Американський апарат з іонним двигуном встановив рекорд швидкості серед космічних кораблів. Міжзоряні перельоти - не фантастика

Корзніков наводить розрахунки, що при швидкості більше 0,1 З космічний корабель не встигне змінити траєкторію польоту і уникнути зіткнення. Він вважає, що при субсветовой швидкості космічний корабель зруйнується до досягнення мети. На його думку міжзоряний подорож можливо тільки при значно менших швидкостях (до 0,01 С). З 1950-60 рр. в США розроблявся космічний корабель з ядерно-імпульсним ракетним двигуном для дослідження міжпланетного простору «Оріон».

Міжзоряний політ - подорож між зірками пілотованих апаратів або автоматичних станцій. За словами директора Дослідницького центру Еймса (НАСА) Симона П. Вордена, проект двигуна для польотів в дальній космос може бути розроблений протягом 15-20 років.

Нехай політ туди і політ назад складаються з трьох фаз: равноускоренного розгону, польоту з постійною швидкістю і рівноприскореного гальмування. Нехай половину шляху космічний корабель рухається з одиничним прискоренням, а другу половину - з таким же прискоренням гальмує (). Потім корабель розвертається і повторює етапи розгону і гальмування.

Для міжзоряного польоту придатні не всі типи двигунів. Розрахунки показують, що за допомогою космічної системи, розглянутої в даній роботі, можна досягти зірки Альфа Центавра ... приблизно за 10 років ». В якості одного з варіантів вирішення проблеми пропонується використання в якості робочої речовини ракети елементарні частинки, які рухаються зі світловою або швидкістю, близькою до.

Яка швидкість сучасних космічних кораблів?

Вихлопна швидкість частинок від 15 до 35 кілометрів на секунду. Тому з'явилися ідеї постачати міжзоряні кораблі енергією з зовнішнього джерела. На даний момент цей проект неможливий: двигун зобов'язаний мати швидкість витікання 0.073 с (питомий імпульс 2 мільйони секунд), при цьому його тяга повинна досягати 1570 Н (тобто 350 фунтів).

Зіткнення з міжзоряним пилом відбуватиметься на близькосвітлових швидкостях і з фізичного впливу нагадувати мікровибухи. У науково-фантастичних творах нерідко згадуються методи міжзоряних перельотів, засновані на переміщенні швидше за швидкість світла у вакуумі. Найбільший екіпаж складався з 8 космонавтів (в його складі була 1 жінка), які стартували 30 жовтня 1985 на кораблі багаторазового використання «Челленджер».

Відстань до найближчої зірки (Проксіми Центавра) складає близько 4,243 світлових років, тобто приблизно в 268 тисяч разів більше відстані від Землі до Сонця. Польоти на зореліт займають значне місце в науковій фантастиці.

У цій ситуації час польоту в земній системі відліку складе приблизно 12 років, тоді як по годинах на кораблі пройде 7,3 року. Придатність різних типів двигунів для міжзоряних польотів зокрема було розглянуто на засіданні Британського міжпланетного товариства в 1973 р доктором Тоні Мартіном (Tony Martin).

В ході робіт були запропоновані проекти великого і малого зорельотів ( «кораблів поколінь»), здатних дістатися до зірки Альфа Центавра за 1800 і 130 років відповідно. У 1971 році в доповіді Г. Маркса на симпозіумі в Бюракане було запропоновано використовувати для міжзоряних перельотів лазери рентгенівського діапазону. У 1985 році Р. Форвардом була запропонована конструкція міжзоряного зонда, що розганяється енергією мікрохвильового випромінювання.

Космічний межа швидкості

Основна складова маси сучасних ракет - це маса палива, необхідного ракеті для розгону. Якщо вдасться якимось чином використовувати як робоче тіло і палива навколишнє ракету середу, можна значно зменшити масу ракети і досягти за рахунок цього великих швидкостей руху.

У 1960-і роки Бюссар (англ.) Була запропонована конструкція міжзоряного прямоточного реактивного двигуна (МПРД). Міжзоряне середовище складається в основному з водню. У 1994 році Джеффрі Лендіс (англ.) Запропонував проект міжзоряного іонного зонда, яких отримував-б енергію від лазерного променя на станції.

Ракетний корабель за проектом «Дедал» виявився таким величезним, що будувати його довелося б у відкритому космосі. Одним з недоліків міжзоряних кораблів є необхідність нести з собою енергосистему, що збільшує масу і відповідно знижує швидкість. Так електричний ракетний двигун має характеристичну швидкість в розмірі 100 км / с, що занадто повільно для польоту до далеких зірок за прийнятний термін.

Одним з найбільших надбань людства є міжнародна космічна станція, або МКС. Для її створення і роботи на орбіті об'єдналося кілька держав: Росія, деякі країни Європи, Канада, Японія і США. Цей апарат свідчить про те, що можна домогтися багато чого, якщо постійно співпрацювати країнам. Про цю станції знають усі люди планети і багато хто задається питаннями про те, на якій висоті літає МКС і по якій орбіті. Скільки космонавтів там побувало? А чи правда, що туди пускають туристів? І це далеко не все, що цікаво людству.

будова станції

МКС складається з чотирнадцяти модулів, в яких розташовуються лабораторії, склади, кімнати відпочинку, спальні, хозпомещения. На станції навіть є спортзал з тренажерами. Весь цей комплекс працює на сонячних батареях. Вони величезні, величиною з стадіон.

Факти про МКС

За час своєї роботи станція викликала чимало захоплень. Цей апарат є найбільшим досягненням людських умів. За своєю конструкцією, призначенням і особливостям його можна назвати досконалістю. Звичайно, може бути, років через 100 на Землі почнуть будувати космічні кораблі іншого плану, але поки що, на сьогоднішній день, цей апарат - надбання людства. Про це свідчать наступні факти про МКС:

За час свого її існування на МКС космонавтів побувало близько двохсот. Також тут були туристи, які просто прилетіли подивитися на Всесвіт з орбітальної висоти.
Станцію видно з Землі неозброєним оком. Ця конструкція є найбільшою серед штучних супутників, і її легко можна побачити з поверхні планети без якогось збільшує пристрою. Є карти, на яких можна подивитися, в який час і коли апарат пролітає над містами. За ним легко відшукати відомості про своєму населеному пункті: побачити розклад польоту над регіоном.
Для складання станції і підтримки її в робочому стані космонавти вийшли понад 150 разів у відкритий космос, провівши там близько тисячі годин.
Управляється апарат шістьма астронавтами. Система життєзабезпечення забезпечує безперервне присутність на станції людей з моменту її першого запуску.
Міжнародна космічна станція - це унікальне місце, де проводяться найрізноманітніші лабораторні експерименти. Вчені роблять унікальні відкриття в галузі медицини, біології, хімії та фізики, фізіології та метеоспостережень, а також в інших областях науки.
На апараті використовуються гігантські сонячні батареї, розмір яких досягає площі території футбольного поля з його кінцевими зонами. Їх вага - майже триста тисяч кілограм.
Батареї здатні повністю забезпечувати роботу станції. За їх роботою ретельно стежать.
На станції є міні-будинок, оснащений двома ванними і спортзалом.
За польотом стежать із Землі. Для контролю розроблені програми, що складаються з мільйонів рядків коду.

космонавти

З грудня 2017 року екіпаж МКС складається з наступних астрономів і космонавтів:

Антон Шкаплеров - командир МКС-55. Він двічі був на станції - в 2011-2012 і в 2014-2015 рр. За 2 польоту він прожив на станції 364 дні.
Скит Тінгл - бортінженер, астронавт НАСА. Цей космонавт не має досвіду космічних польотів.
Норішіге Канаі - бортінженер, астронавт Японії.
Олександр Місуркін. Перший його політ був здійснений в 2013 році тривалістю 166 діб.
Не знайдено Ванді Хай не має досвіду польотів.
Джозеф Акаба. Перший політ здійснив у 2009 році в складі «Діскавері», а другий політ був здійснений в 2012 році.

Земля з космосу

З космосу на Землю відкриваються унікальні види. Про це свідчать фотографії, відеозйомки астронавтів і космонавтів. Побачити роботу станції, космічні пейзажі можна, якщо подивитися онлайн-трансляції зі станції МКС. Однак деякі камери бувають вимкненими, що пов'язано з техработамі.

Наш читач Микита Агєєв запитує: у чому основна проблема міжзоряних перельотів? Відповідь, як і, потребуватиме великої статті, хоча на питання можна відповісти і єдиним символом: c .

Швидкість світла у вакуумі, c, дорівнює приблизно трьомстам тисячам кілометрів в секунду, і перевищити її неможливо. Отже, не можна і дістатися до зірок швидше, ніж за кілька років (світло йде 4,243 року до Проксіми Центавра, так що космічний корабель не зможе прибути ще швидше). Якщо додати час на розгін і гальмування з більш-менш прийнятним для людини прискоренням, то вийде близько десяти років до найближчої зірки.

В яких умовах летіти?

І цей термін вже суттєва перешкода сам по собі, навіть якщо відволіктися від питання «як розігнатися до швидкості, близької до швидкості світла». Зараз не існує космічних кораблів, Які дозволяли б екіпажу автономно жити в космосі стільки часу - космонавтам постійно привозять свіжі припаси з Землі. Зазвичай розмова про проблеми міжзоряних перельотів починають з більш фундаментальних питань, але ми почнемо з суто прикладних проблем.

Навіть через півстоліття після польоту Гагаріна інженери не змогли створити для космічних кораблів пральну машину і досить практичний душ, а розраховані на умови невагомості туалети ламаються на МКС із завидною регулярністю. Переліт хоча б до Марсу (22 світлові хвилини замість 4 світлових років) вже ставить перед конструкторами сантехніки нетривіальну задачу: так що для подорожі до зірок потрібно як мінімум винайти космічний унітаз з двадцятирічної гарантією і таку ж пральну машину.

Воду для прання, миття та пиття теж доведеться або брати з собою, або використовувати повторно. Так само як і повітря, та й їжу теж необхідно або запасати, або вирощувати на борту. Експерименти по створенню замкнутої екосистеми на Землі вже проводилися, проте їх умови все ж сильно відрізнялися від космічних хоча б наявністю гравітації. Людство вміє перетворювати вміст нічного горщика в чисту питну воду, Але в даному випадку потрібно зуміти зробити це в невагомості, з абсолютною надійністю і без вантажівки витратних матеріалів: брати до зірок вантажівка картриджів для фільтрів занадто накладно.

Прання шкарпеток і захист від кишкових інфекцій можуть здатися занадто банальними, «нефізичними» обмеженнями на міжзоряні польоти - однак будь-який досвідчений мандрівник підтвердить, що «дрібниці» на кшталт незручного взуття або розлади шлунка від незнайомої їжі в автономної експедиції можуть обернутися загрозою для життя.

Рішення навіть елементарних побутових проблем вимагає настільки ж серйозною технологічної бази, як і розробка принципово нових космічних двигунів. Якщо на Землі зношену прокладку в бачку унітаза можна купити в найближчому магазині за два рубля, то вже на марсіанському кораблі потрібно передбачити або запас всіх подібних деталей, або тривимірний принтер для виробництва запчастин з універсального пластикового сировини.

У ВМС США в 2013 році серйознозайнялися тривимірної печаткою після того, як оцінили витрати часу і коштів на ремонт бойової техніки традиційними методами в польових умовах. Військові розсудили, що надрукувати якусь рідкісну прокладку для знятого з виробництва десять років тому вузла вертольота простіше, ніж замовити деталь зі складу на іншому материку.

Один з найближчих соратників Королева, Борис Черток, писав у своїх мемуарах «Ракети і люди» про те, що в певний момент радянська космічна програма зіткнулася з нестачею штепсельних контактів. Надійні з'єднувачі для багатожильних кабелів довелося розробляти окремо.

Крім запчастин для техніки, їжі, води і повітря космонавтам буде потрібно енергія. Енергія буде потрібна двигуну і бортовому обладнанню, так що окремо доведеться вирішити проблему з потужним і надійним її джерелом. Сонячні батареї не годяться хоча б через віддаленості від світил в польоті, радіоізотопні генератори (вони живлять «Вояджери» і «Нові горизонти») не дають необхідної для великого пілотованого корабля потужності, а повноцінні ядерні реактори для космосу досі робити не навчилися.

Радянська програма по створенню супутників з ядерної енергоустановкою була затьмарена міжнародним скандалом після падіння апарату «Космос-954» в Канаді, а також рядом відмов з менш драматичними наслідками; аналогічні роботи в США згорнули ще раніше. Зараз створенням космічної ядерної енергоустановки намір зайнятися в Росатомі і Роскосмосі, але це все-таки установки для ближніх перельотів, а не багаторічного шляху до іншої зоряної системи.

Можливо, замість ядерного реактора в майбутніх міжзоряних кораблях знайдуть застосування токамаки. Про те, наскільки складно хоча б правильно визначити параметри термоядерної плазми, в МФТІ цього літа. До речі, проект ITER на Землі успішно просувається: навіть ті, хто вступив на перший курс, сьогодні мають всі шанси долучитися до роботи над першим експериментальним термоядерним реактором з позитивним енергетичним балансом.

На чому летіти?

Для розгону і гальмування міжзоряного корабля звичайні ракетні двигуни не годяться. Знайомі з курсом механіки, який читають в МФТІ в першому семестрі, можуть самостійно розрахувати то, скільки палива потрібно ракеті для набору хоча б ста тисяч кілометрів в секунду. Для тих, хто ще не знайомий з рівнянням Ціолковського, відразу озвучимо результат - маса паливних баків виходить істотно вище маси Сонячної системи.

Зменшити запас палива можна за рахунок підвищення швидкості, з якою двигун викидає робоче тіло, газ, плазму або щось ще, аж до пучка елементарних частинок. В даний час для перельотів автоматичних міжпланетних станцій в межах Сонячної системи або для корекції орбіти геостаціонарних супутників активно використовують плазмові й іонні двигуни, але у них є ряд інших недоліків. Зокрема, всі такі двигуни дають занадто малу тягу, ними поки не можна надати кораблю прискорення в кілька метрів на секунду в квадраті.

Проректор МФТІ Олег Горшков - один з визнаних експертів у галузі плазмових двигунів. Двигуни серії СПД - виробляють в ОКБ «Факел», це серійні вироби для корекції орбіти супутників зв'язку.

У 1950-ті роки розроблявся проект двигуна, який би використовував імпульс ядерного вибуху (проект Orion), але і він далекий від того, щоб стати готовим рішенням для міжзоряних польотів. Ще менш опрацьований проект двигуна, який використовує магнітогідродинамічний ефект, тобто розганяється за рахунок взаємодії з міжзоряним плазмою. Теоретично, космічний корабель міг би «засмоктувати» плазму всередину і викидати її назад зі створенням реактивної тяги, але тут виникає ще одна проблема.

Як вижити?

Міжзоряне плазма - це перш за все протони і ядра гелію, якщо розглядати важкі частинки. При русі зі швидкостями близько сотні тисяч кілометрів в секунду всі ці частинки набувають енергію в мегаелектронвольт або навіть десятки мегаелектронвольт - стільки ж, скільки мають продукти ядерних реакцій. Щільність міжзоряного середовища становить близько ста тисяч іонів на кубічний метр, а це значить, що за секунду квадратний метр обшивки корабля отримає близько 10 13 протонів з енергіями в десятки МеВ.

Один електронвольт, еВ,― це та енергія, яку набуває електрон при прольоті від одного електрода до іншого з різницею потенціалів в один вольт. Таку енергію мають кванти світла, а кванти ультрафіолету з більшою енергією вже здатні пошкодити молекули ДНК. Випромінювання або частки з енергіями в мегаелектронвольт супроводжує ядерні реакції і, крім того, саме здатне їх викликати.

Подібне опромінення відповідає поглиненої енергії (в припущенні, що вся енергія поглинається обшивкою) в десятки джоулів. Причому ця енергія прийде не просто у вигляді тепла, а може частково піти на ініціацію в матеріалі корабля ядерних реакцій з утворенням короткоживучих ізотопів: простіше кажучи, обшивка стане радіоактивної.

Частина налітають протонів і ядер гелію можна відхиляти в сторону магнітним полем, від наведеної радіації і вторинного випромінювання можна захищатися складної оболонкою з багатьох шарів, проте ці проблеми теж поки не мають рішення. Крім того, принципові складності виду «який матеріал в найменшій мірі буде руйнуватися при опроміненні» на стадії обслуговування корабля в польоті перейдуть у приватні проблеми - «як відкрутити чотири болта на 25 в відсіку з фоном в п'ятдесят мілізіверт на годину».

Нагадаємо, що при останньому ремонті телескопа «Хаббл» у астронавтів спочатку не вийшло відкрутити чотири болта, які кріпили одну з фотокамер. Порадившись із Землею, вони замінили ключ з обмеженням крутного моменту на звичайний і доклали грубу фізичну силу. Болти зрушили з місця, камеру успішно замінили. Якби прикипіла болт при цьому зірвали, друга експедиція обійшлася б в півмільярда доларів США. Або зовсім би не відбулася.

Чи немає обхідних шляхів?

У науковій фантастиці (часто більш фантастичною, ніж науковою) міжзоряні перельоти відбуваються через «подпространственних тунелі». Формально, рівняння Ейнштейна, що описують геометрію простору-часу в залежності від розподілених в цьому просторі-часі маси і енергії, дійсно допускають щось подібне - ось тільки передбачувані витрати енергії пригнічують ще більше, ніж оцінки кількості ракетного палива для польоту до Проксіма Центавра. Мало того, що енергії потрібно дуже багато, так ще і щільність енергії повинна бути негативною.

Питання про те, чи не можна створити стабільну, велику і енергетично можливу «Кротова нору» - прив'язаний до фундаментальних питань про будову Всесвіту в цілому. Однією з невирішених фізичних проблем є відсутність гравітації в так званій Стандартній моделі - теорії, що описує поведінку елементарних частинок і три з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій. Абсолютна більшість фізиків досить скептично ставиться до того, що в квантовій теорії гравітації знайдеться місце для міжзоряних «стрибків через гіперпростір», але, строго кажучи, спробувати пошукати обхідний шлях для польотів до зірок ніхто не забороняє.

Сучасні технології і відкриття виводять освоєння космосу на зовсім інший рівень, проте міжзоряні перельоти поки ще залишаються мрією. Але так чи вона нереальна і недосяжна? Що ми можемо вже зараз і чого чекати в найближчому майбутньому?

Вивчаючи дані отримані з телескопа «Кеплер» астрономи виявили 54 потенційно населені екзопланети. Ці далекі світи перебувають в зоні життя, тобто на певній відстані від центральної зірки, що дозволяє підтримувати на поверхні планети воду в рідкому вигляді.

Однак відповідь на головне питання, чи самотні ми у Всесвіті, отримати важко - через величезну дистанції, що розділяє Сонячну систему і наших найближчих сусідів. Наприклад, «перспективна» планета Gliese 581g перебуває на відстані в 20 світлових років - це досить близько за космічними мірками, але поки занадто далеко для земних інструментів.

Велика кількість екзопланет в радіусі 100 і менше світлових років від Землі і величезний науковий і навіть цивілізаційний інтерес, які вони представляють для людства, змушують по-новому поглянути на досі фантастичну ідею міжзоряних перельотів.

Політ до інших зірок - це, зрозуміло, питання технологій. Більш того, існують кілька можливостей для досягнення такої далекої мети, і вибір на користь того чи іншого способу ще не зроблений.

Людство вже відправляло в космос міжзоряні апарати: зонди Pioneer і Voyager. В даний час вони покинули межі Сонячної системи, проте їх швидкість не дозволяє говорити про скільки-небудь швидкому досягненні мети. Так, Voyager 1, що рухається зі швидкістю близько 17 км / с, навіть до найближчої до нас зірки Проксима Центавра (4,2 світлових роки) буде летіти неймовірно довгий термін - 17 тисяч років.

Очевидно, що з сучасними ракетними двигунами ми нікуди далі Сонячної системи не виберемося: для транспортування 1 кг вантажу навіть до недалекій Проксіма Центавра потрібні десятки тисяч тонн палива. При цьому з ростом маси корабля збільшується кількість необхідного палива, і для його транспортування потрібно додаткове пальне. Замкнуте коло, що ставить хрест на баках з хімічним паливом - будівля космічного судна вагою в мільярди тонн представляється абсолютно неймовірною витівкою. Прості обчислення за формулою Ціолковського демонструють, що для прискорення космічних апаратів з ракетним двигуном на хімічному паливі до швидкості приблизно в 10% швидкості світла буде потрібно більше пального, ніж є у відомій всесвіту.

Реакція термоядерного синтезу виробляє енергії на одиницю маси в середньому в мільйон разів більше, ніж хімічні процеси згоряння. Саме тому в 1970-х роках в НАСА звернули увагу на можливість застосування термоядерних ракетних двигунів. Проект безпілотного космічного корабля Дедал припускав створення двигуна, в якому невеликі гранули термоядерного палива будуть подаватися в камеру згоряння і спалахувати пучками електронів. Продукти термоядерної реакції вилітають з сопла двигуна і надають кораблю прискорення.

Космічний корабель Дедал в порівнянні з хмарочосом Емпайр стейт білдінг

Дедал повинен був взяти на борт 50 тис. Тонн паливних гранул діаметром 4 і 2 мм. Гранули складаються з ядра з дейтерієм і тритієм і оболонки з гелію-3. Останній становить лише 10-15% від маси паливної гранули, але, власне, і є паливом. Гелія-3 в надлишку на Місяці, а дейтерій широко використовується в атомній промисловості. Дейтерієву ядро \u200b\u200bслужить детонатором для запалювання реакції синтезу і провокує потужну реакцію з викидом реактивної плазмового струменя, яка управляється потужним магнітним полем. Основна молибденовая камера згоряння двигуна Дедала повинна була мати вагу більше 218 тонн, камера другого ступеня - 25 тонн. Магнітні надпровідні котушки теж до пари величезному реактору: перша вагою 124,7 т, а друга - 43,6 т. Для порівняння: суха маса шаттла менш 100 т.

Політ Дедала планувався двохетапним: двигун першого ступеня повинен був пропрацювати більше 2 років і спалити 16 млн паливних гранул. Після відділення першого ступеня майже два роки працював двигун другого ступеня. Таким чином, за 3,81 року безперервного прискорення Дедал досяг би максимальної швидкості в 12,2% швидкості світла. Відстань до зірки Барнарда (5,96 світлових років) такий корабель подолає за 50 років і зможе, пролітаючи крізь далеку зоряну систему, передати по радіозв'язку на Землю результати своїх спостережень. Таким чином, вся місія займе близько 56 років.

Незважаючи на великі труднощі із забезпеченням надійності численних систем Дедала і його величезної вартістю, цей проект реалізуємо на сучасному рівні технологій. Більш того, в 2009 році команда ентузіастів відродила роботу над проектом термоядерного корабля. В даний час проект Ікар включає 20 наукових тем з теоретичної розробці систем і матеріалів міжзоряного корабля.

Таким чином, вже сьогодні можливі безпілотні міжзоряні польоти на відстань до 10 світлових років, які займуть близько 100 років польоту плюс час на подорож радіосигналу назад на Землю. В цей радіус укладаються зоряні системи Альфа Центавра, Зірка Барнарда, Сіріус, Епсілон Ерідана, UV Кіта, Росс 154 і 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Як бачимо, поряд із Землею досить об'єктів для вивчення за допомогою безпілотних місій. Але якщо роботи знайдуть щось дійсно незвичайне і унікальне, наприклад, складну біосферу? Чи зможе відправитися до далеких планет експедиція за участю людей?

Політ довжиною в життя

Якщо безпілотний корабель ми можемо починати будувати вже сьогодні, то з пілотованим справа йде складніше. Перш за все гостро стоїть питання часу польоту. Візьмемо ту ж зірку Барнарда. До пілотованого польоту космонавтів доведеться готувати зі шкільної лави, оскільки навіть якщо старт із Землі відбудеться в їх 20-річчя, то мети польоту корабель досягне до 70-річчя або навіть 100-річчя (з огляду на необхідність гальмування, в якому немає потреби в безпілотному польоті) . Підбір екіпажу в юнацькому віці загрожує психологічною несумісністю і міжособистісними конфліктами, а вік в 100 не дає надію на плідну роботу на поверхні планети і на повернення додому.

Однак чи є сенс повертатися? Численні дослідження НАСА призводять до невтішного висновку: тривале перебування в невагомості необоротно зруйнує здоров'я космонавтів. Так, робота професора біології Роберта Фіттса з космонавтами МКС показує, що навіть незважаючи на активні фізичні вправи на борту космічного корабля, після трирічної місії на Марс великі м'язи, наприклад литкові, стануть на 50% слабше. Аналогічно знижується і мінеральна щільність кісткової тканини. В результаті працездатність і виживання в екстремальних ситуаціях зменшується в рази, а період адаптації до нормального силі тяжіння складе не менше року. Політ же в невагомості протягом десятків років поставить під питання самі життя космонавтів. Можливо, людський організм зможе відновитися, наприклад, в процесі гальмування з поступово наростаючою гравітацією. Однак ризик загибелі все одно дуже високий і вимагає радикального рішення.

Тор Стенфорда - колосальна споруда з цілими містами всередині обертового обода.

На жаль, вирішити проблему невагомості на міжзоряному кораблі не так просто. Доступна нам можливість створення штучної сили тяжіння за допомогою обертання житлового модуля має ряд складнощів. Щоб створити земну гравітацію, навіть колесо діаметром 200 м доведеться обертати зі швидкістю 3 обороту в хвилину. При такому швидкому обертанні сила Каріоліса буде створювати абсолютно нестерпні для вестибулярного апарату людини навантаження, викликаючи нудоту і гострі напади морської хвороби. Єдине рішення цієї проблеми - Тор Стенфорда, розроблений вченими Стенфордського університету в 1975 році. Це - величезна кільце діаметром 1,8 км, в якому могли б жити 10 тис. Космонавтів. Завдяки своїм розмірам воно забезпечує силу тяжіння на рівні 0.9-1,0 g і цілком комфортне проживання людей. Однак навіть на швидкості обертання нижче, ніж один оборот в хвилину, люди все одно будуть відчувати легкий, але відчутний дискомфорт. При цьому якщо подібний гігантський житловий відсік буде побудований, навіть невеликі зрушення в развесовке тора вплинуть на швидкість обертання і викличуть коливання всієї конструкції.

Складною залишається і проблема радіації. Навіть поблизу Землі (на борту МКС) космонавти перебувають не більше півроку через небезпеку радіаційного опромінення. Міжпланетний корабель доведеться оснастити важкої захистом, але і при цьому залишається питання впливу радіації на організм людини. Зокрема, на ризик онкологічних захворювань, розвиток яких в невагомості практично не вивчено. На початку цього року вчений Красимир Іванов з Німецького аерокосмічного центру в Кельні опублікував результати цікавого дослідження поведінки клітин меланоми (найнебезпечнішої форми раку шкіри) у невагомості. У порівнянні з раковими клітинами, вирощеними при нормальній силі тяжіння, клітини, які провели в невагомості 6 і 24 години, менш схильні до метастазів. Це начебто хороша новина, але тільки на перший погляд. Справа в тому, що такий «космічний» рак здатний перебувати в стані спокою десятиліття, і несподівано масштабно поширюватися при порушенні роботи імунної системи. Крім цього, дослідження дає зрозуміти, що ми ще мало знаємо про реакцію людського організму на тривале перебування в космосі. Сьогодні космонавти, здорові сильні люди, проводять там занадто мало часу, щоб переносити їх досвід на тривалий міжзоряний переліт.

У будь-якому випадку корабель на 10 тис. Осіб - сумнівна затія. Для створення надійної екосистеми для такого числа людей потрібно величезна кількість рослин, 60 тис. Курей, 30 тис. Кроликів і стадо великої рогатої худоби. Тільки це може забезпечити дієту на рівні 2400 калорій в день. Однак все експерименти по створенню таких замкнутих екосистем незмінно закінчуються провалом. Так, в ході найбільшого експерименту «Біосфера-2» компанії Space Biosphere Ventures була побудована мережа герметичних будівель загальною площею 1,5 га з 3 тис. Видами рослин і тварин. Вся екосистема повинна була стати самоподдерживающейся маленької «планетою», в якій жили 8 осіб. Експеримент тривав 2 роки, але вже після кількох тижнів почалися серйозні проблеми: мікроорганізми і комахи стали неконтрольовано розмножуватися, споживаючи кисень і рослини в занадто великих кількостях, також виявилося, що без вітру рослини стали дуже крихкими. В результаті локальної екологічної катастрофи люди почали втрачати вагу, кількість кисню знизилося з 21% до 15%, і вченим довелося порушити умови експерименту і поставляти вісьмом «космонавтам» кисень і продукти.

Таким чином, створення складних екосистем представляється помилковим і небезпечним шляхом забезпечення екіпажу міжзоряного корабля киснем і харчуванням. Для вирішення цієї проблеми знадобляться спеціально сконструйовані організми зі зміненими генами, здатні харчуватися світлом, відходами і простими речовинами. Наприклад, великі сучасні цеху з виробництва харчової водорості хлорели можуть виробляти до 40 т суспензії на добу. Один повністю автономний біореактор вагою кілька тонн може виробляти до 300 л суспензії хлорели в добу, чого достатньо для живлення екіпажу в кілька десятків людей. Генетично модифікована хлорелла могла б не тільки задовольняти потреби екіпажу в поживних речовинах, але і переробляти відходи, включаючи вуглекислий газ. Сьогодні процес генетичного інжинірингу мікроводоростей став звичайною справою, і існують численні зразки, розроблені для очищення стічних вод, вироблення біопалива і т.д.

заморожений сон

Практично всі перераховані вище проблеми пілотованого міжзоряного польоту могла б вирішити одна дуже перспективна технологія - анабіоз або як його ще називають кріостазіс. Анабіоз - це уповільнення процесів життєдіяльності людини як мінімум у кілька разів. Якщо вдасться занурити людини в таку штучну летаргію, що сповільнює обмін речовин в 10 разів, то за 100-річний політ він постаріє уві сні всього на 10 років. При цьому полегшується вирішення проблем харчування, постачання киснем, психічних розладів, руйнування організму в результаті впливу невагомості. Крім того, захистити відсік з анабіозного камерами від мікрометеоритів і радіації простіше, ніж населену зону великого обсягу.

На жаль, уповільнення процесів життєдіяльності людини - це надзвичайно складне завдання. Але в природі існують організми, здатні впадати в сплячку і збільшувати тривалість свого життя в сотні разів. Наприклад, невелика ящірка під назвою сибірський углозуб здатна впадати в сплячку в важкі часи і десятиліттями залишатися в живих, навіть будучи вморожених в брилу льоду з температурою мінус 35-40 ° С. Відомі випадки, коли углозуби проводили в сплячці близько 100 років і, як ні в чому не бувало, відтавали і тікали від здивованих дослідників. При цьому звичайна «безперервна» тривалість життя ящірки не перевищує 13 років. Дивовижна здатність углозуба пояснюється тим, що його печінка синтезує велику кількість гліцерину, майже 40% від ваги тіла, що захищає клітини від низьких температур.

Головна перешкода для занурення людини в кріостазіс - вода, з якої на 70% складається наше тіло. При замерзанні вона перетворюється на кристалики льоду, збільшуючись в обсязі на 10%, через що розривається клітинна мембрана. Крім того, у міру замерзання розчинені всередині клітини речовини мігрують в воду, що залишилася, порушуючи внутрішньоклітинні іонообмінні процеси, а також організацію білків і інших міжклітинних структур. Загалом, руйнування клітин під час замерзання унеможливлюють повернення людини до життя.

Однак існує перспективний шлях вирішення цієї проблеми - клатратного гідрати. Вони були виявлені в далекому 1810 році, коли британський вчений сер Хемфрі Деві подав у воду хлор під високим тиском і став свідком утворення твердих структур. Це і були клатратного гідрати - одна з форм водяного льоду, в який включено сторонній газ. На відміну від кристалів льоду, клатратного решітки менш тверді, не мають гострих граней, зате мають порожнини, в які можуть «сховатися» внутрішньоклітинні речовини. Технологія клатратного анабіозу була б проста: інертний газ, наприклад, ксенон або аргон, температура трохи нижче нуля, і клітинний метаболізм починає поступово сповільнюватися, поки людина не впадає в кріостазіс. На жаль, для освіти клатратних гідратів потрібно високий тиск (близько 8 атмосфер) і вельми висока концентрація газу, розчиненого у воді. Як створити такі умови в живому організмі, поки невідомо, хоча деякі успіхи в цій галузі є. Так, клатрати здатні захистити тканини серцевого м'яза від руйнування мітохондрій навіть при кріогенних температурах (нижче 100 градусів Цельсія), а також запобігти пошкодженню клітинних мембран. Про експерименти по клатратного анабіозу на людях поки що не йдеться, оскільки комерційний попит на технології кріостазіса невеликий і дослідження на цю тему проводяться в основному невеликими компаніями, що пропонують послуги з заморожування тіл померлих.

Політ на водні

У 1960 році фізик Роберт Бассард запропонував оригінальну концепцію прямоточного термоядерного двигуна, який вирішує багато проблем міжзоряного перельоту. Суть полягає в використанні водню і міжзоряного пилу, присутніх в космічному просторі. Космічний корабель з таким двигуном спочатку розганяється на власному пальному, а потім розгортає величезну, діаметром тисячі кілометрів воронку магнітного поля, яке захоплює водень з космічного простору. Цей водень використовується в якості невичерпного джерела палива для термоядерного ракетного двигуна.

Застосування двигуна Бассард обіцяє величезні переваги. Перш за все за рахунок «дармового» палива є можливість рухатися з постійним прискоренням в 1 g, а значить - відпадають всі проблеми, пов'язані з невагомістю. Крім того двигун дозволяє розігнатися до величезній швидкості - в 50% від швидкості світла і навіть більше. Теоретично, рухаючись з прискоренням в 1 g, відстань в 10 світлових років корабель з двигуном Бассард може подолати приблизно за 12 земних років, причому для екіпажу через релятивістських ефектів пройшло б всього 5 років корабельного часу.

На жаль, на шляху створення корабля з двигуном Бассард стоїть ряд серйозних проблем, які не можна вирішити на сучасному рівні технологій. Перш за все необхідно створити гігантську і надійну пастку для водню, яка генерує магнітні поля гігантської сили. При цьому вона повинна забезпечувати мінімальні втрати і ефективну транспортування водню в термоядерний реактор. Сам процес термоядерної реакції перетворення чотирьох атомів водню в атом гелію, запропонований Бассард, викликає чимало запитань. Справа в тому, що ця найпростіша реакція трудноосуществима в прямоточном реакторі, оскільки вона занадто повільно йде і, в принципі, можлива тільки всередині зірок.

Однак прогрес у вивченні термоядерного синтезу дозволяє сподіватися, що проблема може бути вирішена, наприклад, використанням «екзотичних» ізотопів і антиматерії в якості каталізатора реакції.

Поки пошуки на тему двигуна Бассард лежать виключно в теоретичній площині. Необхідні розрахунки, що базуються на реальних технологіях. Перш за все, потрібно розробити двигун, здатний зробити енергію, достатню для живлення магнітної пастки і підтримки термоядерної реакції, виробництва антиматерії і подолання опору міжзоряного середовища, яка буде гальмувати величезний електромагнітний «парус».

Антиматерія в допомогу

Можливо, це звучить дивно, але сьогодні людство ближче до створення двигуна, що працює на антиматерії, ніж до інтуїтивно зрозумілого і простого на перший погляд прямоточному двигуну Бассард.

Зонд розробки Hbar Technologies матиме тонкий вітрило з вуглецевого волокна, покритого ураном 238. Врізаючись в парус, антиводню буде аннигилировать і створювати реактивну тягу.

В результаті анігіляції водню і антиводню утворюється потужний потік фотонів, швидкість витікання якого досягає максимуму для ракетного двигуна, тобто швидкості світла. Це ідеальний показник, який дозволяє домогтися дуже високих близькосвітлових швидкостей польоту космічного корабля з фотонним двигуном. На жаль, застосувати антиматерію як ракетне паливо дуже непросто, оскільки під час анігіляції відбуваються спалахи найпотужнішого гамма-випромінювання, яке вб'є космонавтів. Також поки не існує технологій зберігання великої кількості антиречовини, та й сам факт накопичення тонн антиматерії, навіть в космосі далеко від Землі, є серйозною загрозою, оскільки анігіляція навіть одного кілограма антиматерії еквівалентна ядерного вибуху потужністю 43 мегатонн (вибух такої сили здатний перетворити в пустелю третину території США). Вартість антиречовини є ще одним фактором, який ускладнює міжзоряний політ на фотонів тязі. Сучасні технології виробництва антиречовини дозволяють виготовити один грам антиводню за ціною в десяток трильйонів доларів.

Однак великі проекти по дослідженню антиматерії приносять свої плоди. В даний час створені спеціальні сховища позитронів, «магнітні пляшки», що представляють собою охолоджені рідким гелієм ємності зі стінками з магнітних полів. У червні цього року вченим ЦЕРНу вдалося зберегти атоми антиводню протягом 2000 секунд. В Університеті Каліфорнії (США) будується найбільше в світі сховище антиречовини, в якому можна буде накопичувати більше трильйона позитронів. Однією з цілей вчених Каліфорнійського університету є створення переносних ємностей для антиречовини, які можна використовувати в наукових цілях далеко від великих прискорювачів. Цей проект користується підтримкою Пентагону, який зацікавлений у військовому застосуванні антиматерії, так що найбільший в світі масив магнітних пляшок навряд чи буде відчувати брак фінансування.

Сучасні прискорювачі зможуть зробити один грам антиводню за кілька сотень років. Це дуже довго, тому єдиний вихід: розробити нову технологію виробництва антиматерії або об'єднати зусилля всіх країн нашої планети. Але навіть в цьому випадку при сучасних технологіях годі й мріяти про виробництво десятків тонн антиматерії для міжзоряного пілотованого польоту.

Однак все не так вже сумно. Фахівці НАСА розробили кілька проектів космічних апаратів, які могли б відправитися в глибокий космос, маючи всього один мікрограм антиречовини. У НАСА вважають, що вдосконалення обладнання дозволить проводити антипротона за ціною приблизно 5 млрд дол. За 1 грам.

Американська компанія Hbar Technologies за підтримки НАСА розробляє концепцію безпілотних зондів, що приводяться в рух двигуном, що працює на антиводню. Першою метою цього проекту є створення безпілотного космічного апарату, який зміг би менш ніж за 10 років долетіти до поясу Койпера на околиці Сонячної системи. Сьогодні долетіти в такі віддалені точки за 5-7 років неможливо, зокрема, зонд НАСА New Horizons пролетить крізь пояс Койпера через 15 років після запуску.

Зонд, що долає відстань в 250 а.о. за 10 років, буде дуже маленьким, з корисним навантаженням всього 10 мг, але йому і антиводню буде потрібно небагато - 30 мг. Теватрон виробить таку кількість за кілька десятиліть, і вчені змогли б протестувати концепцію нового двигуна в ході реальної космічної місії.

Попередні розрахунки також показують, що подібним чином можна відправити невеликої зонд до Альфі Центавра. На одному грамі антиводню він долетить до далекій зірці за 40 років.

Може здатися, що все вищеописане - фантастика і не має відношення до найближчого майбутнього. На щастя, це не так. Поки увага громадськості прикута до світових криз, провалів поп-зірок і іншим актуальним подіям, залишаються в тіні епохальні ініціативи. Космічне агентство НАСА запустило грандіозний проект 100 Year Starship, який передбачає поетапне і багаторічне створення наукового і технологічного фундаменту для міжпланетних і міжзоряних польотів. Ця програма не має аналогів в історії людства і повинна залучити вчених, інженерів і ентузіастів інших професій з усього світу. З 30 вересня по 2 жовтня 2011 року в Орландо (штат Флорида) відбудеться симпозіум, на якому будуть обговорюватися різні технології космічних польотів. На підставі результатів таких заходів фахівці НАСА розроблятимуть бізнес-план з надання допомоги певним галузям і компаніям, які розробляють поки відсутні, але необхідні для майбутнього міжзоряного перельоту технології. Якщо амбітна програма НАСА увінчається успіхом, вже через 100 років людство буде здатне побудувати міжзоряний корабель, а по Сонячній системі ми будемо переміщатися з такою ж легкістю, як сьогодні перелітаємо з материка на материк.

Від вертольотів і космічних кораблів до елементарних частинок - перед вами 25 найшвидших речей в світі.

25. Найшвидший потяг

Японський поїзд JR-Maglev розвинув швидкість, яка перевищує 581 кілометрів на годину за допомогою магнітної левітації.

24. Найшвидші американські гірки

Формула Росса (Formula Rossa), недавно побудована в Дубаї, дозволяє шукачам пригод розвинути швидкість в 240 кілометрів на годину.

23. Найшвидший ліфт

Ліфти в вежі Тайбей (Taipei Tower) в Тайвані перевозять людей вниз і вгору на швидкості в 60 кілометрів на годину.

22. Найшвидший серійний автомобіль

Бугатті Вейрон ЕВ 16.4 (Bugatti Veyron EB 16.4), розганяється до 430 кілометрів на годину, є найшвидшою в світі машиною, допущеної до експлуатації на дорогах загального користування.

21. Найшвидший несерійний автомобіль

15 жовтня 1997 року автомобіль з ракетної тягою Thrust SSC подолав звуковий бар'єр в пустелі Невада.

20. Найшвидший пілотований літак

X-15 військово-повітряних сил США не тільки розганяється до вражаючій швидкості (7270 кілометрів на годину), але і піднімається настільки високо, що кілька його пілотів отримали «крила» астронавтів від НАСА.

19. Найшвидший торнадо

Торнадо, що трапився неподалік від міста Оклахома, був найшвидшим в плані швидкості вітру, що досягала 480 кілометрів на годину.

18. Найшвидший чоловік

У 2009 році спринтер з Ямайки Усейн Болт (Usain Bolt) встановив світовий рекорд на дистанції в 100 метрів, пробігши її за 9,58 секунди.

17. Найшвидша жінка

У 1988 році американка Флоренс Гріффіт-Джойнер (Florenc Griffith-Joyner) пробігла 100-метрівку за 10,49 секунди - рекорд, який досі ніхто не побив.

16. Найшвидше наземна тварина

Крім того, що гепарди швидко бігають (120 кілометрів на годину), вони ще й здатні розганятися швидше більшості серійних автомобілів (від 0 до 100 кілометрів на годину за 3 секунди).

15. Найшвидша риба

Окремі особини виду вітрильник можуть розганятися до 112 кілометрів на годину.

14. Найшвидша птах

Сапсан це також найшвидше тварина в світі в цілому і може перевищувати швидкість в 325 кілометрів на годину.

13. Найшвидший комп'ютер

Хоча, швидше за все, цей рекорд вже буде побитий до того моменту, коли ви будете читати статтю, Чумацький Шлях-2 (Milky Way-2) в Китаї є найшвидшим комп'ютером в світі.

12. Найшвидша підводний човен

Рекорди реєструвати в подібних речах складно, тому що інформація про підводних човнах зазвичай тримається в таємниці. Однак за деякими оцінками найбільшу швидкість розвинула радянський підводний човен К-162 в 1969 році. Швидкість становила близько 44 вузлів.

11. Найшвидший вертоліт

У липні 2010 року Сікорський Х2 (Sikorsky X2) встановив над Уест-Палм-Біч (West Palm Beach) новий рекорд швидкості - 415 кілометрів на годину.

10. Найшвидша човен

Світовий водний рекорд швидкості є офіційно визнаною максимальною швидкістю, розвиненою водним транспортів. На даний момент рекордсменом є Дух Австралії (Spirit of Australia), який досяг 511 кілометрів на годину.

9. Найшвидший спорт з ракетками

У бадмінтоні волан може досягати швидкості більше 320 кілометрів на годину.

8. Найшвидший наземний транспорт

Військові ракетні санчата розвивають швидкість перевищує Мах 8 (9800 кілометрів на годину).

7. Найшвидший космічний корабель

У космосі швидкість може вимірюватися тільки щодо інших об'єктів. З огляду на це, найшвидшим космічним апаратом, який рухався від Сонця на швидкості 62000 кілометрів на годину, є Вояджер-1 (Voyager 1).

6. Найшвидший їдець

Джоуї «Щелепи» Честнат (Joey "Jaws" Chestnut) на даний момент визнаний Міжнародною Федерацією Змагань Їдців (International Federation of Competitive Eating) чемпіоном світу після того, як він з'їв 66 хот-догів за 12 хвилин.

5. Найшвидший краш-тест

Для визначення рейтингу безпеки EuroNCAP зазвичай проводить свої краш-тести на швидкості в 60 кілометрів на годину. Однак, в 2011 році, вони вирішили збільшити швидкість до 190 кілометрів на годину. Просто для розваги.

4. Найшвидший гітарист

Джон Тейлор (John Taylor) встановив новий світовий рекорд, ідеально зігравши «Політ Шмеля» на 600 ударах в хвилину.

3. Найшвидший репер

No Clue отримав титул «найшвидший репер» в Книзі Рекордів Гінеса, коли він сказав 723 складу за 51,27 секунди. За секунду він вимовляв близько 14 складів.

2. Найбільша швидкість

Технічно найбільша швидкість у Всесвіті це швидкість світла. Однак тут є кілька застережень, які призводять нас до першого пункту ...

1. Найшвидша елементарна частинка

Незважаючи на те, що це спірне твердження, вчені з європейського центру ядерних досліджень недавно провели експерименти, в ході яких мю-мезон нейтрино подолали дистанцію між Женевою, Швейцарія і Гран-Сассо, Італія на кілька наносекунд швидше за світло. Однак, на даний момент, фотон все ще вважається королем швидкості.