия кванта тем больше, чем меньше длина волны, или иначе, чем выше частота колебаний. Даже в самой "мощной" части СВЧ диапазона - у субмиллиметровых волн - энергия кванта в сотни-тысячи раз слабее, чем у кванта света. И все-таки радиоволны лучше всего подходят на роль космического ветра для межзвездного парусника.

Дело в том, что для "радиоветра" парус можно сделать "дырявым", из тонкой сетки, а следовательно, очень легким. Для света такой парус был бы негоден. Ему нужно сплошное зеркало.

Интересно, что способность радиоволн непосредственно приводить в движение материальный объект была продемонстрирована еще 20 ноября 1894 года будущим изобретателем радио А. С. Поповым на заседании Русского физико-химического общества. Александр Степанович собственноручно изготовил занимательный прибор. Он взял стеклянный баллон высотою около 15 сантиметров и диаметром около 3 сантиметров. Внутри баллона на особом подвесе, впаянном в его верхнюю часть, была укреплена свободно вращающаяся легкая крестовина, а к ее концам подвешены четыре платиновых листочка. Из баллона был выкачан воздух.

Как только Попов включал находящийся в другом конце комнаты искровой разрядник, служивший источником радиоволн, "карусель" внутри баллона начинала вращаться. Стоило выключить разрядник, и вращение прекращалось. "Карусель" служила исследователю обнаружителем радиоволн, правда, действие его ограничивалось пределами комнаты.

Использовать микроволновое излучение в качестве движущей силы межзвездного корабля предложил американский физик Фримэн Дайсон. Сфера его имени стала традиционным примером астроинженерней деятельности. В 1984 году Роберт Форвард привнес в эту идею достижения компьютерной техники. В результате родился проект межзвездного аппарата "Старуисп". Он мало похож на сегодняшние космические корабли. Это просто парус, имеющий километр в поперечнике, а весящий всего 20 граммов!

Парус соткан из тончайшей проволоки в виде множества шестиугольных ячеек. В 10 триллионах пересечений этих ячеек расположены микроэлектронные схемы (маленькие ЭВМ), которые образуют в целом сверхмощную ЭВМ параллельного действия. Каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечная телекамера.

Ввиду своей хрупкости парусник будет монтироваться в космосе, например, за орбитой Марса. А космический ветер для паруса создаст мазер молекулярный или иначе - квантовый генератор СВЧ радиоволн. Мазер работает по тому же принципу, что и лазер, только диапазон излучения другой микроволновый.

Хотя устройство мазера много сложнее, чем лазера, но открыли его раньше. Сейчас кажется даже удивительным, что науке пришлось сделать такой зигзаг на пути к оптическому мазеру - лазеру.

Его и назвали-то по аналогии с мазером, заменив лишь первую букву "м" (начальная буква английского написания слова "микроволновый") на "л" (начальная буква английского написания слова "лайт" - "свет").

Интересно, что через десять лет после того, как заработал лабораторный мазер (а его создали независимо в СССР - группа ученых под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, в США - группа ученых под руководством Ч. Таунса), в галактических туманностях был открыт естественный мазер. Если бы мазер не был бы создан в лаборатории (а это было сделано в 1954 году), то его неизбежно открыли бы позже благодаря радиоастрономическим наблюдениям.

Разместить мазер предполагается на спутнике околоземной орбиты, энергию дадут ему солнечные батареи, находящиеся тут же на орбите. Чтобы радиоволны "толкали" парус, мощность излучения мазера должна составлять 20 гигаватт (миллионов киловатт) . Это несколько меньше мощности пяти Братских ГЭС. Проекты таких солнечных электростанций в космосе уже предложены.

Радиолуч направляется и фокусируется на космическом парусе специальным устройством в виде так называемой линзы Френеля (оптические линзы Френеля применяют в маячковых и сигнальных фонарях). Размер линзы огромен - около 50 тысяч километров (четыре земных диаметра!). Линза состоит из чередующегося набора концентрических колец из проволочной сетки и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подобраны так, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, собирались воедино на парусе космического аппарата "Старуиспа". Помогут и микросхемы, расположенные в узлах пересечения проволочных ячеек паруса. Они будут так управлять электропроводимостью сетчатого полотна, чтобы радиолуч давил на него с максимально возможной силой.

Подгоняемый радиофотонами помчится в космосе парус. За одну неделю он разгонится до одной пятой скорости света. Такое стремительное ускорение сообщит ему радиолуч: в 155 раз превышающее ускорение свободного падения. Через неделю работы мазер выключится.

За 17 лет аппарат преодолеет три четверти расстояния до проксимы Центавра. Тогда центр управления полетом включит мазер и направит радиолуч на парус. Радиоволны достигнут аппарата примерно через четыре года, и хотя за столь долгое путешествие луч порастеряет свою энергию, ее все-таки будет достаточно, чтобы переключить все 10 триллионов микросхем в режим фотоприемников. Парус превратится в огромный искусственный "глаз", который сможет наблюдать неведомый мир ближайшей к нам звезды.

На скорости 60 тысяч километров в секунду "Старуисп" промчится мимо проксимы Центавра всего лишь за 40 часов. За это время он пройдет около 9 миллиардов километров - расстояние, равное диаметру орбиты Нептуна. Каждую секунду в этом сорокачасовом сеансе будет фиксироваться 25 изображений с высокой разрешающей способностью. С такой же скоростью происходит передача изображений в телевидении.

Затем по командам синхронизирующих сигналов, содержащихся в радиолуче, парус станет работать как антенна, которая направит радиоволны с закодированными в них изображениями на Землю.

Через четыре года после пролета соседней звезды парус будет находиться от нее на расстоянии почти в один световой год. А сигналы от "Старуиспа" только-только достигнут Земли, где ЭВМ превратят импульсы в изображения мира проксимы Центавра. Это произойдет четверть века спустя после запуска радиопаруса.

Если у нашей звездной соседки "Старуисп" обнаружит интересные объекты, то следующим шагом может стать посылка более тяжелой межзвездной автоматической станции, начиненной исследовательской аппаратурой и оснащенной совершенной оптической системой. Для этой цели был предложен аппарат, названный "Старлайтом". Он тоже с парусом, но приводится в движение лучом лазера. Парус его диаметром 3,6 километра предполагается изготовить из алюминиевой пленки толщиной всего 16 миллиардных долей метра. Масса паруса вместе с космическим аппаратом - около тонны. Поддувать парус будет лазер мощностью 65 гигаватт.

Его поместят либо на околоземную орбиту, либо на орбиту поближе к Солнцу. Там энергии побольше, и для "накачки" лазера можно будет использовать непосредственно солнечный свет. Как и радиолуч, лазерный пучок будет фокусироваться на парусе линзой Френеля, помещенной между орбитами Сатурна и Урана.

Диаметр линзы - тысяча километров. Лазер сообщит "Старлайту" ускорение 0,04 g. После трех лет непрерывного лазерного поддува межзвездная станция приобретет скорость, равную 11 процентам от скорости света, и удалится от Солнца на 0,17 световых года. В этот момент диаметр ускоряющего луча разойдется до 3,8 километра, то есть станет больше паруса, и лазер выклю чится.

Через сорок лет станция достигнет окрестностей ироксимы Центавра и начнет исследования. Как мы видим, "Старлайту" потребуется в два раза больше времени, чем его "радиопарусному" собрату, хотя мощность лазера в три раза превышает мощность мазера. Но ведь и несоразмеримо различие в массах самих аппаратов - 20 граммов и одна тонна.

Для полета человека к более далеким звездам, например, эпсилон Эридана, находящейся на расстоянии 10,8 световых лет, предлагается проект еще более тяжелого парусного космического корабля, названного "Суперстарлайтом". Масса его - 75,8 тысячи тонн, а размеры паруса и фокусирующей луч лазера линзы Френеля- 1000 километров.

Звезда эпсилон Эридана - ближайшая к нам звезда "солнечного" типа и первый звездный маршрут с человеком на борту, вероятно, будет проложен именно к ней. Чтобы экипаж мог долететь до звезды и вернуться обратно в течение человеческой жизни, корабль должен лететь почти со световой скоростью.

Группа лазеров, испускающих луч мощностью 43 тысячи тераватт (тераватт - миллиард киловатт) за 1,6 года разгонит корабль до крейсерской скорости 150 тысяч километров в секунду - половину скорости света. Чтобы обеспечить постоянное ускорение, мощность лазеров в конце этапа набора крейсерской скорости должна увеличиться чуть ли не вдвое, до 75 тысяч тераватт.

Что и говорить, дешево до звезд человеку добраться не удастся.

На такой скорости начнут сказываться релятивистские эффекты: масса корабля увеличится на 13 процентов, а для звездолетчиков время потечет медленнее.

Примерно за 10,4 года до подлета к звезде лазеры вновь будут включены. Но теперь энергия светового луча пойдет на торможение. Чтобы остановиться у звезды и прилететь обратно, парус должен быть особым - из трех концентрических сегментов. Внешнее кольцо диаметром 1000 километров предназначено для торможения, промежуточное - диаметром 320 километров и внутреннее - диаметром 100 километров - для возвращения экипажа.

На внутреннем парусе находится и модуль экипажа.

Когда космический парусник подойдет к звезде на расстояние 0,4 световых года, от него отделится внешнее тормозное кольцо и, обгоняя корабль, устремится вперед. Оставшаяся часть паруса повернется так, чтобы его отражающая поверхность была обращена к отделившемуся тормозному парусу. Лазерный луч, отразившись от паруса торможения, ударяет в парус корабля. Звездолетчикам будет казаться, что это с эпсилон Эридана бьет световой поток. Тормозиться корабль до полной остановки будет столько же времени, сколько он разгонялся- 1,6 года. По земному времени полет займет 23,3 года, а по бортовому времени звездолета - 20,5 года.

Научные исследования нового для землян мира займут несколько лет. А когда придет время лететь домой, парус вновь уменьшится в размере. От него отделится промежуточная ступень диаметром 320 километров. Она будет сориентирована так, чтобы ее отражающая поверхность была повернута к Солнечной системе.

Третий "выстрел" лазера длительностью 1,6 года, отправленный землянами 10,8 лет ранее, теперь достигнет окрестностей эпсилон Эридана и направленный промежуточной ступенью наполнит попутным лазерным ветром стокилометровый парус возвращения.

"Суперстарлайт" двинется в обратный путь.

Через 20 лет звездолет приблизится к Солнечной системе со скоростью, равной половине скорости света. Его остановит последняя вспышка лазера. Все путешествие продлится примерно 51 год, а по звездолетному исчислению - 46 лет.

Один из авторов проекта Р. Форвард так оценивает его возможности: "Межзвездное путешествие под "световым парусом", ускоряемым лазером, пока еще невозможно. Но оно не противоречит никаким физическим законам и может быть осуществлено. Развитие технологии получения тонких пленок, генерации и передачи энергии с помощью лазеров дает такую уверенность. И этот метод имеет определенные преимущества перед другими планами межзвездных путешествий. "Двигатель" остается "дома", в Солнечной системе, где его относительно легко содержать в рабочем состоянии, ремонтировать или совершенствовать в случае необходимости.

Конечно, имеются огромные технические проблемы. Строительство гигантских легких конструкций, разработка систем наведения и сопровождения, использование кольцевого "светового паруса" в качестве фокусирующей линзы и, конечно, создание мазеров и лазеров, которые могут генерировать энергию на уровне нескольких гигаватт и тераватт в течение месяцев и даже лет,- все это очень сложные задачи.

Тем не менее "световой парус", направляемый лазером,- это, как представляется, то средство, которое однажды сможет доставить нас к звездам и обратно в течение человеческой жизни.

Когда-нибудь мы на самом деле сможем взлететь по звездной трассе на "крыльях света".

А вот "парусный проект" еще более отдаленного будущего.

С его помощью можно осуществить дерзновенную мечту К. Э. Циолковского выход человечества за пределы Солнечной системы. По мысли Циолковского, для такого путешествия надо превратить в космический корабль большую естественную или искусственную планету. Правда, такая поездка, как мы знаем, займет десятки тысяч лет. "Для жизни одного человека,- писал ученый,- этот период времени, конечно, велик, но для целого человечества, так же как и для световой жизни нашего Солнца, он ничтожен. В течение десятков тысяч лет путешествия к другому светилу людской род, летя в искусственной обстановке, будет жить запасами потенциальной энергии, заимствованной от нашего Солнца".

Энергию и двигатель для такого путешествия предложили члены кружка "Космическое проектирование" Московского Дворца пионеров и школьников. Солнечная система накрывается огромной полусферой-экраном. Экран и Солнце образуют подобие фотонного двигателя. Солнечные лучи создают тягу, разгоняющую экран и Солнце, которые увлекают за собой планеты Солнечной системы. Экран на постоянном расстоянии от Солнца удерживают противоположно действующие силы гравитации и солнечного давления. Чтобы с помощью такого экрана привести в движение Солнечную систему, его масса должна быть примерно в десять тысяч раз меньше земной.

Московские школьники назвали свой проект "Фара". Интересно, что бы подумали астрономы других миров, наблюдая движение "Фары"? Замечены ли такие объекты с Земли? Радиоастрономы Калифорнийского технологического института открыли в созвездии Малой Медведицы на расстоянии сорока миллионов световых лет компактный объект, выбрасывающий узкую струю вещества протяженностью шесть световых лет.

Так бы выглядела чужая "Фара" с Земли. Как знать, может быть, это "Фара" неведомого нам мира плывет в звездном океане?